Гидравлический удар

Информацию о гидромолоте см. в разделе « Спусковой молоток» .

Влияние скачка давления на поплавковый манометр

Гидравлический удар ( разговорный : гидравлический удар ; гидравлический удар ) — это скачок давления или волна, возникающая, когда жидкость движущаяся импульса вынуждена внезапно остановиться или изменить направление; изменение . Обычно это наблюдается в жидкости, но также может наблюдаться и в газах. Это явление обычно возникает, когда клапан внезапно закрывается на конце трубопроводной системы и в трубе распространяется волна давления.

Эта волна давления может вызвать серьезные проблемы: от шума и вибрации до разрыва или обрушения трубы. Уменьшить воздействие импульсов гидроудара можно с помощью аккумуляторов , расширительных баков , расширительных баков , продувочных клапанов и других устройств. Последствий можно избежать, гарантируя, что никакие клапаны не будут закрываться слишком быстро при значительном расходе, но существует множество ситуаций, которые могут вызвать этот эффект.

Грубые расчеты можно провести с помощью уравнения Жуковского (Жуковского): или более точные, используя метод характеристик .

История

В I веке до нашей эры Марк Витрувий Поллион описал эффект гидроудара в свинцовых и каменных трубах римского общественного водоснабжения. Гидравлический удар использовался еще до того, как для него появилось слово.

Альгамбра из Гранады , построенная Насридом Султаном ибн аль-Ахмаром в начале 1238 года, использовала гидрам для подъема воды. Через первый резервуар, заполненный каналом из реки Дарро , вода сливалась через большой вертикальный канал во второй резервуар, расположенный ниже, создавая водоворот, который, в свою очередь, продвигал воду через гораздо меньшую трубу на шесть метров, в то время как большая часть воды стекала во второй резервуар. , труба чуть большего размера.

В 1772 году англичанин Джон Уайтхерст построил гидравлический таран для дома в Чешире, Англия. В 1796 году французский изобретатель Жозеф Мишель Монгольфье (1740–1810) построил гидроцилиндр для своей бумажной фабрики в Вуароне . На французском и итальянском языках термины «гидравлический удар» происходят от гидравлического тарана: coup de bélier (французский) и colpo d'ariete (итальянский) означают «удар тарана». Когда в 19 веке было установлено муниципальное водоснабжение, гидравлический удар стал проблемой для инженеров-строителей. Гидравлический удар интересовал и физиологов, изучавших систему кровообращения.

Хотя это было прообразом в работе Томаса Янга , Считается, что теория гидравлического удара возникла в 1883 году с работы немецкого физиолога Иоганна фон Криса (1853–1928), который исследовал пульс в кровеносных сосудах. Однако его выводы остались незамеченными инженерами-строителями. Результаты Криса были впоследствии независимо получены в 1898 году русским гидродинамиком Николаем Егоровичем Жуковским (1847–1921). в 1898 году американский инженер-строитель Джозеф Палмер Фризелл (1832–1910), а в 1902 году — итальянский инженер Лоренцо Аллиеви (1856–1941).

Причина и следствие

Вода, текущая по трубе, имеет импульс. Если движение воды внезапно останавливается, например, путем закрытия клапана после текущей воды, давление может внезапно возрасти, что приведет к возникновению ударной волны . В бытовой сантехнике эта ударная волна воспринимается как громкий стук, напоминающий стук молотка. Гидравлический удар может привести к разрыву трубопроводов, если давление достаточно высокое. Воздухоотделители или стояки (открытые сверху) иногда добавляются в качестве демпферов к водопроводным системам, чтобы поглощать потенциально разрушительные силы, вызванные движущейся водой.

