Гидравлический удар

редактировать

Скачок давления, когда жидкость вынуждена остановиться или внезапно изменить направление

Влияние скачка давления на поплавковый манометр

Гидравлический удар (разговорный : гидравлический удар ; гидравлический удар ) - это скачок давления или волна, возникающая при жидкость, обычно жидкость, но иногда и газ, в движении вынуждена останавливаться или внезапно менять направление; импульс изменение. Это явление обычно возникает, когда клапан внезапно закрывается на конце системы трубопровода , и волна давления распространяется в трубе.

Эта волна давления может вызвать серьезные проблемы, от шума и вибрации до разрыва или обрушения трубы. Снизить влияние импульсов гидроудара можно с помощью аккумуляторов, расширительных баков, расширительных баков, продувочных клапанов и др. функции. Этого можно избежать, если ни один из клапанов не закроется слишком быстро при значительном потоке, но есть много ситуаций, которые могут вызвать эффект.

Приблизительные расчеты могут быть выполнены либо с использованием уравнения Жуковского (Жуковского), либо более точные с использованием метода характеристик.

Содержание

1 История
2 Причина и следствие
- 2.1 Связанные явления
3 Гидравлический удар от струи воды
4 Гидравлический удар во время взрыва
5 Меры по смягчению последствий
6 Величина импульса
- 6.1 Мгновенный клапан закрытие; сжимаемая жидкость
  - 6.1.1 Уравнение для волновой скорости
- 6.2 Медленное закрытие клапана; несжимаемая жидкость
7 Выражение избыточного давления из-за гидроудара
8 Динамические уравнения
9 Разделение колонн
10 Программное обеспечение для моделирования
11 Приложения
12 См. также
13 Ссылки
14 Внешние ссылки

История

В I веке до нашей эры Марк Витрувий Поллион описал эффект гидравлического удара в свинцовых трубах и каменных трубах римского общественного водопровода. Гидравлический удар был использован еще до того, как появилось слово для него; В 1772 году англичанин Джон Уайтхерст построил гидроцилиндр 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 термин «гидравлический удар» происходит от гидравлического цилиндра: coup de bélier (французский) и colpo d'ariete (итальянский) означают «удар тарана». Когда в 19 веке были установлены городские системы водоснабжения, инженеры-строители стали беспокоиться о гидроударах. Гидравлический удар также интересовал физиологов, изучающих систему кровообращения.

Хотя его прототипом в работе был Томас Янг, считается, что теория гидравлического удара началась 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 российским гидродинамиком Николаем Егоровичем Жуковским (1847–1921), в 1898 году американским инженером-строителем Джозефом Палмером Фризеллом (1832–1910), и в 1902 году итальянским инженером Лоренцо Аллиеви (1856–1941).

Причина и следствие

Когда труба внезапно закрывается на выходе (ниже по потоку), масса воды перед затвором все еще движется, тем самым создавая высокое давление и возникающую в результате ударную волну. В домашнем сантехнике это воспринимается как громкий стук, напоминающий стук молотка. Гидравлический удар может привести к разрыву трубопроводов, если давление будет достаточно высоким. Воздушные ловушки или стояки (открытые вверху) иногда добавляются в качестве амортизаторов в водяные системы для поглощения потенциально разрушительных сил, вызываемых движущейся водой.

В гидроэлектростанциях можно предотвратить попадание воды, движущейся по туннелю или трубопроводу в турбину, путем закрытия клапана. Например, если есть 14 км (8,7 мили) туннеля диаметром 7,7 м (25 футов), заполненного водой, движущейся со скоростью 3,75 м / с (8,4 миль в час), это составляет примерно 8000 мегаджоулей (2200 кВтч) кинетической энергии, которая должна быть арестованным. Эта задержка часто достигается за счет открытого вверху уравнительного вала, в который стекает вода. Когда вода поднимается вверх по валу, ее кинетическая энергия преобразуется в потенциальную, что заставляет воду в туннеле замедляться. На некоторых гидроэлектростанциях (ГЭС), таких как гидроэлектростанция Саксон-Фолс в Мичигане, то, что выглядит как водонапорная башня, на самом деле является одним из этих устройств, известных в этих случаях как a перегрузочный барабан.

В домашних условиях гидравлический удар может возникнуть, когда посудомоечная машина, стиральная машина или туалет перекрывает поток воды. В результате можно услышать громкий хлопок, повторяющиеся удары (когда ударная волна движется вперед и назад в водопроводной системе) или некоторая дрожь.

