水力學(xué)教學(xué)輔導(dǎo)

1、水力學(xué)教學(xué)輔導(dǎo)第九章 有壓管道中的水流運動【教學(xué)基本要求】了解有壓管道中的水擊現(xiàn)象和水擊傳播過程，能進(jìn)行水擊分類和直接水擊壓強(qiáng)計算。【內(nèi)容提要和學(xué)習(xí)指導(dǎo)】9.1有壓管道中的水擊（1）水擊現(xiàn)象水擊是有壓管道中的非恒定流現(xiàn)象。當(dāng)有壓管道中的伐門突然開啟、關(guān)閉或水泵因故突然停止工作，使水流流速急劇變化，引起管內(nèi)壓強(qiáng)發(fā)生大幅度交替升降。這種變化以一定的速度向上游或下游傳播，并且在邊界上發(fā)生反射，這種水流現(xiàn)象叫作水擊，交替升降的壓強(qiáng)稱為水擊壓強(qiáng)。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)象的實質(zhì)上是由于管道內(nèi)水體流速的改變，導(dǎo)致水體的動量發(fā)生急劇改變而引起作用力變化的結(jié)果。 （2）水擊波的傳

2、播和水擊波速水擊是以壓力波的形式在有限的管道邊界內(nèi)進(jìn)行傳播和反射的。水擊波的傳播分為四個階段，從伐門突然開啟或關(guān)閉，使水流流速改變產(chǎn)生水擊波，這是水擊的第一個階段，也是直接波。水擊波所到之處，管道內(nèi)的流速和壓強(qiáng)也隨之發(fā)生變化。當(dāng)水擊波傳播到水庫或水池或者回到伐門處，水擊波將產(chǎn)生反射，這種反射的水擊波稱為間接波。當(dāng)水擊波傳播到水庫或水池，水擊波將發(fā)生反射，這種反射波是等值異號反射，即入射的是增壓波，反射將減壓波，反之亦然。水擊波傳播到閥門處將產(chǎn)生等值同號反射，即入射的是增（減）壓波，反射的也是增（減）壓波。由于摩擦阻力的作用，水擊波在管道內(nèi)的傳播將逐漸衰減，最后達(dá)到平衡狀態(tài)。水擊波在閥門和水庫之

3、間往返一次所需的時間 ，稱為一個相長。往返兩次的時間 稱為一個周期。式中a為水擊波的波速，L為管道的長度。 水擊波傳播過程的物理特性見表53。表53 水擊過程的物理特性階段時段流速變化流速方向壓強(qiáng)變化水擊波傳播方向運動狀態(tài)液體狀態(tài)一水庫閥門即BA增高閥門水庫即AB減速增壓壓縮二閥門水庫即AB恢復(fù)原狀水庫閥門即BA減速減壓恢復(fù)原狀三閥門水庫即AB降低閥門水庫即AB增速減壓膨脹四水庫閥門即BA恢復(fù)原狀水庫閥門即BA增速增壓恢復(fù)原狀在彈性管道中水擊波的傳播速度為； （m/s） （516）式中：k水的彈性體積系數(shù)，約為19.6×108N/m2； E管道材料的彈性系數(shù)，鋼管為19.6×

4、;1010N/m2； D管徑； 管壁厚度。當(dāng) 時，水擊波速約為c =1000 m/s。（3）水擊的分類根據(jù)閘門關(guān)閉（或開啟）的時間Ts與相長T的比值，我們把水擊分為兩類： 直接水擊：閘門關(guān)閉（或開啟）的時間TsT（相長），即從水庫反射的減（增）壓波尚沒有到達(dá)閥門處時，閥門已經(jīng)關(guān)閉（開啟）完畢，閥門處已達(dá)最大（?。┧畵魤簭?qiáng)。 間接水擊：指閘門關(guān)閉（或開啟）的時間TsT（相長），即從水庫反射的減（增）壓波已到達(dá)閥門處，閥門尚未關(guān)（開）完畢，使閥門處水擊壓強(qiáng)不能再升高（降低）到最大（?。?。 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)，在實際工程中應(yīng)盡可能采取措施，避免產(chǎn)生直接水擊破壞。（4）直接

5、水擊壓強(qiáng)計算公式 p=c(V0-V) （517）用水柱表示 （518） 式中：c是水擊波速，v0是管內(nèi)原來流速，v是閥門啟閉后的流速。算例請閱讀教材例59。（5）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)閉的時間Ts；3） 由于水工建筑物布置的條件所限制，當(dāng)壓力管道的長度不能改變，可以在靠近閥門的地方修建調(diào)壓井，縮小水擊壓強(qiáng)影響的范圍，減小水擊壓強(qiáng)值。（6）間接水擊壓強(qiáng)的計算，可根據(jù)水擊非恒定流微分方程建立的水擊連鎖方程求解。9.2 非恒定流微分方程9.3 水擊連鎖方程及其求解【思 考 題】 91 水擊現(xiàn)象是怎樣產(chǎn)生的？水擊在傳播過程中有什么特征？ 92 什么是直接水

6、擊和間接水擊？直接水擊壓強(qiáng)如何計算？【解 題 指 導(dǎo)】例題91 有一水電站引水鋼管，管長l = 2000 m，管徑D = 500 mm，管壁厚度= 10 mm， 水的彈性系數(shù)為K = 19.6×10 8 N /m2，鋼管的彈性系數(shù)為E = 19.6×1010 N/m2 。試求：（1）2秒內(nèi)水流的流速從3 m/s 減小到1m/s時的水擊壓強(qiáng)；（2）在3秒內(nèi)閥門全部關(guān)閉時的水擊壓強(qiáng)。解：水擊波的波速為 m/s 相長為 s（1） 流速從3 m/s 減小到1m/s的時間Ts= 2 s Ts= 2 sT= 3.41s水擊為直接水擊，水擊壓強(qiáng)為 mH2O p =H = 9800×358.