11840

Дослідження явища гідравлічного удару

Лабораторная работа

Физика

Дослідження явища гідравлічного удару. Мета роботи Ознайомлення з явищем гідравлічного удару і експериментальне дослідження залежності величини підвищення тиску в трубопроводі від швидкості течії рідини та часу закриття запірнорегулювальної арматури. 1. Теоре...

Украинкский

2013-04-12

216.5 KB

18 чел.

Дослідження явища гідравлічного удару. 

Мета роботи

Ознайомлення з явищем гідравлічного удару і експериментальне дослідження залежності величини підвищення тиску в трубопроводі від швидкості течії рідини та часу закриття запірно-регулювальної арматури.

1. Теоретичні основи

1.1. Загальні відомості

При русі рідини в трубопроводі з великими прискореннями, наприклад при швидкому закритті чи відкритті запірного пристрою, сили інерції  можуть значно переважати всі інші сили, що діють на потік рідини. При великих прискореннях зміна тиску в трубопроводі може бути настільки значною, що виникає необхідність враховувати пружність рідини та стінок труб.

Гідравлічний удар – це коливний процес, що виникає в трубопроводі при різкому гальмуванні чи прискоренні потоку і характеризується виникненням та поширенням хвиль підвищеного та пониженого тиску.

Гідравлічний удар на практиці, як правило, небажаний і небезпечний, оскільки він може викликати розрив з’єднань труб чи пошкодження трубопровідної арматури.

Основи теорії гідравлічного удару в 1898 році заклав М.Є. Жуковський. Він показав, що гідравлічний удар пояснюється виникненням і поширенням у трубопроводі ударної хвилі підвищеного (чи пониженого) тиску, що зумовлено пружними деформаціями рідини та трубопроводу.

Фізична картина виникнення гідравлічного удару виглядає так. Нехай в прямій циліндричній трубі, в яку рідина надходить з великого резервуара під постійним напором Но (рис.1), має місце стаціонарний рух рідини з середньою швидкістю Vo . Припустимо, що в деякий момент часу запірний пристрій 1, встановлений на відстані L від резервуару, раптово закривається. Шар рідини перед затвором зупиняється і, внаслідок руху за інерцією решти маси рідини, стискається, тобто в ньому різко зростає тиск.

Рис. 1. Виникнення гідравлічного удару в трубопроводі: 1 – запірний пристрій (засувка, вентиль, корковий кран і т.п.)

Беручи до уваги пружність рідини і стінок, логічно зробити висновок, що разом із стисненням цього шару, відбувається розтягнення стінок труби і збільшення в них напружень. Тоді через деякий малий проміжок часу після закриття запірного пристрою ділянка труби довжиною L перед ним буде в стані підвищеного напруження, а рідина в межах цієї ділянки – під підвищеним тиском. Цей стан швидко поширюється на наступні шари рідини у вигляді хвилі підвищеного тиску, а в стінках труби – у вигляді пружної хвилі напружень.

При описі явища гідравлічного удару використовують наступні терміни. Гідравлічний удар, який спричиняє підвищення тиску, називається додатнім, а той, що викликає зниження тиску, – від’ємним. Хвиля тиску (додатного чи від’ємного), що поширюється від запірного пристрою до резервуара, називається прямою, а в протилежному напрямку – відбитою. Поверхня розділу ділянки поширення ударної хвилі та ділянки незбуреного руху називається фронтом ударної хвилі. Фронт ударної хвилі рухається з певною скінченою швидкістю, яку називають швидкістю поширення ударної хвилі с. Час, за який ударна хвиля проходить подвійну довжину труби (2L), називають фазою гідравлічного удару ТФ

ТФ = 2L / c.

(1)

Розглянемо процес проходження додатного гідравлічного удару. Схематично можна виділити чотири його фази.

Перша фаза. Полягає у поширенні підвищення тиску р по всій довжині труби, яке відбувається за час L/c. Стінки трубопроводу по всій довжині стають розтягнуті, а рідина у цей час перебуває у миттєвому спокої у стисненому стані.

