有压管中的非恒定流.ppt

10 有压管中的非恒定流 非恒定流在无压流及有压流中均可能产生。河道中洪水的涨落，明渠中水闸的启闭都会使河渠中产生非恒定流；水库水位上涨或下降通过有压泄水管的出流则属于有压非恒定出流。 本章主要讨论有压管中一种重要的非恒定流－水击（或称水锤）。当有压管中的流速因某种外界原因而发生急剧变化时，将引起液体内部压强产生迅速交替升降的现象，这种现象称为水击。由于交替升降的压强作用在管壁、阀门或其它管路元件上，会发生强烈的锤击管壁的响声，故水击也称水锤。 10.1 阀门突然关闭时有压管道中的水击 一、水击现象 略去水头损失及流速水头，认为恒定流时管路中测压管水头线与静水头线M-M相重合。设在恒定流的条件下，管中平均流速为 ，压强为 ，当阀门突然关闭时。 1、阀门突然关闭水击的第一阶段 设水击波的传播速度为a，由于忽略摩阻影响，故水击波速在传播过程中速度大小保持不变。已知管长为L，则阀门处产生的水击波由A端传到B端所要的时间为 ，时段 称为水击波传播的第一阶段。第一个阶段的特点： 表10.1 水击过程的运动特征 当阀门突然完全关闭时 ，则得相应的水头增量 上式常称为儒可夫斯基（ЖYKOBCKИЙ）公式，可用来计算阀门突然关闭或开启时的水击压强。 10.2 阀门逐渐关闭时有压管道中的水击 阀门逐渐关闭的整个过程，可看作由一系列微小的突然关闭过程所综合。总时间 阀门关闭时间Ts与时段 间的相对大小关系，将会影响阀门断面的水击断面。可能出现下述三种情况： （1）阀门关闭时间 ，亦即 。称直接水击，即是计算阀门突然完全关闭时水击压强增值的公式。 （2）阀门关闭时间 或 。称间 接水击，就是说，阀门 还未关闭完毕（阀门断 面压强还未升到最大值） 时，由进口反射回来的 减压波已经到达阀门断 面了。间接水击的压强增值是由一系列水击波在各自不同发展阶段叠加的结果。 在Δt 时段内，流入和流出该段控制体的质量差为： 略去二阶微量得 Δt 时段: 控制体内液体压强增加、密度增大、管壁膨 胀，导致水体质量增量为： 忽略高阶微量则得， 根据质量守恒原理，则 考虑到 ，由上式整理得 一般情况下，a v ，可略去，则 将水击压强计算公式 代入上式，并取极限可得水击波传播速度公式： 式中， 反映液体的压缩性，由液体物理性质，则 反映管壁弹性 设管道直径为D，由于压强增加dp ，管径增加dD，则 p δ D T T 电站引水钢管 p 根据虎克定律，直径相对变形dD与管壁应力增量dσ 关系 式中，E 为管壁材料的弹性系数。 由平衡方程可求出（见例1.12）壁厚δ 的均质薄壁圆管拉应力σ为 代入上式可得 由上式可见，水击波传播速度与液体的体积弹性模量、 管径、管壁弹性模量、管壁厚度有关 。 代入上式可求得均质薄壁圆管水击波速计算公式 当管道为绝对刚体, 即E=∞时，a 最大，以 a0 表示，则 式中，a0 为不受管壁材料影响时水击波的传播速度 当水温10 ℃、压强为1~25个大气压时， a0=1435 m/s 当引水管为非均质材料，如钢筋混凝 土时，水击波传播速度不能按上式计算， 相应计算公式可查阅有关文献。 注 意 * * 几个概念 ???? 水击波： 阀门关闭(开启）产生的一种扰动, 随管壁压强 增大（或减少）不断传播，这种扰动波称为水击波。 水击波传播速度： 流速突变处位置随时间向上或下游的推进速度，用a表示 a v0 H0 p0 γ Δp γ A B 阀门突然关闭，紧靠阀门处的微小液层立即停止流动，流速突然减小至零，使该层水流的动量发生突然变化，引起水流压强突然增大，水层压缩，密度增大，管壁膨胀。即流速为零的同时，压强升高Δp。 a v = 0 H0 p0 γ Δp γ A B v 0 但 dl 层