Например, скорость движения воды по туннелю или трубопроводу к турбине гидроэлектростанции может внезапно замедлиться, если клапан на пути закрывается слишком быстро. Если имеется туннель длиной 14 км (8,7 миль) диаметром 7,7 м (25 футов), полный воды, движущейся со скоростью 3,75 м/с (8,4 мили в час), это составляет примерно 8000 мегаджоулей (2200 кВтч) кинетической энергии. Эту энергию можно рассеять с помощью вертикальной уравнительной шахты, в которую течет вода. который открыт сверху. Когда вода поднимается вверх по шахте, ее кинетическая энергия преобразуется в потенциальную энергию, что позволяет избежать внезапного высокого давления. На некоторых гидроэлектростанциях, таких как гидроэлектростанция Саксон-Фолс в Мичигане , то, что выглядит как водонапорная башня, на самом деле является уравнительным барабаном .

В бытовых водопроводных системах гидравлический удар может возникнуть, когда посудомоечная , стиральная машина или унитаз внезапно перекрывают подачу воды. Результат может быть слышен как громкий хлопок, повторяющиеся удары (по мере того как ударная волна распространяется взад и вперед по водопроводной системе) или как некоторая дрожь.

Другие потенциальные причины гидроудара:

• Насос останавливается
• Обратный клапан, который быстро закрывается (т. е. «захлопывается обратный клапан») из-за изменения направления потока в трубе при потере движущей силы, например, при остановке насоса. Для уменьшения скачка давления можно использовать «незапорные» обратные клапаны.
• Заполнение пустой трубы, которая имеет ограничение, такое как частично открытый клапан или отверстие, которое позволяет воздуху легко проходить, поскольку труба быстро заполняется, но с увеличением давления после наполнения вода сталкивается с препятствием.

Связанные явления

Компенсаторы паропровода, разрушенные паровым молотом

Паровой удар может возникнуть в паровых системах, когда часть пара конденсируется в воду на горизонтальном участке трубопровода. Пар, проталкивая жидкую воду по трубе, образует « пробку », которая ударяется о клапан фитинга трубы, создавая громкий стук и высокое давление. Вакуум, вызванный конденсацией в результате термического удара, также может вызвать паровой удар. Паровой удар гидроудара, вызванного конденсацией пара (CIWH), был тщательно исследован как экспериментально, так и теоретически более десяти лет назад, поскольку он может иметь радикальные негативные последствия на атомных электростанциях. Можно теоретически объяснить пики избыточного давления при 130 бар длительностью 2 миллисекунды с помощью специальной многофазной термогидравлической модели с шестью уравнениями: похож на РЕЛАП .

Паровой удар можно свести к минимуму за счет использования наклонных труб и установки пароотделителей .

В с турбонаддувом двигателях внутреннего сгорания «газовый удар» может произойти, когда дроссельная заслонка закрыта, когда турбонагнетатель нагнетает воздух в двигатель. Ударной волны нет, но давление все равно может быстро возрасти до опасного уровня или вызвать помпаж компрессора . Клапан сброса давления , расположенный перед дроссельной заслонкой, предотвращает попадание воздуха в корпус дроссельной заслонки, отводя его в другое место, тем самым защищая турбокомпрессор от повреждения давлением. Этот клапан может либо рециркулировать воздух во впуск турбокомпрессора (клапан рециркуляции), либо выбрасывать воздух в атмосферу и производить характерное шипение турбокомпрессора вторичного рынка ( выпускной клапан ).

Меры по смягчению последствий

Гидравлические удары стали причиной несчастных случаев и смертельных исходов, но обычно ущерб ограничивается поломкой труб или придатков. Инженер всегда должен оценивать риск разрыва трубопровода. Трубопроводы, транспортирующие опасные жидкости или газы, требуют особого внимания при проектировании, строительстве и эксплуатации. Гидроэлектростанции особенно необходимо тщательно проектировать и обслуживать, поскольку гидравлический удар может привести к катастрофическому выходу из строя водопроводных труб.

