Що таке гідроудар?

Водогін зародився в давні часи й залишався без особливих змін, доки бурхливий розвиток механіки не дозволив розпочати будівництво складних водопровідних споруд. У середині минулого століття в Москві існувало вже кілька водонапірних веж, насосних станцій і розгалужена мережа водогону.

Але закута в метал вода виявляла норовливість. Почастішали аварії, причиною яких був гідравлічний удар — іншими словами, різке підвищення тиску в трубі під час швидкого закриття крана.

Відомий учений Микола Єгорович Жуковський був першим, хто експериментально вивчив це явище та розробив теорію гідравлічного удару. Ці досліди він ставив на Олексіївській водонапірній станції.

Спробуймо розібратися в цьому складному фізичному процесі за допомогою засобів кіно. Ви бачите модель трубопроводу. Затвор закритий не повністю. Зверніть увагу на рівень фонтанчика. Він практично дорівнює рівню води в резервуарі.

Миттєво закриємо затвор. Гідравлічний удар, що виник, змушує струмінь різко підскочити. Дослідимо сутність цього процесу на мультиплікаційній схемі. Встановимо на трубі п’єзометри й умовно припишемо їм властивості безінерційності. Рівень п’єзометрів дорівнює рівню води в резервуарі, оскільки тертям у трубі зі швидкісним напором нехтуємо.

Спробуємо різко закрити затвор. Рідина в трубі загальмується, але не миттєво, оскільки цьому завадить пружність стінок труби та самої рідини. Напір збільшується. Так утворюється ударна хвиля, яка рухається в напрямку до резервуара зі швидкістю А, залишаючи за собою підвищення напору H і нерухому воду в трубі.

Переріз, у якому напір змінюється від Н0 до Н0 + H, називається фронтом ударної хвилі. По всій трубі встановлюється підвищення напору H. Кінетична енергія рідини перейшла в роботу деформації стінок труби й роботу стиснення рідини. Під дією напору в трубі рідина починає витікати в резервуар. Напір вирівнюється до H0. Діаметр труби зменшується до вихідного.

У трубі утворюється хвиля вирівнювання тиску, або, як її називають, відбита хвиля. Робота деформації переходить назад у кінетичну енергію рідини. Щойно відбита хвиля досягне затвора, у трубі створиться ситуація, за якої весь потік рідини спрямований від затвора до резервуара. Існує він лише мить.

Стовп води прагне відірватися від затвора, унаслідок чого тиск біля нього падає на величину Н. Це явище дістало назву від’ємний гідравлічний удар. Від’ємна ударна хвиля біжить від затвора до резервуара, залишаючи за собою швидкість потоку, що дорівнює нулю. Погашена кінетична енергія переходить у від’ємну роботу деформації. І щойно від’ємна ударна хвиля досягне резервуара, тиск у трубі знову почне вирівнюватися, а потік води спрямується у бік заглушки зі швидкістю V0.

Труба опиниться в тому самому стані, що й на початку гідравлічного удару. Перша фаза гідравлічного удару завершилася, і все явище повторюється знову. У реальному трубопроводі гідравлічний удар відбувається значно швидше, ніж на екрані. Він здійснює безліч циклів, під час яких ударний тиск поступово падає внаслідок витрати енергії на тертя.

У трубі постійного перерізу значення H легко знайти. Прирівнявши кінетичну енергію рідини до роботи деформації, отримаємо формулу Жуковського.

Велику небезпеку становить гідравлічний удар у тупиках. Припустімо, що тиск у тупиковій трубі, відділеній від резервуара затвором, дорівнює атмосферному, якщо труба негерметична. За різкого відкриття затвора труба зазнає гідравлічного удару. Ударна хвиля H0 спрямовується у бік заглушки. За нею виникає потік рідини, що має швидкість V0. Швидкість потоку пов’язана з напором уже знайомою формулою Жуковського.

Стовп води вдаряється в заглушку, унаслідок чого до напору H0 додається ударний напір від погашеної швидкості. У формулі Жуковського він також дорівнює H0. Отже, у тупику відбулося подвоєння гідравлічного удару.

Для зменшення гідравлічного удару застосовується повільне закриття крана за допомогою гвинтового механізму. Плавний рух за заданим законом гігантських затворів гідростанцій здійснюється гідравлічним приводом.

Для боротьби з гідравлічним ударом на трубі встановлюються повітряні ковпаки та пружинні амортизатори. Фундаментальна праця Жуковського «Гідравлічний удар у трубопроводі» лежить в основі розрахунків усіх великих гідротехнічних споруд.