С другой стороны, когда клапан выше по потоку в трубе закрывается, вода после клапана пытается продолжить движение, создавая вакуум, который может вызвать схлопывание трубы или взрыв. Эта проблема может быть особенно острой, если труба идет на спуске. Чтобы предотвратить это, сразу после клапана устанавливаются предохранительные клапаны для воздуха и вакуума или вентиляционные отверстия, позволяющие воздуху проникать в линию и предотвращать возникновение разрежения.

Другими причинами гидроудара являются выход из строя насоса и обратный клапан (из-за внезапного замедления обратный клапан может быстро захлопнуться, в зависимости от динамических характеристик обратного клапана и массы воды между обратным клапаном и баком). Чтобы облегчить эту ситуацию, рекомендуется установить обратные клапаны с защитой от захлопывания, так как они не зависят от силы тяжести или потока жидкости для их закрытия. Для вертикальных труб другие предложения включают установку нового трубопровода, который может включать воздушные камеры, чтобы уменьшить возможную ударную волну воды из-за избыточного потока воды.

Гидравлический удар также может возникнуть при заполнении пустой трубы, имеющей ограничение, такое как частично открытый клапан или отверстие, которое позволяет воздуху легко проходить, когда труба быстро заполняется, но после заполнения вода внезапно встречает ограничение и скачки давления.

Связанные явления

Деформационные швы на паропроводе, которые были разрушены паровым молотом.

Системы распределения пара также могут оказаться уязвимыми в ситуации, подобной гидравлическому удару, известному как паровой молот. В паровой системе гидравлический удар чаще всего возникает, когда часть пара конденсируется в воду в горизонтальном участке трубопровода. Остальной пар собирает воду, образуя «пробку », и с большой скоростью бросает ее в фитинг, создавая громкий стук и сильно нагружая трубу. Это состояние обычно вызвано плохой стратегией отвода конденсата: наличие большего количества конденсата в трубе облегчает образование пробки. Вакуум, вызванный конденсацией от теплового удара, также может вызвать паровой удар.

Парового удара можно избежать, если использовать наклонные трубы и установить конденсатоотводчики. При использовании ловушек, заполненных воздухом, они в конечном итоге в течение длительного периода лишаются захваченного воздуха из-за поглощения водой. Это можно исправить, перекрыв подачу, открыв краны в самом высоком и нижнем местах для слива системы (тем самым возвращая воздух в ловушки), а затем закрыв краны и снова открыв подачу.

В двигателях с турбонаддувом внутреннего сгорания может произойти «газовый молот», когда дроссельная заслонка закрыта, когда турбокомпрессор нагнетает воздух в двигатель. Ударной волны нет, но давление может быстро возрасти до опасного уровня или вызвать помпаж компрессора. предохранительный клапан, расположенный перед дроссельной заслонкой, предотвращает выброс воздуха на корпус дроссельной заслонки, отводя его в другое место, тем самым защищая турбокомпрессор от повреждения давлением. Этот клапан может либо рециркулировать воздух на впуск турбокомпрессора (рециркуляционный клапан), либо выдувать воздух в атмосферу и производить характерное шипение-трепет, характерное для вторичного турбонагнетателя (продувочный клапан ).

Гидравлический удар от струи воды

Если струя воды с большой скоростью падает на поверхность, гидравлический удар может быстро разрушить и разрушить ее. При аварии на Саяно-Шушенской ГЭС 2009 г. крышка турбины мощностью 640 МВт была выброшена вверх, ударившись о потолок наверху. Во время аварии было замечено, что ротор летел по воздуху, все еще вращаясь, на высоте около 3 метров над полом. Безудержно, 256 кубометров (67 600 галлонов США) воды в секунду начали разбрызгиваться по всему залу генератора. Гейзер стал причиной разрушения стальных балок перекрытия, что привело к обрушению крыши вокруг вышедшей из строя турбины.

Гидравлический удар во время взрыва

Когда взрыв происходит в замкнутом пространстве, гидравлический удар может вызвать деформацию стенок контейнера. Однако он также может придавать импульс вольеру, если он может двигаться. Подводный взрыв в судне с ядерным реактором SL-1 вызвал ускорение воды вверх через 2,5 фута (0,76 м) воздуха, прежде чем она ударилась о головку корпуса со скоростью 160 футов в секунду ( 49 м / с) при давлении 10 000 фунтов на квадратный дюйм (69 000 кПа). Эта волна давления заставила стальной сосуд весом 26 000 фунтов (12 000 кг) подпрыгнуть на 9 футов 1 дюйм (2,77 м) в воздух, прежде чем он упал на прежнее место. Крайне важно проводить текущее профилактическое обслуживание, чтобы избежать гидравлического удара, так как в результате этих мощных взрывов есть смертельные случаи.

