有壓管道中的水擊現(xiàn)象初探

摘 要：在一些外界因素影響下，將使有壓管道中的流速發(fā)生劇烈的變化，隨之管道中的液體壓強(qiáng)將會(huì)產(chǎn)生快速的交替升降的過程，產(chǎn)生非常高的水擊壓強(qiáng)，通常能夠達(dá)到正常工作壓強(qiáng)的幾十倍，或者更高，因此應(yīng)采取必要的防止和削弱措施。

關(guān)鍵詞：水擊現(xiàn)象;傳播過程;水擊分類;預(yù)防措施

1 水擊產(chǎn)生的原因

有壓管流中，由于某些外界原因（如水泵的突然停止、閥門的突然開啟或關(guān)閉），使得水流速度發(fā)生突然變化，從而引起壓強(qiáng)急劇升高或降低的交替變化的現(xiàn)象，稱為水擊或水錘[1]。

如上圖所示，簡(jiǎn)單管道長(zhǎng)為 ，進(jìn)口端 接水庫(kù)，末端 接調(diào)節(jié)閥門。為了方便分析，我們忽略水頭損失和流速水頭，認(rèn)為管路中的測(cè)壓管水頭與水庫(kù)水位相同，并且這里我們考慮液體的壓縮性和管壁的彈性。

當(dāng)閘門開啟時(shí)，我們假設(shè)管中的水流為恒定流，壓強(qiáng)為 ，流速為 。若 端閥門瞬間關(guān)閉，緊貼閥門的一層液體則以速度 沖擊閥門，速度驟然下降至零，動(dòng)量發(fā)生了變化。根據(jù)動(dòng)量定理，動(dòng)量的變化量等于閥門對(duì)水體的反作用力的沖量[2]。因此在外力作用下，靠近閥門處的液體壓強(qiáng)升高至 ，由于管壁是彈性體，管壁膨脹。一層一層的液體和管壁相繼發(fā)生同樣的變化，以速度 向上游傳播，并在邊界處發(fā)生反射，由此就產(chǎn)生了水擊現(xiàn)象。

2 水擊波的傳播過程

在閥門關(guān)閉的瞬間，管內(nèi)的液體不會(huì)全部都停止流動(dòng)，壓強(qiáng)亦不是一起升高的，而是緊靠閥門斷面的液層流速首先下降至零，壓強(qiáng)增大，管壁橫截面增大。這種變化由閥門斷面產(chǎn)生，然后迅速向上游傳播，傳播速度為 ，所到之處壓強(qiáng)發(fā)生變化，管道斷面面積也發(fā)生變化，我們稱之為水擊波的傳播。

3.2間接水擊

間接水擊是閥門的關(guān)閉時(shí)間 時(shí)產(chǎn)生的水擊。當(dāng)發(fā)生間接水擊時(shí)，水庫(kù)反射波在閥門開度變化結(jié)束前就已經(jīng)到達(dá)閥門斷面，其壓強(qiáng)值相比于直接水擊來(lái)說減少了很多，但是間接水擊的計(jì)算相比于直接水擊來(lái)說要復(fù)雜得多。

4 水擊的防止和削弱

由于水擊產(chǎn)生的壓強(qiáng)非常大，可能使有壓管道劇烈振動(dòng)、產(chǎn)生形變甚至破裂，對(duì)我們的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此必須采取措施加以削弱。目前在工程中可以采取的措施一般有下面幾種：

（1）減小有壓管道中液體的流速，通過增大管道的直徑也可以起到減小液體流速的目的。

（2）減小管道的長(zhǎng)度，使得從上游反射回來(lái)的減壓波能夠快速傳到壓力管道的閥門端，來(lái)達(dá)到減弱水擊，降低水擊壓強(qiáng)的目的。

（3）延長(zhǎng)關(guān)閥時(shí)間，避免直接水擊，使水擊壓強(qiáng)在上升不高時(shí)就與從上游水庫(kù)邊界反射回來(lái)的減壓波疊加。

（4）設(shè)置調(diào)壓室，這是減小水擊壓強(qiáng)最顯著的措施，但是其產(chǎn)生的費(fèi)用較高。

（5）采取合理的閥門關(guān)閉規(guī)律。該方法簡(jiǎn)單易行，又較為經(jīng)濟(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張勁，楊栗晶.水力計(jì)算與測(cè)試技術(shù)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2013（12）：103-109.

[2] 呂紅興，裴國(guó)霞，楊玲霞等.水力學(xué)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2002.

作者簡(jiǎn)介：

黃麗萍（1998.4.21-）女，漢族，四川省德陽(yáng)市，本科生，研究方向：水利水電工程。