Следующие характеристики могут уменьшить или устранить гидроудар:

• Уменьшите давление подачи воды в здание, установив регулятор.
• Более низкие скорости жидкости. Чтобы минимизировать гидравлический удар, в таблицах размеров труб для некоторых применений рекомендуется скорость потока не выше 1,5 м/с (4,9 фута/с).
• Установите медленно закрывающиеся клапаны. Доступны клапаны наполнения унитазов бесшумного типа, которые бесшумно закрываются.
• Незапорные обратные клапаны не полагаются на поток жидкости для закрытия и делают это до того, как поток воды достигнет значительной скорости.
• Высокий номинал давления в трубопроводе (не снижает воздействие, но защищает от повреждений).
• Хороший контроль трубопровода (процедуры запуска и остановки).
• Водонапорные башни (используемые во многих системах питьевой воды ) или уравнительные резервуары помогают поддерживать постоянный расход и улавливать большие колебания давления.
• Воздушные сосуды, такие как расширительные баки и некоторые типы гидроаккумуляторов, работают почти так же, как водонапорные башни, но находятся под давлением. Обычно они имеют воздушную подушку над уровнем жидкости в сосуде, которая может регулироваться или разделяться с помощью мочевого пузыря. На крупных трубопроводах размеры воздушных сосудов могут достигать сотен кубических метров. Они бывают разных форм, размеров и конфигураций. Такие сосуды часто называют аккумуляторами или расширительными баками.
• аналогичное Между водопроводной трубой и машиной может быть установлено гидропневматическое устройство, по принципу амортизатору, называемое «Гидравлический амортизатор», чтобы поглощать удары и прекращать удары.
• Воздушные клапаны часто устраняют низкое давление в высоких точках трубопровода. Несмотря на эффективность, иногда необходимо установить большое количество воздушных клапанов. Эти клапаны также пропускают воздух в систему, что часто нежелательно. продувочные клапаны . В качестве альтернативы можно использовать
• Укороченная длина патрубков.
• Уменьшение длины прямой трубы, т.е. добавление колен и компенсационных петель. Гидравлический удар связан со скоростью звука в жидкости, а колена уменьшают влияние волн давления.
• Расположение труб большего размера в петлях, к которым подводятся более короткие и меньшие ответвления труб. В петлевом трубопроводе потоки с более низкой скоростью с обеих сторон петли могут служить ответвлением.
• Маховик на насосе.
• Обход насосной станции.

Величина пульса

Типичная волна давления, вызванная закрытием клапана на трубопроводе

Одним из первых, кто успешно исследовал проблему гидроудара, был итальянский инженер Лоренцо Аллиеви .

Гидравлический удар можно анализировать с помощью двух разных подходов: теории жесткой колонны , которая игнорирует сжимаемость жидкости и упругость стенок трубы, или с помощью полного анализа, включающего эластичность. Когда время, необходимое клапану для закрытия, велико по сравнению со временем распространения волны давления по длине трубы, тогда подходит теория жесткой колонны; в противном случае может потребоваться рассмотрение эластичности. Ниже приведены два приближения пикового давления: одно учитывает эластичность, но предполагает, что клапан закрывается мгновенно, и второе, которое пренебрегает эластичностью, но включает конечное время закрытия клапана.

Мгновенное закрытие клапана; сжимаемая жидкость

Профиль давления импульса гидроудара можно рассчитать по Жуковского уравнению

${\frac {\partial P}{\partial t}}=\rho a{\frac {\partial v}{\partial t}}.$

Таким образом, для мгновенного закрытия клапана максимальная величина импульса гидроудара равна

$\Delta P=\rho a_{0}\Delta v,$

где Δ P – величина волны давления (Па), ρ – плотность жидкости (кг/м ³ ), a ₀ — скорость звука в жидкости (м/с), а Δ v — изменение скорости жидкости (м/с). Импульс возникает благодаря законам движения Ньютона и уравнению неразрывности, применяемому к замедлению жидкого элемента.

Уравнение скорости волны

Поскольку скорость звука в жидкости равна $a={\sqrt {\frac {B}{\rho }}}$Пиковое давление зависит от сжимаемости жидкости, если клапан резко закрывается.

