Что такое гидроудар?
Водопровод зародился в древние времена и оставался без особых изменений, пока бурное развитие механики не позволило начать строительство сложных водопроводных сооружений. В середине прошлого века, в Москве существовало уже несколько водонапорных башен, насосных станций и разветвленная сеть водопровода.
Но закованная в металл вода проявляла строптивость. Участились аварии, причиной которых был гидравлический удар - другими словами, резкое повышение давления в трубе при быстром закрытии крана.
Известный русский ученый Николай Егорович Жуковский был первым, кто экспериментально изучил это явление и разработал теорию гидравлического удара. Эти опыты он ставил на Алексеевской водонапорной станции в Москве.
Попытаемся разобраться в этом сложном физическом процессе с помощью средств кино. Вы видите модель трубопровода. Затвор закрыт не полностью. Обратите внимание на уровень фонтанчика. Он практически равен уровню воды в резервуаре.
Мгновенно закроем затвор. Возникший гидравлический удар заставляет струю резко подскочить. Исследуем сущность этого процесса на мультипликационной схеме. Установим на трубе пьезометры и условно припишем им свойства безинерционности. Уровень пьезометров равен уровню воды в резервуаре, так как трением в трубе со скоростным напором пренебрегаем.
Попробуем резко закрыть затвор. Жидкость в трубе затормозится, но не мгновенно, поскольку этому помешает упругость стенок трубы и самой жидкости. Напор увеличивается. Так образуется ударная волна которая движется по направлению к резервуару со скоростью А, оставляя за собой повышение напора H и неподвижную воду в трубе.
Сечение, в котором напор меняется от Н0 до Н0 + H называется фронтом ударной волны. По всей трубе устанавливается повышение напора H. Кинетическая энергия жидкости перешла в работу деформации стенок трубы и работу сжатия жидкости. Под действием напора в трубе, жидкость начинает вытекать в резервуар. Напор выравнивается до H0. Диаметр трубы сокращается до исходного.
В трубе образуется волна выравнивания давления, или как его называют - отраженная волна. Работа деформации переходит обратно в кинетическую энергию жидкости. Как только отраженная волна достигнет затвора, в трубе создастся ситуация, при которой весь поток жидкости направлен от затвора к резервуару. Существует он лишь мгновение.
Столб воды стремится оторваться от затвора, в результате чего давление возле него падает на величину Н. Это явление получило название отрицательный гидравлический удар. Отрицательная ударная волна бежит от затвора к резервуару, оставляя за собой скорость потока, равную нулю. Погашенная кинетическая энергия переходит в отрицательную работу деформации. И как только отрицательные ударная волна достигнет резервуара, давление в трубе вновь начнет выравниваться, а поток воды устремится в сторону заглушки, со скоростью V0.
Труба окажется в том же состоянии, что и в начале гидравлического удара. Первая фаза гидравлического удара завершилась, и все явление повторяется вновь. В реальном трубопроводе гидравлический удар протекает гораздо быстрее, чем на экране. Он совершает множество циклов, в ходе которых ударное давление постепенно падает, вследствие расхода энергии на трение.
В трубе постоянного сечения, значение H легко найти. Прировняв кинетическую энергию жидкости к работе деформации, получим формулу Жуковского.
Большую опасность представляет гидравлический удар в тупиках. Предположим, что давление в тупиковой трубе, отделенной от резервуара затвором, равно атмосферному, если труба не герметична. При резком открытии затвора, труба подвергается гидравлическому удару. Ударная волна H0 устремляется в сторону заглушки. За ней возникает поток жидкости, имеющий скорость V0. Скорость потока связана с напором по уже знакомой формуле Жуковского.
Столб воды ударяется в заглушку, в результате чего к напору H0 прибавляется ударный напор от погашенной скорости. В формуле Жуковского он также равен H0. Следовательно в тупике произошло удвоение гидравлического удара.
Для уменьшения гидравлического удара применяется медленное закрытие крана с помощью винтового механизма. Плавное движение по заданному закону гигантских затворов гидростанций осуществляется гидравлическим приводом.
Для борьбы с гидравлическим ударом, на трубе устанавливаются воздушные колпаки и пружинные амортизаторы. Фундаментальная работа Жуковского «Гидравлический удар в трубопроводе», лежит в основе расчетов всех крупных гидротехнических сооружений.