应用流体力学应用流体力学 (64).pdf

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1、8.6 管中水击第八章 前5节的内容均针对管道中的稳定流动工程中的常态。泵和阀门等设备突然启停较大的压力波动非稳定流动水击。本节引言本节提要本节难点理解水击的原理；直接水击和间接水击的区别及对管道实际操作的指导。8.6.1 水击的物理过程8.6.2 水击压强与水击波速8.6.3 防止水击危害的措施本节目录8.6.1 水击的物理过程水击简介*资料来自网络水击简介答：开关水龙头过快时，水的流速发生急剧变化，导致水管内压强出现剧烈变化，猛烈锤击管壁，所以自来水管发出“砰、砰”的响声。快速开关自来水管的龙头时，为什么会常常听到“砰、砰”的响声？8.6.1 水击的物理过程水击简介 水击现象严重时会损坏阀

2、门，甚至导致管道破裂。水击现象为一快瞬变过程，通常会产生很大的局部压强，因此必须考虑液体的压缩性和管壁的弹性。在工程实际中也会遇到管路中液体的流动状态突然改变的情况，如泵的突然启停、阀门突然开闭等。流动状态的突变会引起管内液体压强的骤升骤降，导致管道的振动，并伴有隆隆的锤击声，这种现象称为水击，也称为水锤。8.6.1 水击的物理过程理想情况水击物理过程由于液体的可压缩性，当右端阀门突然完全关闭时，管道中各处的流速不会同时变为零，管内压力和流量将发生交替变化，分为四个阶段。vl阀门忽略管壁弹性和液体黏性 下面以如图所示简单管路为例来分析水击的物理过程：8.6.1 水击的物理过程理想情况水击物理过

3、程lptp0阀门处液体压强维持在p+pp水击压强水击波速c关阀瞬间水击压强跃升到某一定值clc稳定流动时阀门处压力ppp0l水击压强p 阶段一：增压逆波阶段8.6.1 水击的物理过程理想情况水击物理过程 阶段二：减压顺波阶段cplctp02lc阀门处液体压强维持在p+p至终了时刻突降至pvlpp0lpp8.6.1 水击的物理过程理想情况水击物理过程 阶段三：减压逆波阶段2lcplctpp03lc阀门处液体压强突降到p-pplcpp0lp8.6.1 水击的物理过程理想情况水击物理过程 阶段四：增压顺波阶段tp04lcp阀门处液体压强维持在p-p最终突变回水击前压强pcvlp0lpp2lclc3l

4、cpp8.6.1 水击的物理过程理想情况水击物理过程 液体的能量在动能和压能之间转化，没有能量损失。lc2lctpppp03lc4lc水击周期：间隔管道压强周而复始水击相长Ts:间隔改变一次压强2lc4lc水击周期水击相长8.6.1 水击的物理过程 实际情况下的水击有哪些不同?1、泵和阀门等设备往往不能瞬间关闭，需要一段时间逐渐关闭2、管道的弹性变形和液体的黏性会影响水击波传播3、四个阶段的水击波可能会同时存在、相互叠加8.6.1 水击的物理过程实际情况下的水击压强(1)逐渐关阀过程中：水击压强不在关阀瞬间跃升到某一定值，而是逐渐增大。如果不考虑压力波的反射，当阀门完全关闭时达到最大。(2)管

5、道的弹性变形和液体的黏性作用：水击过程中会发生能量损失，水击压强会振荡衰减。tpmaxp8.6.1 水击的物理过程直接水击 如果阀门关闭的时间T小于相长Ts，阀门完全关闭时反射回来的水击波尚未到达阀门处，这种水击称为直接水击。反射波未到达阀门阀门完全关闭水击波传播8.6.2 水击压强与水击波速间接水击 如果阀门关闭的时间T大于相长Ts，反射回来的水击波到达阀门时，阀门尚未完全关闭，这种水击称为间接水击。负的水击压强与阀门继续关闭产生的正水击压强相叠加，使阀门处间接水击压强小于直接水击压强。反射波已到达阀门阀门尚未完全关闭水击波传播8.6.2 水击压强与水击波速直接水击压强的计算 如下图表示阀门