Друга фаза. Описана вище рівновага не є стійкою, оскільки тиск з боку запірного пристрою більший, ніж з боку резервуара. Тому частинки рідини починають рухатись у напрямку до резервуара. Від резервуара до запірного пристрою переміщається фронт відбитої хвилі. Надлишковий тиск у трубопроводі при цьому падає до початкового, і за час ТФ=2L/c рідина в усьому трубопроводі займе свій попередній об’єм, який був до гідравлічного удару.

Третя фаза. Коли фронт відбитої хвилі доходить до запірного пристрою він відбивається від нього, і відбита від’ємна хвиля удару поширюється в напрямку до резервуара. Під дією сил інерції в найближчому до затвору шарі рідини, а згодом – у всьому трубопроводі настає зниження тиску. Через час 3L/c від початку удару хвиля зниження тиску дійде до резервуара, і вся рідина буде в миттєвому спокої в стані розтягу.

Четверта фаза. Тиск у трубопроводі по закінченні третьої фази є меншим, ніж у резервуарі, тому рідина знову починає рухатись у напрямку до запірного пристрою, поступово стискаючись. Під кінець четвертої фази вся рідина знаходиться в початковому стані. Але оскільки запірний пристрій повністю закритий, а рідина має інерційний напір, то знову виникає підвищення тиску, і описаний вище комплекс явищ знову повторюється.

Від’ємний гідравлічний удар аналогічний до описаного вище додатного удару, але характеризується раптовим прискоренням потоку рідини, що супроводжується різким зниженням тиску в трубопроводі.

На практиці явище гідравлічного удару значно ускладнюється пружністю рідини та стінок труб, конфігурацією трубопроводу та наявністю на ньому іншої арматури, а також в’язкістю рідини. Тому гідравлічний удар не є абсолютно пружним, а коливання тиску є затухаючими (рис. 2). Таким чином, повторне максимальне зростання тиску біля запірного пристрою є меншим за перше і т.д. Слід також враховувати, що жодний запірний пристрій не може бути закритий миттєво. Час закриття TЗ запірно-регулювального пристрою є фактором, що відчутно впливає на перебіг гідравлічного удару.

Якщо час закриття запірного пристрою TЗ менший за час фази гідравлічного удару TФ , такий гідравлічний удар називається прямим. При прямому гідравлічному ударі спостерігається максимально можливе збільшення тиску в трубопроводі за рахунок гідравлічного удару, тому прямий гідравлічний удар на практиці є найбільш небезпечним.

Якщо час закриття запірно-регулювального пристрою TЗ більший за час фази гідравлічного удару TФ , такий гідравлічний удар називається непрямим. Максимальне зростання тиску в трубопроводі при непрямому ударі обернено пропорційне до часу перекриття трубопроводу і завжди є меншим за підвищення тиску при прямому гідравлічному ударі.

Рис. 2. Зміна тиску в трубопроводі перед запірно-регулювальним пристроєм під час гідравлічного удару: ро – тиск у трубопроводі до перекриття засувки

1.2. Основні теоретичні формули

Найпростіше отримати вираз для величини підвищення тиску при гідравлічному ударі з теореми про зміну кількості руху, згідно з якою зміна кількості руху системи матеріальних точок за деякий проміжок часу t дорівнює сумі імпульсів усіх зовнішніх сил, що діють на систему

(mV) =  Ft

(2)

Якщо рідина питомої маси тече з середньою швидкістю Vо в трубопроводі з внутрішнім діаметром d та площею перерізу , а запірний пристрій закривається за час t, то в  шарі рідини довжиною L, що прилягає до запірного пристрою, за цей час зміна кількості руху становить

(mV) =  – LVo .

(3)

Із зовнішніх сил переважає сила тиску, імпульс якої

Ft = – pt,

(4)

де p – підвищення тиску біля запірного пристрою.

Отже, підвищення тиску p визначається залежністю

p = c Vo , 

(5)

де с = L /t – швидкість поширення ударної хвилі.

Вираз (5) називають формулою Жуковського для визначення максимального підвищення тиску при додатному прямому гідравлічному ударі.

Знаючи максимальний надлишковий тиск у трубопроводі pmax, можна знайти нормальні напруження в стінках труби max :

max =  . 