Меры по смягчению последствий

Гидравлический удар стал причиной несчастных случаев и смертельных случаев, но обычно наносит ущерб ограничивается поломкой труб или придатков. Инженер всегда должен оценивать риск разрыва трубопровода. Трубопроводы, транспортирующие опасные жидкости или газы, требуют особой осторожности при проектировании, строительстве и эксплуатации. Особенно тщательно следует проектировать и обслуживать гидроэлектростанции, поскольку гидравлический удар может привести к катастрофическому отказу водопроводных труб.

Следующие характеристики могут уменьшить или устранить гидравлический удар:

Уменьшите давление воды, подаваемой в здание, установив регулятор.
Уменьшите скорость жидкости. Чтобы снизить гидравлический удар, в таблицах размеров труб для некоторых применений рекомендуется скорость потока не более 1,5 м / с (4,9 фут / с)
Установите медленно закрывающиеся клапаны. Клапаны наполнения унитазов доступны в исполнении с бесшумным наполнением, которое закрывается бесшумно.
Обратные клапаны с защитой от захлопывания не зависят от потока жидкости для закрытия и делают это до того, как поток воды достигнет значительной скорости.
Высокое номинальное давление в трубопроводе (не снижает эффект, но защищает от повреждений).
Хороший контроль трубопровода (процедуры запуска и останова).
Водонапорные башни (используются во многих питьевая вода системы) или расширительные баки помогают поддерживать постоянный расход и улавливать большие колебания давления.
Воздушные сосуды, такие как расширительные баки и некоторые типы гидроаккумуляторы работают примерно так же, как водонапорные башни, но находятся под давлением. Обычно они имеют воздушную подушку над уровнем жидкости в сосуде, которая может регулироваться или разделяться баллоном. Размеры воздушных судов на крупных трубопроводах могут достигать сотен кубических метров. Они бывают разных форм, размеров и конфигураций. Такие емкости часто называют гидроаккумуляторами или расширительными баками.
A гидропневматическое устройство, по принципу аналогичное амортизатору, называемому «Гидравлический амортизатор», может быть установлено между водопроводной трубой и машиной, чтобы поглотить удар и остановить удары.
Воздушные клапаны часто компенсируют низкое давление в высоких точках трубопровода. Несмотря на эффективность, иногда требуется установка большого количества воздушных клапанов. Эти клапаны также пропускают воздух в систему, что часто нежелательно. Продувочные клапаны могут использоваться в качестве альтернативы.
Меньшая длина ответвления.
Меньшая длина прямой трубы, т. Е. Добавление колен, расширительных петель. Гидравлический удар связан со скоростью звука в жидкости, а изгибы уменьшают влияние волн давления.
Расположение больших трубопроводов в петлях, которые обеспечивают более короткие ответвления меньшего диаметра. В петлевом трубопроводе потоки с более низкой скоростью с обеих сторон петли могут служить ответвлением.
Маховик на насосе.
Байпас насосной станции.

Величина импульса

Типичная волна давления, вызванная закрытием клапана в трубопроводе

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

Гидравлический удар может быть проанализирован двумя разными подходами - теорией жесткой колонны, который игнорирует сжимаемость жидкости и эластичность стенок трубы, или путем полного анализа, включающего эластичность. Когда время, необходимое для закрытия клапана, велико по сравнению со временем распространения волны давления по длине трубы, тогда подходит теория жесткой колонны; в противном случае может потребоваться учет эластичности. Ниже приведены два приближения для пикового давления: одно учитывает эластичность, но предполагает, что клапан закрывается мгновенно, а второе, которое не учитывает упругость, но включает конечное время закрытия клапана.

