什么是水锤现象?如何估算水击压力?

2023/9/11 1:06:42 人评论 次浏览 分类:控制阀  文章地址:http://yunrun.com.cn/tech/5090.html

在液体有压管道中,由于某种原因(如阀门突然启闭、机泵突然停车等),使液体流速发生突然变化,同时引起压强大幅度波动的现象称为水锤,或水击。水锤产生的瞬时压强称为水击压强,可达管道正常工作压力的几十倍至数百倍。这种压强大幅度波动,有很大的破坏性,可导致管道系统强烈振动、噪声造成阀门破坏,管道接头断开,甚至管道破裂等重大事故。

水击以波的形式传播,称为水击波,包含以下过程:

第1阶段:升压波从阀门向管道进口传播阶段;
第2阶段:降压波从管道进口向阀门传播阶段;
第3阶段:降压波从阀门向管道进口传播阶段;
第4阶段:升压波从管道进口向阀门传播阶段。

以上水击的传播完成一个周期,在一个周期内,水击波由阀门传到进口,再由进口传至阀门共往返2次,往返一次所需时间T=2L/a(L为管道长度;a为水击波传播速度)。水击传播过程中,管道各断面的流速和压强均随时间变化,所以水击过程是非恒定流。

水锤现象

水击压力估算

1、直接水击
若阀门关闭时间Tz<2L/a,那么最早发出的水击波的反射波回到阀门以前,阀门已全关闭,此时阀门处的水击压强和阀门在瞬时关闭相同,称为直接水击。水击波的传播速度a一般远大于管内流速v0, 因此:△P=ρa(v0-v);如阀门瞬时完全关闭,v=0,则水击压强的最大值为:△P=ρav0
。式中△P为水击压强,Pa;v0为水击前管道中平均流速,m/s。

2、间接水击

如果阀门关闭时间Tz>2L/a,则开始关闭时发出的水击波的反射波,在阀门尚未关闭前,已越过阀门断面,随即变为负的水击波向管道进口传播,由于负水击压强和阀门继续关闭所产生的正水击压强相叠加,使阀门处最大水击压强小于直接水击压强,这种情况的水击称为间接水击,间接水击与水击波传播速度无关。

式中T为水击波相长,T=2L/a;Tz为阀门关闭时间。


3、水击波传播速度

直接水击压强与水击波的传播速度成正比,因此,计算直接水击压强需要知道水击波传播速度a0。考虑水的压缩性和管壁的弹性变形,水击波传播速度公式如下:

式中a0为水中声波的传播速度,水温10℃左右,压强 0.1~2.5MPa,a0=1435m/s;E0为水的弹性模量,E0=2.04 × 105N/cm³;E为管壁弹性模量,N/cm²;d为管道直径,cm;δ为管壁厚度,cm。


水锤的应用

为了避免水击破坏或降低水锤的破坏程度,应根据水击计算的结果来确定某些阀门的动作时间。对于会影响水锤破坏程度的阀门,动作时间不能太快或太慢,应保证阀门让流体通过以降低破坏。

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