(6)

Слід зазначити, що отримана величина має бути значно меншою за допустимі нормальні напруження [], які визначаються матеріалом трубопроводу, оскільки міцність трубопроводу в місцях з’єднання труб значно менша за міцність суцільної стінки труби.

Швидкість поширення ударної хвилі с визначають за формулою

с =  , 

(7)

де Ео , Е – модуль пружності відповідно для рідини та для матеріалу стінок труби. Модуль пружності рідини досить сильно залежить від її температури і значно слабше – від тиску. Для води наближено можна приймати Ео=1960 МПа. Модуль пружності твердих тіл значно перевищує модуль пружності рідин. Так, для вуглецевих сталей Е = 200...210 ГПа (1 ГПа = 109 Па), для легованих сталей – 210...220 ГПа, для міді – 105...130 ГПа, для латуні – 100...105 ГПа, для вініпласту – 4 ГПа,  для поліхлорвінілу – 0,4...1,0 ГПа.

При неповному перекритті трубопроводу, максимальне підвищення тиску визначається за наближеною формулою

p = c (Vo – V), 

(8)

де V – середня швидкість руху рідини в трубопроводі при даному ступені перекриття запірного пристрою.

Для розрахунку максимального підвищення тиску при непрямому гідравлічному ударі, яке має місце в момент повного перекриття запірного пристрою, можна скористатися наближеною формулою

p = c Vo ТФ / ТЗ , 

(9)

де ТЗ  – час повного перекриття запірного пристрою.

2. Опис лабораторної установки

Схема лабораторної установки показана на рис. 3. Дослідний трубопровід 1 діаметром d може перекриватися вентилем 2. На виході з труби встановлено два запірно-регулювальних пристрої: корковий кран 3 для швидкого та вентиль 4 для поступового перекриття трубопроводу.

Витрату рідини визначають об’ємним методом з допомогою мірного бака 5 ємністю W=50л. Бак обладнаний вимірним блоком, що складається з трубки п’єзометра та шкали, проградуйованої в одиницях об’єму (в літрах). Спорожнення мірного бака здійснюють за допомогою коркового крана 6.

 Для визначення максимального підвищення тиску при гідравлічному ударі використовують контактний манометр 7. Це пружинний манометр з двома стрілками: основною (активною), що приєднана до чутливого елемента манометра, та пасивною стрілкою, яка при різкому зростанні тиску захоплюється основною стрілкою манометра та переміщується разом з нею. Збільшення тиску триває частки секунди, і після його зменшення основна стрілка повертається у початкове положення, а пасивна стрілка залишається на максимальному показі манометра.

Рис. 3. Схема лабораторної установки для дослідження явища гідравлічного удару

3. Порядок виконання роботи

1. Вентиль 2 перед початком роботи має бути повністю відкритим.

2. При закритому корковому крані 3 повністю відкривають вентиль 4. Корковий кран 6 перекривають для можливості набору води у мірний бак.

3. Відкривають корковий кран 3.

4. Визначають витрату рідини об’ємним методом. Для цього з допомогою секундоміра визначають час t натікання в бак певного об'єму рідини W.

Для достатньої точності визначення об'ємної витрати Q рекомендується об’єм W приймати не меншим за 30 л.

5. Різко перекривають корковий кран. При цьому у трубопроводі відбувається гідравлічний удар.   

6. Записують показ контактного манометра, що фіксує максимальне значення тиску в трубопроводі під час гідравлічного удару.

7. Дії за пунктами 3–6 повторюють при більш повільному перекритті коркового крана 3.

8. Дії за пунктами 3–6 повторюють для інших ступенів відкриття регулювального вентиля 4. 

9. Під час виконання дослідів 2-3 рази заміряють температуру води, середнє арифметичне значення температури записують у журнал спостережень.

4. Математична обробка результатів

1. Знаходять площу живого перерізу потоку в трубі

= d 2 / 4  ,

(10)

де d – внутрішній діаметр труби.

2. За довідником [6] при відомій температурі води Т знаходять її питому масу та модуль пружності Ео.

