第13章有压管道非恒定流 回到总目录
第13章 有压管道非恒定流 回到总目录
第一节概述 有压管道非恒定流问题,即水击问题。 正常运行的管道,由于某种原因,须迅速关闭或开启 阀门或水泵因故突然停止工作,使管中流速在很短 时间内发生急剧变化。速度的改变引起动量变化,动 量变化又伴随有力的产生,表现为管流出现巨大的附 加压强,即水击压强,并伴之锤击之声,工程上称之 为水击或水锤。 水击现象中交替升降的压强称为水击压强。水击压强可数 百倍于管道恒定流的压强,在此压强作用下,必须考 虑液体的压缩性和管壁的弹性。 水击的危害很大,常引起管壁爆裂或产生严重变形。 在压力管道设计中必须加以考虑
• 有压管道非恒定流问题，即水击问题。 • 正常运行的管道，由于某种原因，须迅速关闭或开启 阀门或水泵因故突然停止工作 ，使管中流速在很短 时间内发生急剧变化。速度的改变引起动量变化，动 量变化又伴随有力的产生，表现为管流出现巨大的附 加压强，即水击压强，并伴之锤击之声，工程上称之 为水击或水锤。 • 水击现象中交替升降的压强称为水击压强。水击压强可数 百倍于管道恒定流的压强，在此压强作用下，必须考 虑液体的压缩性和管壁的弹性。 • 水击的危害很大，常引起管壁爆裂或产生严重变形。 在压力管道设计中必须加以考虑。 第一节 概 述
水击具有破坏性 产生水击现象的原因是由于液体存在惯性 和可压缩性。水击现象的实质上是由于管道 内水体流速的改变,导致水体的动量发生急 剧改变而引起作用力变化的结果
产生水击现象的原因是由于液体存在惯性 和可压缩性。水击现象的实质上是由于管道 内水体流速的改变，导致水体的动量发生急 剧改变而引起作用力变化的结果
2、水击波传播过程 由于水和管道都弹性体,在很大的水击压 强作用下该层管流段产生两种形变,即水的 压缩及管壁的膨胀。因此阀门突然关闭时,笞道 内的水就不是在同一时刻全部停止流动,压强也 不是在同一射刻同肘升高。而是靠近门的第一 层水首先停止流动,与之相邻的第二层及其后续 各层水相继逐层停止流动,同时屈强逐层升高, 并以弹性波 汉 种由于水击
2、水击波传播过程 • 由于水和管道都弹性体，在很大的水击压 强作用下该层管流n-m段产生两种形变，即水的 压缩及管壁的膨胀。因此阀门突然关闭时，管道 内的水就不是在同一时刻全部停止流动，压强也 不是在同一时刻同时升高。而是靠近阀门的第一 层水首先停止流动，与之相邻的第二层及其后续 各层水相继逐层停止流动，同时压强逐层升高， 并以弹性波的形式由阀门迅速传向管道进口。这 种由于水击而产生的弹性波，称水击波
水击波传播的第一阶段 由于阀门K突然完全关闭,速度由立即变为 委,相应压强升高Δ尸,水密度增加Δp,管 道断面积增加ΔA。这种减速增压的过程以波 速C自阀门向上游传播的。经过t=C后,水击 波到达水庠。这肘,全答液体处于被压缩状态 =0 p=P0+△P △H 00+△ Ho D=D+△D y=0 =0~1C称为水击氵 °传播的第一阶段。 (0<L/c)
水击波传播 的第一阶段 • 由于阀门K突然完全关闭，速度由v0立即变为 零，相应压强升高Δp，水密度增加Δρ，管 道断面积增加ΔA。这种减速增压的过程以波 速c自阀门向上游传播的。经过 t =l /c后，水击 波到达水库。这时，全管液体处于被压缩状态： • V=0, • p=p0+ Δp, • ρ= ρ0 + Δρ, • D=D0+ ΔD • t=0～ l /c 称为水击波 • 传播 的第一阶段
水击波传播的第二阶段 °减压波到达管道进口后,水庳水位不受笞路流动的影 响。管路进口的水体,在水击压强(+Δ与水池静 压强()差作用下,立即以和ΔP相应的速度-%向水 庳方向流去。这一变化以减压水击波的形式自水年向 阀门传播,在t=2∥时刻,到达阀门断面。此时被压缩 的水体和膨胀的管壁恢复原状: △H 0 D=D =∥C~2∥C称为水击波的 H y=0 第二阶段 L °水击波从阀门断面出发, (L/c<t<2L/c) °又回到阀门断面,称为水击的一相。相长=2∥C
