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什么是水錘現象?如何估算水擊壓力?

2023/9/11 1:06:42 人評論 次瀏覽 分類:控制閥  文章地址:http://www.gsipv.com/tech/5090.html

在液體有壓管道中,由于某種原因(如閥門突然啟閉、機泵突然停車等),使液體流速發生突然變化,同時引起壓強大幅度波動的現象稱為水錘,或水擊。水錘產生的瞬時壓強稱為水擊壓強,可達管道正常工作壓力的幾十倍至數百倍。這種壓強大幅度波動,有很大的破壞性,可導致管道系統強烈振動、噪聲造成閥門破壞,管道接頭斷開,甚至管道破裂等重大事故。

水擊以波的形式傳播,稱為水擊波,包含以下過程:

第1階段:升壓波從閥門向管道進口傳播階段;
第2階段:降壓波從管道進口向閥門傳播階段;
第3階段:降壓波從閥門向管道進口傳播階段;
第4階段:升壓波從管道進口向閥門傳播階段。

以上水擊的傳播完成一個周期,在一個周期內,水擊波由閥門傳到進口,再由進口傳至閥門共往返2次,往返一次所需時間T=2L/a(L為管道長度;a為水擊波傳播速度)。水擊傳播過程中,管道各斷面的流速和壓強均隨時間變化,所以水擊過程是非恒定流。

水錘現象

水擊壓力估算

1、直接水擊
若閥門關閉時間Tz<2L/a,那么最早發出的水擊波的反射波回到閥門以前,閥門已全關閉,此時閥門處的水擊壓強和閥門在瞬時關閉相同,稱為直接水擊。水擊波的傳播速度a一般遠大于管內流速v0, 因此:△P=ρa(v0-v);如閥門瞬時完全關閉,v=0,則水擊壓強的最大值為:△P=ρav0
。式中△P為水擊壓強,Pa;v0為水擊前管道中平均流速,m/s。

2、間接水擊

如果閥門關閉時間Tz>2L/a,則開始關閉時發出的水擊波的反射波,在閥門尚未關閉前,已越過閥門斷面,隨即變為負的水擊波向管道進口傳播,由于負水擊壓強和閥門繼續關閉所產生的正水擊壓強相疊加,使閥門處最大水擊壓強小于直接水擊壓強,這種情況的水擊稱為間接水擊,間接水擊與水擊波傳播速度無關。

式中T為水擊波相長,T=2L/a;Tz為閥門關閉時間。


3、水擊波傳播速度

直接水擊壓強與水擊波的傳播速度成正比,因此,計算直接水擊壓強需要知道水擊波傳播速度a0。考慮水的壓縮性和管壁的彈性變形,水擊波傳播速度公式如下:

式中a0為水中聲波的傳播速度,水溫10℃左右,壓強 0.1~2.5MPa,a0=1435m/s;E0為水的彈性模量,E0=2.04 × 105N/cm3;E為管壁彈性模量,N/cm2;d為管道直徑,cm;δ為管壁厚度,cm。


水錘的應用

為了避免水擊破壞或降低水錘的破壞程度,應根據水擊計算的結果來確定某些閥門的動作時間。對于會影響水錘破壞程度的閥門,動作時間不能太快或太慢,應保證閥門讓流體通過以降低破壞。

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