10有压管中的非恒定流.ppt
10 10 有压管中的非恒定流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。河道非恒定流在无压流及有压流中均可能产生。河道非恒定流在无压流及有压流中均可能产生。河道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中洪水的涨落，明渠中水闸的启闭都会使河渠中产生中洪水的涨落，明渠中水闸的启闭都会使河渠中产生中洪水的涨落，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非恒定流；水库水位上涨或下降通过有压泄水管的出非恒定流；水库水位上涨或下降通过有压泄水管的出非恒定流；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。流则属于有压非恒定出流。流则属于有压非恒定出流。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本章主要讨论有压管中一种重要的非恒定流本章主要讨论有压管中一种重要的非恒定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水击（或称水锤）。当有压管中的流速因某种外界原水击（或称水锤）。当有压管中的流速因某种外界原水击（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因而发生急剧变化时，将引起液体内部压强产生迅速因而发生急剧变化时，将引起液体内部压强产生迅速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。由于交替升降交替升降的现象，这种现象称为水击。由于交替升降交替升降的现象，这种现象称为水击。由于交替升降交替升降的现象，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，会发生的压强作用在管壁、阀门或其它管路元件上，会发生的压强作用在管壁、阀门或其它管路元件上，会发生的压强作用在管壁、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。强烈的锤击管壁的响声，故水击也称水锤。强烈的锤击管壁的响声，故水击也称水锤。强烈的锤击管壁的响声，故水击也称水锤。110.1阀门突然关闭时有压管道中的水击一、水击现象一、水击现象略去水头损失及流速水头，认为恒定流时管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路中测压管水头线与静水头线M-M相重合。设在相重合。设在恒定流的条件下，管中平均流速为恒定流的条件下，管中平均流速为，压强为，压强为，当阀门突然关闭时。，当阀门突然关闭时。2 几个概念几个概念水水击击波：波：阀门阀门关关闭闭(开启）开启）产产生的一种生的一种扰动扰动,随管壁随管壁压压强强增大（或减少）不断增大（或减少）不断传传播，播，这这种种扰动扰动波称波称为为水水击击波波。水击波传播速度：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，流速突变处位置随时间向上或下游的推进速度，用用a表示表示31 1、阀门突然关闭水击的第一阶段、阀门突然关闭水击的第一阶段 n n设水击波的传播速度为设水击波的传播速度为a a，由于忽略摩阻影响，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。故水击波速在传播过程中速度大小保持不变。已知管长为已知管长为L L，则阀门处产生的水击波由，则阀门处产生的水击波由A A端传端传到到B B端所要的时间为端所要的时间为，时段，时段称为称为水击波传播的第一阶段。第一个阶段的特点：水击波传播的第一阶段。第一个阶段的特点：4av0H0 p0 pAB阀门突然关闭，紧靠阀门处的微小液层立即停止阀门突然关闭，紧靠阀门处的微小液层立即停止流动，流动，流速突然减小至零，使该层水流的动量发生突流速突然减小至零，使该层水流的动量发生突然变化然变化，引起，引起水流压强突然增大，水层压缩，密度增水流压强突然增大，水层压缩，密度增大，管壁膨胀大，管壁膨胀。即流速为零的同时，压强升高。即流速为零的同时，压强升高p。5av=0H0 p0 pABv 0但但dl 层上游液体未停止流动，层上游液体未停止流动，仍以速度仍以速度v0向向前流动。当碰到静止液层时，也象碰到阀门一样速前流动。当碰到静止液层时，也象碰到阀门一样速度立即变为零，压强升高度立即变为零，压强升高p，液体压缩，管壁膨胀。，液体压缩，管壁膨胀。