水击波传播 的第二阶段 • 减压波到达管道进口后，水库水位不受管路流动的影 响。管路进口的水体，在水击压强(p0+Δp)与水池静 压强(p0 )差作用下，立即以和Δp相应的速度-v0向水 库方向流去。这一变化以减压水击波的形式自水库向 阀门传播，在t=2l/c时刻,到达阀门断面。此时被压缩 的水体和膨胀的管壁恢复原状： • v= -v0 , p= p0 , • ρ= ρ0 , D=D0 • t=l/c～2l/c 称为水击波的 • 第二阶段。 • 水击波从阀门断面出发， • 又回到阀门断面，称为水击的一相。相长 Tr=2l/c
水击波传播的第三阶段 在仁2lc肘刻,由于水流的惯性,管中的水仍然 向水库倒流,而阚门仍然关闭无水补充,以致 阀门端的水体首先停止运动,速度由-%变为委, 引起压强降低、密度减小与管壁收缩。这个增 速减压波由阀门向上游传播,在3∥c时刻到达 水库。此时全笞处于瞬时低压状态 0,p=0-△P △ 0=00-△P △H D=D-△D v=0 (=2∥c~3/c称为水击 传播的第三阶段。 (2L/c<t<3L/c)
水击波传播 的第三阶段 • 在t=2l/c时刻，由于水流的惯性，管中的水仍然 向水库倒流，而阀门仍然关闭无水补充，以致 阀门端的水体首先停止运动，速度由-v0变为零， 引起压强降低、密度减小与管壁收缩。这个增 速减压波由阀门向上游传播，在t=3l/c时刻到达 水库。此时全管处于瞬时低压状态： • v=0 , p=p0 – Δp, • ρ= ρ0 -Δρ, • D=D0 - ΔD • t=2l/c～ 3l/c 称为水击波 • 传播 的第三阶段
水击波传播的第四阶段 在仁3∥c时刻,因管道进口压强比水库压强差△p作用 下,水又以速度v向句阀门方句流动,并以增压波形式 传向阀门新面。管道中的密度和管壁相继应恢复正 常。在4∥c时刻,增压波传至阀门新面,全管恢复 至起始状态 V=V0,p=0 ∥H 0 H C D=0 0 3/c~4∥c称为 ·水击波的第四阶段。 (3L/c<t<4L/c) 由于惯性,水击现象将重复上述四个阶段。如果没 有损失,水击波将周期性地如此循环下去
水击波传播 的第四阶段 • 在t=3l/c时刻，因管道进口压强比水库压强差Δp作用 下，水又以速度v0向阀门方向流动，并以增压波形式 传向阀门断面。管道中的密度和管壁相继应恢复正 常。在t=4l/c时刻，增压波传至阀门断面，全管恢复 至起始状态： • v=v0 , p=p0 , • ρ= ρ0 , • D=D0 • t=3l/c～ 4l/c 称为 • 水击波的第四阶段。 • 由于惯性，水击现象将重复上述四个阶段。如果没 有损失，水击波将周期性地如此循环下去
水击波传播过程简表 阶段时段流向速度变化「压强变化未瞬p,p 0∥阍→库v-0po→1o+0+△p,P+△p △ 2∥c2∥c库→阀0 →-V0 po+△p 32∥c-3库→阀 0|p0-+0-△po-△p,po-△p ∥lc 4|3∥c-4阀→库0→ Pn-△ po ∥lc °因实际水流存在水头损失,水击波将逐 渐衰减,直至消失
水击波传播过程简表 • 因实际水流存在水头损失，水击波将逐 渐衰减，直至消失。 阶段 时段 流向 速度变化 压强变化 末瞬ρ , p 1 0-l/c 阀→库 v0→0 p0→p0+ Δp ρ0 + Δρ , p0+ Δp 2 l/c-2 l/c 库→阀 0→- v0 p0+ Δp→ p0 ρ 0 , p0 3 2 l/c-3 l/c 库→阀 - v0→0 p0→p0 - Δp ρ0 -Δρ, p0 - Δp 4 3 l/c-4 l/c 阀→库 0→ v0 P0 -Δp→ p0 ρ 0 , p0
a 4P/7 第一阶段 0 a Ap/ 第二阶段 0 循环、衰减 第三阶段 第四阶段
循环、衰减