$B={\frac {K}{(1+{\frac {V}{a}})(1+c{\frac {KD}{Et}})}},$

где

а = скорость волны,

B = эквивалентный объемный модуль упругости системы жидкость–труба,

ρ = плотность жидкости,

K = объемный модуль упругости жидкости,

E = модуль упругости трубы,

D = внутренний диаметр трубы,

t = толщина стенки трубы,

c = безразмерный параметр, обусловленный условиями ограничения трубопровода в системе. от скорости волны.

Медленное закрытие клапана; несжимаемая жидкость

Когда клапан закрывается медленно по сравнению с временем прохождения волны давления по длине трубы, эластичностью можно пренебречь, и явление можно описать с точки зрения инерции или теории жесткой колонны:

$F=ma=PA=\rho LA{dv \over dt}.$

Предполагая постоянное замедление столба воды ( dv / dt = v / t ), это дает

$P=\rho Lv/t.$

где:

F = сила [Н],

m = масса столба жидкости [кг],

a = ускорение [м/с ² ],

P = давление [Па],

A = поперечное сечение трубы [м ² ],

ρ = плотность жидкости [кг/м ³ ],

L = длина трубы [м],

v = скорость потока [м/с],

t = время закрытия клапана [с].

Приведенная выше формула для воды и с британскими единицами измерения выглядит следующим образом:

$P=0.0135\,VL/t.$

Для практического применения рекомендуется коэффициент запаса около 5:

$P=0.07\,VL/t+P_{1},$

где P ₁ — давление на входе в фунтах на квадратный дюйм, V — скорость потока в футах/ с , t — время закрытия клапана в секундах, а L — длина трубы перед клапаном в футах.

Следовательно, можно сказать, что величина гидроудара во многом зависит от времени закрытия, упругих составляющих трубы и свойств жидкости.

Выражение для избыточного давления из-за гидроудара

клапана с объемным расходом Q При закрытии перед клапаном создается избыточное давление Δ P , значение которого определяется уравнением Жуковского :

$\Delta P=ZQ.$

В этом выражении:

Δ P – избыточное давление, Па;

Q — объемный расход, м ³ /с;

Z — гидравлическое сопротивление, кг/м. ⁴ /с.

Гидравлическое сопротивление Z трубопровода определяет величину импульса гидроудара. Оно само определяется

$Z={\frac {\sqrt {\rho B}}{A}},$

где

ρ плотность жидкости, выраженная в кг/м ³ ;

Площадь поперечного сечения трубы, м ² ;

B эквивалентный модуль сжимаемости жидкости в трубе, выраженный в Па.

Последнее следует из ряда гидравлических концепций:

• сжимаемость жидкости, определяемая ее адиабатическим модулем сжимаемости B _l , вытекающим из уравнения состояния жидкости, обычно доступного из термодинамических таблиц;
• упругость стенок трубы, определяющая эквивалентный объемный модуль сжимаемости твердого тела B _s . В случае трубы круглого сечения, толщина t которой мала по сравнению с диаметром D , эквивалентный модуль сжимаемости определяется формулой $B={\frac {t}{D}}E$, где E – модуль Юнга (в Па) материала трубы;
• возможно, сжимаемость B _г газа, растворенного в жидкости, определяемая формулой $B_{\text{g}}={\frac {\gamma }{\alpha }}P,$

  γ - удельная теплоемкость газа,

  α скорость вентиляции (объемная доля нерастворенного газа),

  и P – давление (в Па).