6av=0H0 p0 pAB这样一层接一层地将阀门关闭的影响向上游传播，直至传到水这样一层接一层地将阀门关闭的影响向上游传播，直至传到水库为止。此时整个管路流速为零，压强升高库为止。此时整个管路流速为零，压强升高pp ，液体被压缩，液体被压缩，管壁发生膨胀。此时管壁发生膨胀。此时B B断面左右压力不平衡：管道入口处压强始终断面左右压力不平衡：管道入口处压强始终保持恒定流时的压强（水库面积很大，库水位不会升高。即保持恒定流时的压强（水库面积很大，库水位不会升高。即B处左处左侧侧:压强为压强为p0,B断面右侧压强断面右侧压强为为，在这一压差作用下，在这一压差作用下，水体转而由管道向水库方向流动，开始了第二阶段的传播水体转而由管道向水库方向流动，开始了第二阶段的传播。7液体压缩液体压缩管壁膨胀管壁膨胀1阶段末液体阶段末液体和管壁状态和管壁状态压强压强流速变化流速变化水击波水击波传播方向传播方向流流向向时时程程阶段阶段增压逆波 8av=0H0 p0 pABv0B 断面开始断面开始,水体产生反向流速水体产生反向流速-vo原因：第一阶段压强增量原因：第一阶段压强增量是由流速差是由流速差产生的，产生的，根据动量守恒原理，在同样根据动量守恒原理，在同样作用下所产生的作用下所产生的流速也应等于流速也应等于vo，但方向相反。，但方向相反。2、阀门突然关闭水击的第二阶段、阀门突然关闭水击的第二阶段9H0 p0ABv 0当当时时，水，水击击波到达波到达阀门阀门断面，断面，结结束了水束了水击发击发展的第二展的第二阶阶段段,此此时时整个管整个管路中的路中的压压强强恢复到恢复到,水体水体和管壁也恢复至常和管壁也恢复至常态态，但整个管中的液体仍以，但整个管中的液体仍以流流动动，有脱离有脱离阀门阀门断面的断面的趋势趋势，与，与阀门阀门关关闭闭要求流速要求流速为为零的条件零的条件不一致，不一致，这这就开始了水就开始了水击击波波传传播的第三个播的第三个阶阶段。段。10恢复正常恢复正常恢复正常恢复正常 2阶段末液体阶段末液体和管壁状态和管壁状态压强压强流速变化流速变化水击波水击波传播方向传播方向流流向向时时程程阶段阶段减压顺波 11av0H0 p0AB pv=0为使水流适应闸门处流速等于零的要求，水流压强为使水流适应闸门处流速等于零的要求，水流压强必须降低。必须降低。3、阀门突然关闭水击的第三阶段、阀门突然关闭水击的第三阶段12av0H0 p0AB pv=0紧邻阀门断面流速变为零，压强降低，液体膨胀，紧邻阀门断面流速变为零，压强降低，液体膨胀，密度减小，管壁收缩，流动随即停止。密度减小，管壁收缩，流动随即停止。v=-v0txv=0p0p0+pt+t mv=Ft0-(-mv0)=-pAtp v，可略去，则，可略去，则32将水击压强计算公式将水击压强计算公式代入上代入上式，并取极限可得水击波传播速度公式：式，并取极限可得水击波传播速度公式：式中，式中，反映液体的压缩性，由液体物理性质，则反映液体的压缩性，由液体物理性质，则反映管壁弹性反映管壁弹性33设管道直径为设管道直径为D，由于压强增加由于压强增加dp，管径增加，管径增加dD，则则pDTT电站引水钢管电站引水钢管 p34根据虎克定律，直径相对变形根据虎克定律，直径相对变形dD与管壁应力增量与管壁应力增量d 关系关系式中，式中，E 为管壁材料的弹性系数为管壁材料的弹性系数。由平衡方程可求出（见例由平衡方程可求出（见例1.12）壁厚）壁厚 的均质薄壁圆的均质薄壁圆管拉应力管拉应力为为代入上式可得代入上式可得 35由上式可见，水击波传播速度与液体的体积弹性模量、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代入上式可求得均质薄壁圆管水击波速计算公式36当管道为绝对刚体当管道为绝对刚体,即即E=时，时，a 最大，以最大，以a0表示，则表示，则式中，式中，a0为不受管壁材料影响时水击波的传播速度为不受管壁材料影响时水击波的传播速度当水温当水温10、压强为、压强为125个大气压时，个大气压时，a0=1435m/s37当引水管为非均质材料，如钢筋混凝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，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相应计算公式可查阅有关文献。注注意意3810.2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39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。40（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。41
