第13章有壓管道非恒定流回到總目錄有壓管道非恒定流問題，即水擊問題。正常運(yùn)行的管道，由于某種原因，須迅速關(guān)閉或開啟閥門或水泵因故突然停止工作，使管中流速在很短時(shí)間內(nèi)發(fā)生急劇變化。速度的改變引起動(dòng)量變化，動(dòng)量變化又伴隨有力的產(chǎn)生，表現(xiàn)為管流出現(xiàn)巨大的附加壓強(qiáng)，即水擊壓強(qiáng)，并伴之錘擊之聲，工程上稱之為水擊或水錘。水擊現(xiàn)象中交替升降的壓強(qiáng)稱為水擊壓強(qiáng)。水擊壓強(qiáng)可數(shù)百倍于管道恒定流的壓強(qiáng)，在此壓強(qiáng)作用下，必須考慮液體的壓縮性和管壁的彈性。水擊的危害很大，常引起管壁爆裂或產(chǎn)生嚴(yán)重變形。在壓力管道設(shè)計(jì)中必須加以考慮。第一節(jié)概述

產(chǎn)生水擊現(xiàn)象的原因是由于液體存在慣性和可壓縮性。水擊現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)上是由于管道內(nèi)水體流速的改變，導(dǎo)致水體的動(dòng)量發(fā)生急劇改變而引起作用力變化的結(jié)果。水擊具有破壞性返回!2、水擊波傳播過程由于水和管道都彈性體，在很大的水擊壓強(qiáng)作用下該層管流n-m段產(chǎn)生兩種形變，即水的壓縮及管壁的膨脹。因此閥門突然關(guān)閉時(shí)，管道內(nèi)的水就不是在同一時(shí)刻全部停止流動(dòng)，壓強(qiáng)也不是在同一時(shí)刻同時(shí)升高。而是靠近閥門的第一層水首先停止流動(dòng)，與之相鄰的第二層及其后續(xù)各層水相繼逐層停止流動(dòng)，同時(shí)壓強(qiáng)逐層升高，并以彈性波的形式由閥門迅速傳向管道進(jìn)口。這種由于水擊而產(chǎn)生的彈性波，稱水擊波。水擊波傳播的第一階段由于閥門K突然完全關(guān)閉，速度由v0立即變?yōu)榱悖鄳?yīng)壓強(qiáng)升高Δp，水密度增加Δρ，管道斷面積增加ΔA。這種減速增壓的過程以波速c自閥門向上游傳播的。經(jīng)過t=l/c后，水擊波到達(dá)水庫。這時(shí)，全管液體處于被壓縮狀態(tài)：V=0,p=p0+Δp,ρ=ρ0

+Δρ,D=D0+ΔDt=0～

l/c

稱為水擊波傳播的第一階段。水擊波傳播的第二階段減壓波到達(dá)管道進(jìn)口后，水庫水位不受管路流動(dòng)的影響。管路進(jìn)口的水體，在水擊壓強(qiáng)(p0+Δp)與水池靜壓強(qiáng)(p0)差作用下，立即以和Δp相應(yīng)的速度-v0向水庫方向流去。這一變化以減壓水擊波的形式自水庫向閥門傳播，在t=2l/c時(shí)刻,到達(dá)閥門斷面。此時(shí)被壓縮的水體和膨脹的管壁恢復(fù)原狀：

v=-v0,p=p0,ρ=ρ0,D=D0t=l/c～2l/c

稱為水擊波的第二階段。水擊波從閥門斷面出發(fā)，又回到閥門斷面，稱為水擊的一相。相長Tr=2l/c水擊波傳播的第三階段在t=2l/c時(shí)刻，由于水流的慣性，管中的水仍然向水庫倒流，而閥門仍然關(guān)閉無水補(bǔ)充，以致閥門端的水體首先停止運(yùn)動(dòng)，速度由-v0變?yōu)榱?，引起壓?qiáng)降低、密度減小與管壁收縮。這個(gè)增速減壓波由閥門向上游傳播，在t=3l/c時(shí)刻到達(dá)水庫。此時(shí)全管處于瞬時(shí)低壓狀態(tài)：v=0,p=p0–Δp,ρ=ρ0

