水擊現(xiàn)象產生的原因及預防措施
在有壓管路流動中,由于閥門突然開啟或關閉等原因,導致流速發(fā)生急劇變化,引起壓強的劇烈波動,并在整個管長范圍內傳播的現(xiàn)象,稱為水擊或水錘。
水擊的后果在水擊發(fā)生時,必須考慮到液體的可壓縮性,同樣,考慮管壁的彈性,管道直徑在水擊過程中也可以擴張或收縮,不再是一常數值。水擊是工程中重大事故,會導致管道強烈的震動、噪聲和氣穴,有時甚至引起管道變形、爆裂或閥門的破壞。水擊的危害不可輕視,因此在工程設計中必須分析水擊過程,尋找減小水擊危害的方法。1、水擊現(xiàn)象發(fā)生后,引起壓力升高的數值,可能達到正常壓力的幾十倍甚至幾百倍,而且增壓和減壓交替頻率很快,反復的沖擊會使金屬表面損壞打出許多麻點,輕者增大了流動阻力,重者損壞管道及設備,使其產生變形,嚴重時會造成管道的破裂。2、壓力的反復變化會使管壁及設備受到反復的沖擊發(fā)出強烈的振動和噪音,尤如管道受到錘擊一樣故又稱為水錘。水擊的傳播過程長度為L的管道,上游M點連接水池,下游N點裝有閘門,水擊前管道內的流動速度為v1。
1、壓縮過程
閥門突然關閉,首先在N-N斷面上液體停止了流動,同時壓力升高ph。然后相鄰的另一層液體也停止了流動,壓力也相應升高pn。這種壓力升高以水擊波的傳播速度c由閥門N處一直向管道進口M傳播。經時間t=L/c 傳到管道進口,這時整個管道中壓力都升高到p+Ph。液體受到壓縮,密度增高,管壁膨脹,這是一個減速增壓的壓縮過程。2、壓縮恢復過程壓縮過程結束后,管道中壓力比容器中壓力高了Ph。在壓力差pn的作用下,管道中的液體將以速度v由管道流回容器內,如圖(b)所示。與此同時,這層液體的壓力由p+p,恢復到正常的壓力p,管壁的膨脹也得到恢復,這種恢復以水擊波的傳播速度c向管道末端N-N傳播。從閥門關閉時間算起,經過時間t=2L/c后,由M-M傳播到N-N斷面,使整個管道都恢復到正常數值。該過程是一個增速減壓的壓縮恢復過程
3、膨脹過程(慣性作用)壓縮恢復過程結束后,液體并不能停止流動,在慣性的作用下,液體還將以速度v繼續(xù)向容器內流動,閥門N-N處液體首先減少,使其壓力由p降低到p-Pn。因而液體密度減小,體積膨脹,管壁相應收縮,同時液體的流動速度也降為零。這一膨脹仍以水擊波速度c向M-M斷面?zhèn)鞑?,如圖(c)所示。從閥門關閉時間算起,經過時間t=3L/c后,使管道中的液體都處于膨脹狀態(tài),壓力比正常情況下的壓力降低了ph。此過程為減速減壓的膨脹過程。4、膨脹恢復過程膨脹過程結束后,由于容器內的壓力高于管道內的壓力,在壓差的作用下,液體以速度流向管內,使管道進口M處的壓力恢復到正常情況然后壓力的恢復由M斷面以水擊波的傳播速度c向N斷面?zhèn)鞑?。從關閉閥門時算起,經過時間 t=4L/cc,完成了增速增壓的膨脹恢復過程使整個管道中液體的壓力、密度都恢復到了正常值,完成了一個周期的水擊變化過程由于流體的慣性作用,管中流體仍以速度v向下流動,但閥門關閉,流體被阻止,于是又重復剛才的過程。
水擊現(xiàn)象無法避免,但可以采取以下措施減少水擊危害1、延長閥門關閉的時間,可避免產生直接水擊,還可以減小水擊壓強。2、減小管中流速。采用較小的流速,有利于減小水擊引起的動量變化量,從而削弱水擊壓強增量。3、在管道中設置安全閥、水擊消除閥等,系統(tǒng)壓強增大時,安全閥打開,放走一部分高壓水,從而保護管路系統(tǒng)。4、在管道在中設置調壓塔、空氣室等裝置,這些裝置可以減小水擊壓強及水擊的影響范圍。如在水電站的壓力管上經常設有調壓塔,如圖所示。當閥門關閉時,水擊的增壓波使調壓塔內的水位抬升,依次緩解調壓塔上游壓力管段的水擊作用。此后調壓塔中的水位上下震蕩,直至衰減。



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