Гидравлический удар в трубопроводах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Казанский межвузовский инженерный центр

"НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ"

ФГБОУ ВПО "КНИТУ"

Контрольная работа

По дисциплине: Гидрогазодинамика

Тема: Гидравлический удар в трубопроводах

Теоретическое и экспериментальное исследование гидравлического удара в трубопроводах впервые было проведено известным русским учёным Николаем Егоровичем Жуковским в 1899 году. Это явление связано с тем, что при быстром закрытии трубопровода, по которому течёт жидкость, или быстром его открытии (т.е. соединении тупикового трубопровода с источником гидравлической энергии) возникает резкое, неодновременное по длине трубопровода изменение скорости и давления жидкости. Если в таком трубопроводе измерять скорость жидкости и давление, то обнаружится, что скорость меняется как по величине, так и по направлению, а давление - как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения по отношению к начальному. Это означает, что в трубопроводе возникает колебательный процесс, характеризующийся периодическим повышением и понижением давления. Такой процесс очень быстротечен и обусловлен упругими деформациями стенок трубы и самой жидкости.

Подробно рассмотрим его картину для случая полного и прямого гидравлического удара.

Будем считать, что в исходном состоянии трубопровод открыт. Жидкость движется по трубе со скоростью V>0.

колебательный гидравлический удар давление

Давление в жидкости равно Ро.

Трубопровод мгновенно закрывается. Слои жидкости, натолкнувшись на заслонку крана, останавливаются. Кинетическая энергия жидкости переходит в деформацию стенок трубы (труба у заслонки расширится), и жидкости (давление у заслонки повысится на величину Р). На остановившиеся у заслонки слои жидкости будут набегать следующие, вызывая сжатие жидкости и рост давления, который будет с некоторой скоростью распространяться в сторону противоположную направлению скорости движения жидкости. Переходная область в сечении A-Aназывается ударной волной. Скорость перемещения сечения A-A(фронта волны) называется скоростью распростра нения ударной волны и обозначается буквой а. Такой процесс проходит в период времени

.

В момент времени весь трубопровод окажется расширенным, а жидкость сжатой и неподвижной. Но такое состояние неравновесное. Поскольку у источника давление Ро, а в трубе Р = Ро+Р, то жидкость начнёт двигаться в сторону меньшего давления, т.е. из трубы в резервуар.

Этот процесс начинается от начала трубы. Жидкость будет вытекать из трубы в резервуар с некоторой скоростью V. Сечение A-A(ударная волна) начнёт перемещаться к концу трубы со скоростью а. При этом давление в трубе будет снижаться до P0.

Этот процесс будет происходить в период времени

.

Энергия деформации жидкости переходит в кинетическую энергию, и жидкость приобретает некоторую скорость V, но направленную в обратную сторону. Во всём трубопроводе устанавливается давление Ро. По инерции жидкость продолжает двигаться к началу трубы и начинает испытывать деформации растяжения, что приводит к уменьшению давления вблизи заслонки.

Возникает отрицательная ударная волна, движущаяся от конца трубы к началу со скоростью а, и за фронтом волны остается сжатая труба. Кинетическая энергия снова превращается в энергию деформации (сжатия).

В момент времени

вся труба окажется сжатой, а волна достигает начала трубы. Давление вблизи источника выше, чем во фронте. Из-за этого слои жидкости под действием перепада давления начинают двигаться к концу трубы (к заслонке) с некоторой скоростью V>0, а давление поднимается до Ро.

Поэтому период времени

происходит процесс выравнивания давления в трубопроводе. При этом происходит движение ударной волны со скоростью а от начала трубы к её концу.

В момент времени

ударная волна достигает конца трубы.

Далее весь процесс начинается сначала. При исследовании этого процесса возникает три основных вопроса. Первый - какова скорость протекания этого колебательного процесса и от чего она зависит? Второй вопрос - как сильно меняется давление в трубопроводе за счёт описанного процесса? И третий - как долго может протекать этот процесс?

Изменения давления и скорости потока в трубопроводах происходят не мгновенно в связи с упругостью твёрдых стенок трубы и сжимаемостью рабочей среды, а с некоторой конечной скоростью, обусловленной необходимостью компенсации упругих деформаций жидкости и трубы. Рассмотрим случай когда в трубопроводе длиной L и площадью сечения Й под давлением Р находится жидкость, плотность которой Б. Предположим, что в момент времени t в сечении 1 - 1давление повысится на величину dp. Это повышение вызывает увеличение плотности на величину dБ,а также расширение внутреннего диаметра трубы. Следовательно, площадь проходного сечения увеличится на величину dЙ. В результате увеличится объём W участка трубы на величину dW. За счёт этого произойдет увеличение массы жидкости находящейся в трубе на участке длиной L. Масса увеличится за счёт увеличения, во-первых, плотности жидкости, во-вторых, за счёт увеличения объёма W.