Мгновенное закрытие клапана; сжимаемая жидкость

Профиль давления импульса гидроудара можно рассчитать по уравнению Жуковского

∂ P ∂ t = ρ a ∂ v ∂ t. {\ displaystyle {\ frac {\ partial P} {\ partial t}} = \ rho a {\ frac {\ partial v} {\ partial t}}.}

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

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

Δ P = ρ a 0 Δ v, {\ displaystyle \ Delta P = \ rho a_ {0} \ Delta v,}

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

где ΔP - величина волны давления (Па), ρ - плотность жидкости (кг / м), a 0 - скорость звука в жидкости (м / с), а Δv - изменение скорости жидкости (м / с). Импульс возникает из-за законов движения Ньютона и уравнения неразрывности, примененного к замедлению жидкого элемента.

Уравнение для скорости волны

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

В = К (1 + V / a) [1 + c (K / E) (D / t)], {\ displaystyle B = {\ frac {K} {(1 + V / a) [1 + c (K / E) (D / t)]}},}

{\ displaystyle B = {\ frac {K} {(1+ V / a) [1 + c (K / E) (D / t)]}},}

где

a = волновая скорость,

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 из-за ограничения системы трубопровода на скорость волны.

Медленное закрытие клапана; несжимаемая жидкость

Когда клапан закрывается медленно по сравнению со временем прохождения волны давления по длине трубы, эластичностью можно пренебречь, и это явление можно описать с помощью инертности или теория жестких колонн:

F = ma = PA = ρ LA dvdt. {\ displaystyle F = ma = PA = \ rho LA {dv \ over dt}.}

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

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

P = ρ L v / т. {\ displaystyle P = \ rho Lv / t.}

{\ displaystyle P = \ rho Lv / t.}

где:

F = сила [Н],

m = масса столба жидкости [кг],

a = ускорение [м / с],

P = давление [Па],

A = поперечное сечение трубы [м],

ρ = плотность жидкости [кг / м],

L = длина трубы [м],

v = скорость потока [м / с],

t = закрытие клапана время [с].

Вышеупомянутая формула принимает для воды и британских единиц измерения

P = 0,0135 VL / t. {\ displaystyle P = 0,0135 \, VL / t.}

{\ displaystyle P = 0,0135 \, VL / t.}

Для практического применения рекомендуется коэффициент безопасности около 5:

P = 0,07 VL / t + P 1, {\ displaystyle P = 0,07 \, VL / t + P_ {1},}

{\ displaystyle 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 - закрытие клапана время в секундах, а L - длина трубы выше по потоку в футах.

Следовательно, мы можем сказать, что величина гидроудара во многом зависит от времени закрытия, упругих компонентов трубы и свойств жидкости.

Выражение для избыточного давления из-за гидравлического удара

Когда клапан с объемным расходом Q закрыт, перед клапаном создается избыточное давление ΔP, значение которого определяется как Уравнение Жуковского :

Δ P = ZQ. {\ displaystyle \ Delta P = ZQ.}

{\ displaystyle \ Delta P = ZQ.}

В этом выражении:

ΔP - избыточное давление в Па;

Q - объемный расход в м / с;

Z - гидравлическое сопротивление, выраженное в кг / м / с.

Гидравлическое сопротивление Z трубопровода определяет величину импульса гидравлического удара. Сам он определяется как

Z = ρ BA, {\ displaystyle Z = {\ frac {\ sqrt {\ rho B}} {A}},}

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

где

ρ плотность жидкости, выражается в кг / м;

Площадь поперечного сечения трубы, м;

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

Последнее следует из серии гидравлических концепций:

сжимаемость жидкости, определяемая ее модулем адиабатической сжимаемости B l, полученная из уравнения состояния жидкости, обычно доступного из термодинамических таблиц;
упругость стенок трубы, которая определяет эквивалентный объемный модуль сжимаемости для твердого тела B s. В случае трубы круглого сечения, толщина t которой мала по сравнению с диаметром D, эквивалентный модуль сжимаемости дается формулой $B = t DE {\ displaystyle B = {\ frac {t} {D}} E}$ ${\ displaystyle B = {\ frac {t} {D}} E}$ , в котором E - модуль Юнга (в Па) материала трубы;
возможно сжимаемость B г растворенного газа в жидкости, определяемой как $B g = γ α P, {\ displaystyle B _ {\ text {g}} = {\ frac {\ gamma} {\ alpha}} P,}$ ${\ displaystyle B _ {\ text {g}} = {\ frac {\ gamma} {\ alpha}} P,}$
γ является удельная теплоемкость газа,
α скорость вентиляции (объемная доля нерастворенного газа),
и P давление (в Па).