3. Для кожного досліду знаходять об'ємну витрату води Q :

Q = W / t  .

(11)

4. Середня швидкість руху води в трубопроводі Vо до перекриття коркового крана :

Vо  = Q /  .

(12)

5. За формулою (7) знаходять швидкість поширення ударної хвилі.

6. Тривалість фази гідравлічного удару ТФ  знаходять за формулою (1).

7. Розрахункове значення максимального підвищення тиску при гідравлічному ударі знаходять за формулою Жуковського (5).

8. З порівняння розрахункового і дослідного підвищення тиску роблять висновок про характер гідравлічного удару у кожному з випадків та про вплив на величину підвищення тиску швидкості перекриття запірно-регулювальної арматури.


Журнал лабораторної роботи № 10

Вихідні дані:

  •  Довжина трубопроводу L = ......... м
  •  Температура води Т= ........ оС
  •  Діаметр трубопроводу d = ......... см
  •  Питома маса води = .............. кг/м3
  •  Товщина стінки труб = ............ см
  •  Модуль пружності рідини Ео= ............. ГПа
  •  Площа живого перерізу  = .............. см2
  •  Модуль пружності матеріалу труб Е= ............. ГПа

№ досліду

Об’єм води

W, см3

Час натікання

t, с

Витрата води

Q, см3

Швидкість течії

Vо =Q /, см/с

Швидкість поширення ударної хвилі с, м/с

Тривалість фази гідравлічного удару ТФ, с

Підвищення тиску при ударі р

дослідне значення, кгс/см2 

дослідне значення, кПа

розрахункове значення, кПа

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.


5. Контрольні запитання

  1.  Що називають гідравлічним ударом ?
  2.  Які розрізняють види гідравлічних ударів ?
  3.  Сформулюйте фізичну причину виникнення гідравлічних ударів ?
  4.  Що таке фаза гідравлічного удару ?
  5.  Опишіть послідовність проходження явища гідравлічного удару.
  6.  Як визначають підвищення тиску в трубопроводі в результаті прямого та непрямого гідравлічного удару ?
  7.  Як знаходять підвищення тиску в трубопроводі при неповному перекритті запірного пристрою ?
  8.  Від яких факторів залежить швидкість поширення ударної хвилі ?
  9.  Як в роботі експериментально визначається максимальне підвищення тиску при гідравлічному ударі ?
  10.   В якому випадку виникає від’ємний гідравлічний удар ?

Література

  1.  Большаков В.А., Попов В.Н. Гидравлика. Общий курс.– К.: Вища школа, 1989.– 214 с.
  2.  Емцев Б.Т. Техническая гидромеханика: Учебник для вузов.– 2-е изд., перераб. и доп.– М.: Машиностроение, 1987.– 440 с.
  3.  Жуковский Н.Е. О гидравлическом ударе в водопроводных трубах.– М.; Л., 1949.
  4.  Константинов Ю.М. Гидравлика. – К.: Вища школа, 1988.– 398 с.
  5.  Левицький Б.Ф., Лещій Н.П. Гідравліка. Загальний курс. – Львів: Світ, 1994.– 264 с.
  6.  Справочник по гидравлике / Под ред. В.А.Большакова.– 2-е изд., перераб. и доп.–  К.: Вища школа, 1984.– 343 с.
  7.  Чугаев Р.Р. Гидравлика (техническая механика жидкости).– 4-е изд.– М.; Л.: Энергоиздат, 1982.– 672 с.

Навчальне видання

Дослідження  явища  гідравлічного  удару

Укладачі:

В.М. Жук, канд. техн. наук, доцент кафедри ГС

В.І. Желяк, канд. техн. наук, доцент кафедри ГС


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

38243. Основи менеджменту 223 KB
  Принципы управления: 1разделие труда; 2власть и ответственность; 3дисциплина; 4единство распоряжения; 5единство руководства; 6подчинение индивид. Когда задействовано большое колво людей власть неофиц группы заметно усиливается. Наиболее распростран использ и злоупотребл этой властью выражается в форме неофиц общения так называемый тайный телеграф. Это один из способов с помощью кот неформ группа осущ свою власть неформ коммуникация.