Такая ситуация рассматривалась при выводе уравнения неразрывности потока в дифференциальной форме, с той только разницей, что там рассматривалось лишь изменение массы во времени, без учёта вызвавших это изменение причин

.

По аналогии с приведённым уравнением запишем выражение, описывающее изменение массы за счёт изменения давления

.

Жидкость под действием указанного повышения давления устремится с некоторой скоростью а в слои с меньшим давлением, в которых также будет повышаться плотность и увеличиваться напряжение в стенках трубопровода, способствующее увеличению площади трубопровода. В связи с этим потребуется некоторое время на распространение этих деформаций вдоль трубопровода. С другой стороны, перемещение массы dm за время dt происходит под влиянием результирующей Fрсил давления, действующих вдоль линии движения на торцовые поверхности цилиндрического объёма длиной L

В этом случае уравнение импульса силы может быть представлено

.

Отсюда

.

Имея в виду, что

,

и подставив это в предыдущее выражение, получим

Заметим, что произведение

Приравняем оба выражения для и получим:

.

Выразим из последнего равенства величину a²

Разделим числитель и знаменатель на W, а первое слагаемое в знаменателе искусственно умножим и разделим на Б:

.

Обратим внимание на то, что а . После подстановки этих равенств в последнее выражение и извлечения корня получим выражение для скорости распространения ударной волны, которая, по сути, является скоростью распространения упругих деформаций жидкости в трубе.

Здесь первое слагаемое под корнем характеризует упругие свойства рабочей среды (жидкости), а - второе упругие силы материала трубы.

Рассмотрим подробнее эти слагаемые.

Как известно из гидростатики, сила, действующая на цилиндрическую поверхность, равна произведению давления на проекцию площади этой поверхности в направлении действия силы. На рассматриваемый участок трубы с толщиной стенок ґ, длиной L и диаметром D действует изнутри давление P. Вследствие этого возникает разрывающая сила F, равная

.

В стенках трубы возникает сила сопротивления , равная произведению площади сечения стенок трубы на внутренние напряжения в материале стенок трубы, т.е.

.

Если приравнять две эти силы, получим равенство

,

из которого найдём выражение, определяющее внутреннее напряжение в стенках трубы :

Полагая, что относительное увеличение диаметра трубы, равное , прямо пропорционально напряжению в стенках трубы, можно записать

где Ет - коэффициент пропорциональности, который является модулем упругости материала трубы.

Из двух последних выражений следует, что абсолютное приращение радиуса сечения трубы может быть выражено формулой

Запишем выражение, определяющее увеличение площади сечения трубы:

где Й - начальная площадь сечения трубы,

Йр- площадь сечения трубы при давлении P.

Пренебрегая малой величиной высшего порядка ”R² и подставив выражение для ”R, получим

Продифференцировав это выражение по P и рассматривая Й как функцию, зависящую от P, получим:

В итоге слагаемое, описывающее упругие свойства материала трубы в выражении для скорости распространения ударной волны, можно представить в следующем виде:

Теперь рассмотрим слагаемое, описывающее упругость жидкости . Ранее при рассмотрении свойств жидкости было установлено, что если изменение объёма происходит за счёт изменения плотности, то можно определить коэффициент сжимаемости жидкости Іw:

Часто этот коэффициент выражают через обратную величину, называемую модулем упругости жидкости Eж, т. е.:

Отсюда следует, что второе слагаемое, характеризующее упругие свойства рабочей среды, может быть представлено в виде:

Таким образом, окончательно выражение для скорости распространения ударной волны в упругом трубопроводе можно переписать в следующем виде:

где - плотность жидкости,

D - диаметр трубопровода,

- толщина стенки трубопровода,

Ет - объёмный модуль упругости материала трубы,

Еж - объёмный модуль упругости жидкости.

Из формулы следует, что скорость распространения ударной волны зависит от сжимаемости жидкости и упругих деформаций материала трубопровода.

Литература

1. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Наука, 1970. -904 с.

2. Повх И.Л. Техническая гидромеханика. -Л.: Машиностроение, 1976.-

502 с.

3. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. Перевод с немецкого, под редакцией Л.Г.Лойцянского. - М.: Наука, 1969. -742 с.

4. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. -

М.: Машиностроение, 1975. -560 с.

5. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник/ Под общей редакцией В.А.Григорьева и В.М.Зорина. -М.: Энергоиздат, 1982. - 510с

http://mosgruz.net/gidrot11r2part2.html

Размещено на Allbest.ru