Таким образом, эквивалентная эластичность является суммой исходных эластичностей:

1 B = 1 B l + 1 B s + 1 B g. {\ displaystyle {\ frac {1} {B}} = {\ frac {1} {B _ {\ text {l}}}} + {\ frac {1} {B _ {\ text {s}}}} + {\ frac {1} {B _ {\ text {g}}}}.}

{\ displaystyle {\ frac {1} {B}} = {\ frac {1} {B _ {\ text {l}}} } + {\ frac {1} {B _ {\ text {s}}}} + {\ frac {1} {B _ {\ text {g}}}}.}

В результате мы видим, что мы можем уменьшить гидравлический удар путем:

увеличения диаметра трубы при постоянном расходе, что уменьшает скорость потока и, следовательно, замедление столба жидкости;
использование твердого материала как можно более плотно по отношению к внутреннему объему жидкости (твердый модуль Юнга низкий по сравнению с модулем объемного сжатия жидкости);
внедрение устройства, которое увеличивает гибкость всей гидравлической системы, например гидроаккумулятора;
, где возможно, увеличение доли нерастворенных газов в жидкости.

Уравнения динамики

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

∂ В ∂ Икс + 1 В d P dt = 0, {\ Displaystyle {\ frac {\ partial V} {\ partial x}} + {\ frac {1} {B}} {\ frac {dP} {dt}} = 0,}

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

d V dt + 1 ρ ∂ P ∂ x + f 2 DV | V | Знак равно 0, {\ displaystyle {\ frac {dV} {dt}} + {\ frac {1} {\ rho}} {\ frac {\ partial P} {\ partial x}} + {\ frac {f} { 2D}} V | V | = 0,}

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

где V - скорость жидкости внутри трубы, $ρ {\ displaystyle \ rho}$ $\ rho$ - плотность жидкости, B - эквивалентный объемный модуль, а f - коэффициент трения Дарси – Вайсбаха..

Разделение столбцов

Разделение столбцов - это явление, которое может произойти во время гидроудара. Если давление в трубопроводе падает ниже давления пара жидкости, возникает кавитация (некоторая часть жидкости испаряется, образуя пузырь в трубопроводе, поддерживая давление, близкое к давление газа). Это наиболее вероятно в определенных местах, таких как закрытые концы, высокие точки или изгибы (изменение уклона трубы). Когда переохлажденная жидкость втекает в пространство, ранее занятое паром, площадь контакта пара и жидкости увеличивается. Это заставляет пар конденсироваться в жидкость, снижая давление в паровом пространстве. Затем жидкость по обе стороны от парового пространства ускоряется в это пространство за счет разности давлений. Столкновение двух столбов жидкости (или одного столба жидкости, если на закрытом конце) вызывает большое и почти мгновенное повышение давления. Это повышение давления может повредить гидравлическое оборудование, отдельные трубы и несущие конструкции. В одном событии гидравлического удара может произойти много повторений образования каверн и обрушения.

Программное обеспечение для моделирования

Большинство пакетов программного обеспечения для гидравлического удара используют метод характеристик для решения задействованных дифференциальных уравнений. Этот метод хорошо работает, если скорость волны не меняется во времени из-за вовлечения воздуха или газа в трубопровод. Волновой метод (WM) также используется в различных программных пакетах. WM позволяет операторам эффективно анализировать большие сети. Доступно множество коммерческих и некоммерческих пакетов.

Программные пакеты различаются по сложности в зависимости от моделируемых процессов. Более сложные пакеты могут иметь любую из следующих характеристик:

Возможность многофазного потока.
Алгоритм для роста и схлопывания кавитации.
Нестабильное трение: волны давления гасятся по мере возникновения турбулентности и из-за изменений в распределении скорости потока.
Изменение объемного модуля упругости для более высоких давлений (вода становится менее сжимаемой).
Взаимодействие структуры жидкости : трубопровод реагирует на изменяющееся давление и сам вызывает волны давления.

Применения

Принцип гидравлического удара можно использовать для создания простого водяного насоса, называемого гидроцилиндром.
Утечки иногда можно обнаружить с помощью гидравлического удара.
В трубопроводах можно обнаружить закрытые воздушные карманы.

См. Также

Кровавый молот
Кавитация
Динамика жидкости
Гидроулофон - музыкальные инструменты, использующие воду и другие жидкости
Сила удара
Переходный процесс (гражданское строительство)
Импульс гидроудара Ватсона

Ссылка es

Внешние ссылки