Таким образом, эквивалентная эластичность представляет собой сумму исходных эластичностей:

${\frac {1}{B}}={\frac {1}{B_{\text{l}}}}+{\frac {1}{B_{\text{s}}}}+{\frac {1}{B_{\text{g}}}}.$

В результате мы видим, что уменьшить гидроудар можно за счет:

• увеличение диаметра трубы при постоянном расходе, что снижает скорость потока и, следовательно, торможение столба жидкости;
• использование твердого материала как можно плотнее по отношению к внутреннему объему жидкости (модуль Юнга твердого тела низкий по сравнению с модулем объемной жидкости жидкости);
• внедрение устройства, повышающего гибкость всей гидросистемы, например гидроаккумулятора;
• где это возможно, увеличивая долю нерастворенных газов в жидкости.

Динамические уравнения

Эффект гидроудара можно смоделировать, решив следующие уравнения в частных производных.

${\frac {\partial V}{\partial x}}+{\frac {1}{B}}{\frac {dP}{dt}}=0,$

${\frac {dV}{dt}}+{\frac {1}{\rho }}{\frac {\partial P}{\partial x}}+{\frac {f}{2D}}V|V|=0,$

где V — скорость жидкости внутри трубы, $\rho$ — плотность жидкости, B — эквивалентный модуль объемного сжатия, а f — коэффициент трения Дарси–Вейсбаха .

Разделение столбцов

Разделение колонны — это явление, которое может произойти во время гидроудара. Если давление в трубопроводе упадет ниже давления пара жидкости, возникнет кавитация (некоторая часть жидкости испаряется, образуя пузырь в трубопроводе, поддерживая давление, близкое к давлению пара). Чаще всего это происходит в определенных местах, таких как закрытые концы, высокие точки или колени (изменения наклона трубы). Когда недогретая жидкость перетекает в пространство, ранее занятое паром, площадь контакта пара с жидкостью увеличивается. Это приводит к конденсации пара в жидкость, снижая давление в паровом пространстве. Жидкость по обе стороны парового пространства затем ускоряется в это пространство за счет разницы давлений. Столкновение двух столбов жидкости (или одного столба жидкости, если конец закрыт) вызывает большое и почти мгновенное повышение давления. Такое повышение давления может привести к повреждению гидравлического оборудования , отдельных труб и несущих конструкций. За один гидроудар может произойти множество повторений образования и разрушения полости.

Программное обеспечение для моделирования

пакетов гидроудара Большинство программных используют метод характеристик. решить возникающие дифференциальные уравнения . Этот метод хорошо работает, если скорость волны не меняется во времени из-за вовлечения воздуха или газа в трубопровод. Волновой метод (ВМ) также используется в различных программных комплексах. WM позволяет операторам эффективно анализировать большие сети. Доступно множество коммерческих и некоммерческих пакетов.

Пакеты программного обеспечения различаются по сложности в зависимости от моделируемых процессов. Более сложные пакеты могут иметь любую из следующих функций:

• Возможности многофазного потока.
• Алгоритм роста кавитации и коллапса .
• Нестационарное трение: волны давления затухают по мере возникновения турбулентности и изменений в распределении скорости потока.
• Изменение модуля объемного сжатия для более высоких давлений (вода становится менее сжимаемой).
• Взаимодействие со структурой жидкости: трубопровод реагирует на изменяющееся давление и сам вызывает волны давления.

Приложения

• Принцип гидроудара можно использовать для создания простого водяного насоса, называемого гидроцилиндром .
• Иногда утечки можно обнаружить с помощью гидроудара.
• В трубопроводах можно обнаружить закрытые воздушные карманы.
• Гидроудар жидкости струи , создаваемой коллапсирующей микрополостью, изучается на предмет потенциальных применений неинвазивной трансдермальной доставки лекарств .

См. также

• Кровавый молот
• Кавитация
• Гидродинамика
• Гидроулофон - музыкальные инструменты, в которых используется вода и другие жидкости.
• Сила удара
• Отдача (жидкое поведение)
• Переходный процесс (гражданское строительство)
• Пульс гидроудара Ватсона

Внешние ссылки

• Что такое гидроудар/паровой молот?
• «Гидравлический молот» —YouTube (анимация)
• «Разъяснение теории гидроудара» — YouTube; с примерами