-Δρ,D=D0-ΔDt=2l/c～3l/c

稱為水擊波傳播的第三階段。水擊波傳播的第四階段在t=3l/c時(shí)刻，因管道進(jìn)口壓強(qiáng)比水庫壓強(qiáng)差Δp作用下，水又以速度v0向閥門方向流動(dòng)，并以增壓波形式傳向閥門斷面。管道中的密度和管壁相繼應(yīng)恢復(fù)正常。在t=4l/c時(shí)刻，增壓波傳至閥門斷面，全管恢復(fù)至起始狀態(tài)：v=v0,p=p0

,ρ=ρ0,D=D0t=3l/c～4l/c

稱為水擊波的第四階段。由于慣性，水擊現(xiàn)象將重復(fù)上述四個(gè)階段。如果沒有損失，水擊波將周期性地如此循環(huán)下去。

水擊波傳播過程簡表因?qū)嶋H水流存在水頭損失，水擊波將逐漸衰減，直至消失。階段時(shí)段流向速度變化壓強(qiáng)變化末瞬ρ,p10-l/c閥→庫v0→0p0→p0+Δpρ0

+Δρ,

p0+Δp2l/c-2l/c庫→閥0→-v0p0+Δp→p0ρ0,p032l/c-3l/c庫→閥-v0→0p0→p0-Δpρ0

-Δρ,p0-Δp43l/c-4l/c閥→庫0→v0P0-Δp→p0ρ0,p0循環(huán)、衰減水擊具有破壞性2.直接水擊與間接水擊t=2l/c——相長Ts——閥門關(guān)閉時(shí)間閥門處a0——水中聲音傳播速度（1435m/s）ε——水的彈性系數(shù)（2×109Pa）E——管材彈性系數(shù)（鋼：206×106kPa）δ——管材壁厚水擊具有破壞性（1）直接水擊：（2）間接水擊：水擊具有破壞性

根據(jù)閘門關(guān)閉（或開啟）的時(shí)間Ts與相長T的比值，我們把水擊分為兩類：（1）直接水擊：閘門關(guān)閉（或開啟）的時(shí)間Ts＜T（相長）。（2）間接水擊：指閘門關(guān)閉（或開啟）的時(shí)間Ts＞T（相長）。2.水擊的分類水擊具有破壞性

由于直接水擊壓強(qiáng)遠(yuǎn)大于間接水擊壓強(qiáng)，破壞性較強(qiáng)，在實(shí)際工程中應(yīng)盡可能采取措施，避免產(chǎn)生直接水擊破壞。3.直接水擊壓強(qiáng)的計(jì)算用水柱表示水擊具有破壞性式中：是水擊波速，是管內(nèi)原來流速，是閥門啟閉后的流速。4.防止產(chǎn)生直接水擊破壞的措施（1）縮短壓力管道的長度；（2）延長閥門關(guān)閉的時(shí)間Ts；（3）減小壓力管道中的水流流速；（4）安裝水擊消除閥；（5）設(shè)置調(diào)壓室。水擊具有破壞性例題4：有一水電站引水鋼管，管長l=2000m，管徑D=500mm，管壁厚度δ=10mm，水的彈性系數(shù)為K=19.6×108N/m2，鋼管的彈性系數(shù)為E=19.6×1010N/m2。試求：在3秒內(nèi)閥門全部關(guān)閉時(shí)的水擊壓強(qiáng)。解：水擊波的波速為相長為

∵Ts=2s＜T=3.41s∴水擊為直接水擊水擊壓強(qiáng)為

水擊具有破壞性第四節(jié)一元非恒定流基本方程1一元非恒定流連續(xù)方程2一元非恒定流運(yùn)動(dòng)方程和能量方程第五節(jié)水擊基本方程1連續(xù)方程又2水擊運(yùn)動(dòng)方程一元非恒定總流運(yùn)動(dòng)方程3水擊基本方程

x閥門

s波函數(shù)F和f的物理意義波函數(shù)的特性:波形在傳播過程中保持不變，因?yàn)楹雎粤俗枇Φ挠绊憽Ｋ畵艋痉匠痰暮x:任意斷面任意時(shí)刻水擊壓強(qiáng)水頭和流速增量水頭是由逆行和順行的兩組水擊波疊加形成.水擊連鎖方程AB兩式相減兩式相加練習(xí)題1有1、2兩根壓力管道，除下列任一種條件不同外，其他條件均相同。當(dāng)兩管均發(fā)生直接水擊時(shí)，在下列各種情況下兩管的最大水擊