6、附近的一段管路lppp+vclcl8.6.2 水击压强与水击波速直接水击压强的计算动量定理：lpvcvt=水头的形式为：pcHvgg=水击压强的计算公式间接水击计算较为复杂，一般通过直接水击压强近似估算：sTpcvT=或scTHvgT=()0pApp AtA l+=直接水击压强ppp+vcl8.6.2 水击压强与水击波速上述水击压强的计算需要先确定水击波速，通过分析推导得:式中，d为管内径，为壁厚，a为声波在液体中的传播速度，E1为液体的弹性模量，Ep为管壁材料的弹性模量。水击波速的计算公式1p1=+acE dE8.6.2 水击压强与水击波速水击波速答：刚性管道。原因可从以下2个角度解释：对于

7、同一系统同一初始流速下的水击，柔性管道还是刚性管道引起的水击压强升高更显著？2、刚性管道的弹性模量Ep更大，由水击压强计算公式：1p1=+apvE dE可知刚性管道对应的水击压强更大。1、刚性管道更不易变形，使得水击能量损失小，从而水击压强大。8.6.2 水击压强与水击波速 水击波速的计算公式1p1=+acE dEcHvg=直接水击间接水击scTHvgT=1、来自水击波速的影响因素管内径d、厚度、声速a、液体弹性模量E1、管材弹性模量Ep2、来自直接水击和间接水击的影响因素关阀时间T、水击相长Ts水击压强的影响因素8.6.3 防止水击危害的措施水击的危害措施 缓慢关闭阀门，尽量延长关阀时间，避

8、免直接水击并尽可能降低间接水击的强度。可采用弹性好的管道，减小管道长度，降低管内流速。在可能产生水击的管道中设置调压塔、蓄能器或安全阀以缓冲水击压强，达到过载保护的目的。阀门损坏、管道变形甚至爆裂，造成严重危害。增大T减小c或v增大承载能力lp1=+acE dEcHvg=直接水击scTHvgT=间接水击8.6.3 防止水击危害的措施题干解析:采用水击压强公式进行求解，需注意关阀时间不同可能造成水击类型不同。例8.6.1某供水管道在下游末端设置阀门控制流量。已知管道长度为700m，管道直径为200mm，管道壁厚为6mm，管道中的流速为3m/s。若阀门在1s内完全关闭，此时发生水击，求阀门处的水击

9、压强；若阀门在2s内完全关闭，此时阀门处的水击压强又是多少？（声波在水中的传播速度为1425m/s，水的弹性模量El=2.04109N/cm2，钢管的弹性模量Ep=2.06107N/cm2）例 题例8.6.1某供水管道在下游末端设置阀门控制流量。已知管道长度为700m，管道直径为200mm，管道壁厚为6mm，管道中的流速为3m/s。若阀门在1s内完全关闭，此时发生水击，求阀门处的水击压强；若阀门在2s内完全关闭，此时阀门处的水击压强又是多少？（声波在水中的传播速度为1425m/s，水的弹性模量El=2.04109N/cm2，钢管的弹性模量Ep=2.06107N/cm2）例 题已知参数管道参数管

10、长l=700 m管径d=0.2m壁厚=0.0006m管输参数流速v=3m/s水击参数水中的声速a=1425m/s水的弹性模量El=2.04109N/cm2钢管的弹性模量Ep=2.06107N/cm2待求参数水击压强例8.6.1某供水管道在下游末端设置阀门控制流量。已知管道长度为700m，管道直径为200mm，管道壁厚为6mm，管道中的流速为3m/s。若阀门在1s内完全关闭，此时发生水击，求阀门处的水击压强；若阀门在2s内完全关闭，此时阀门处的水击压强又是多少？（声波在水中的传播速度为1425m/s，水的弹性模量El=2.04109N/cm2，钢管的弹性模量Ep=2.06107N/cm2）例 题

11、计算步骤:1.计算水击波速a和相长Ts2.根据不同的关阀时间，判断水击类型，计算水击压强p解：(1)计算水击波速517p14251236 m/s2.04 100.2112.06 100.0006=+acE dE227001.13s1236slTc=计算水击的相长例 题例 题61000 1236 33.71 10 Papcv=若阀门在2s内完全关闭，T=2 s Ts=1.13 s此时发生间接水击，水击压强为：61.131000 1236 32.10 10 Pa2sTpcvT=若阀门在1s内完全关闭，T=1 s Ts=1.13 s此时发生直接水击，水击压强为：(2)计算水击压强关阀延长1s，水击压强降低43%!1p1=+acE dE 水击压强的计算公式cHvg=直接水击间接水击scTHvgT=理想水击的四个阶段理想水击和实际水击的比较直接水击和间接水击的区别lc2lctpppp03lc4lcptp本节小结重要概念重要公式 水击波速的计算公式