Неустановившееся движение жидкости. Гидравлический удар в трубопроводах. Тема № 11.2

1.

МЧС РОССИИ
Сибирская пожарно-спасательная
академия
Кафедра пожарной и аварийно-спасательной техники
Практическое занятие 11
Тема № 11.2
«Неустановившееся движение жидкости.
Гидравлический удар в трубопроводах»

2. ЛИТЕРАТУРА

ОСНОВНАЯ:
1. Ю.Г. Абросимов, В.В. Жучков, Е.Н. Болдырев, А.А.
Пименов, Ю.Л. Карасев ГИДРАВЛИКА: учебник:
Академия ГПС МЧС России, Москва 2017 − 312 с.
Гриф: Допущено МЧС России в качестве учебника для
курсантов, студентов и слушателей образовательных
организаций МЧС России
Режим доступа: Электронная Библиотека МЧС России
2.Гидравлика: Учеб. Пособие/В.А. Кудинов,
Э.М.Карташов 3-е изд., стер.- М.: Высшая
школа, 2008. 199 с
3.Сборник задач по курсу гидравлики с
решениями: Учеб.пособие для ВУЗов / В.Н.
Метревели.- 2-е изд., стер.-М.: Высш. Шк.,2008.192 с.

3. ЛИТЕРАТУРА

ОСНОВНАЯ:
4. Ю.Г. Баскин, В.В. Подмарков, Е.С. Иванова, А.М.
Филановский / СБОРНИК ЗАДАЧ по гидравлике. / СПб.:
Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2015.
5. В.П. Малый ПРАКТИКУМ ПО ГИДРАВЛИ-КЕ: Учебное
пособие / Малый В.П., Масаев В.Н. − Железногорск: ФГБОУ ВО
СПСА ГПС МЧС России, 2017. − 121 с. –
Режим доступа: http://znanium.com/catalog/product/912712
6. Малашкина Валентина Александровна ГИДРАВЛИКА.
Учебное пособие для проведения практических занятий и
самостоятельной работы студентов / Малашкина В.А., − 2-е
изд., стер. − М.: Горная книга, 2012. − 102 с.: ISBN 978-5-98672127-9 - Режим доступа: http://znanium.com/catalog/product/994442

4. ЛИТЕРАТУРА

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ :
1. Юдаев Василий Федорович ГИДРАВЛИКА: учеб. пособие /
В.Ф. Юдаев. − М.: ИНФРА-М, 2018. − 301 с. − (Высшее
образование: Бакалавриат). –
www.dx.doi.org/10.12737/textbook_58eb3186a6c224.2782521.
− Режим доступа: http://znanium.com/catalog/product/967866
2. Карама Е.А. «ГИДРАВЛИКА В ПОЖАРНОМ ДЕЛЕ»:
Учебное пособие. – Екатеринбург: УрИ ГПС МЧС России, 2012.
− 113 с.
3. Плаксицкий А.Б., Кочегаров А.В., Конорев Д.В.
СПРАВОЧНИК ПО ГИДРАВЛИКЕ.
Издательство ФГБОУ ВО ВИ ГПС МЧС России, Воронеж 2017
г.

5. УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ:

ЧАСТЬ 1
1. Особенности уравнения Бернулли для
неустановившегося движения жидкости.
Инерционный напор.
2. Виды гидравлического удара, его
характеристики.
3. Способы снижения гидравлического
удара.
ЧАСТЬ 2
4. Контрольные вопросы
5. Тестирование
6. Решение задач

6.

1. ОСОБЕННОСТИ УРАВНЕНИЯ БЕРНУЛЛИ
НЕУСТАНОВИВШЕГОСЯ ДВИЖЕНИЯ
ДЛЯ
Неустановившееся (нестационарное)
движение жидкости - при котором
скорость, давление, расход в отдельных
точках пространства движущейся
жидкости с течением времени
изменяется:
V
0
t
Р
0
t
Q
0
t

7.

Уравнение Бернулли для неустановившегося
движения можно получить из уравнения Эйлера
для элементарной струйки идеальной жидкости

8.

Пример неустановившегося движения
жидкости –
напорное движение в трубопроводе или
пожарном рукаве
с учетом следующих допущений:
- стенки напорного трубопровода являются
жесткими (не деформируются при
изменении давления) ω = f(s);
- жидкость, движущаяся в трубе, является
несжимаемой Q = f(s);

9.

С учетом того, что
уравнение Эйлера можно записать так:
или
Последний член уравнения – ускорение
частиц жидкости (сила инерции единицы массы
жидкости).

10.

Умножая уравнение на ds и интегрируя его для данного
момента времени (t = const) по координате S:
от сечения с координатой s1 до сечения элементарной
струйки с координатой s2, получим уравнение Бернулли
для идеальной жидкости с дополнительным членом:
или
инерционный НАПОР:

11.

Отличие от установившегося движения:
члены уравнения Бернулли для
неустановившегося движения жидкости
представляют сумму напоров:
- геометрического,
- пьезометрического,
- скоростного
- ИНЕРЦИОННОГО
..
Уравнение Бернулли относится к некоторому
определенному моменту времени, поэтому все члены
уравнения должны вычисляться для одного и того же
момента времени.

12.

Уравнение Бернулли
для потока реальной жидкости :
Инерционный напор:
0,1,2— коэффициенты кинетической энергии (1,02 1,16).
0
v
2
d
V 2
- инерционный напор;

13.

Отметим, что
если
УСКОРЕНИЕ ( V/ ) постоянно на
всех отрезках (l = s2 - s1) и равно «а»,
то выражение для инерционного
напора можно существенно
упростить:
(11.6)

14. Виды гидравлического удара, его характеристики.

14

15.

Гидравлический удар –
вид неустановившегося движения,
возникающий вследствие быстрого закрытия
или открытия задвижки или иного устройства
управления потоком.
При гидравлическом ударе давление в
трубопроводе может значительно изменяться
благодаря изменению во времени скорости
движения жидкости.
На характер гидравлического удара влияют:
- сжимаемость
жидкости;
- деформируемость стенок трубопровода.

16.

Характеристики
ГИДРАВЛИЧЕСКОГО УДАРА
1) Приращение давления « р»
(положительное или
отрицательное),
2) Скорость «с» распространения
возмущений (скорость
распространения ударной волны).

17.

Если при движении жидкости до закрытия
крана жидкость обладала некоторой скоростью
Vo, то при внезапном закрытии крана она
остановится: V=0 .
За бесконечно малый промежуток времени d
после мгновенного закрытия крана
остановится ближайший к задвижке слой
бесконечно малой толщины ds.
С

18.

При этом стенки трубы растягиваются,
а жидкость сжимается в соответствии с
повышением давления р.
Если до закрытия крана давление у него
было р0, то после закрытия оно будет
равно: р0 + р.
С

19.

В течение следующего промежутка времени d
остановится ближайший к первому второй слой
толщиной ds, давление в котором также
возрастет до (p0+ ∆р) с распространением
против течения в виде волны повышения
давления с некоторой скоростью «с».
с

20.

Если l — длина трубопровода,
то по истечении времени t = l/с остановится
последний слой жидкости и
вся жидкость будет находиться в сжатом
состоянии

21.

повышение давления
при гидравлическом ударе:
с
t = d

22. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ явления гидравлического удара

Скорость распространения
ударной волны в трубопроводе при
температуре воды 20°
1435 – скорость звука в воде;
d - диаметр трубопровода,мм
- толщина стенок трубопровода, мм
К - модуль объемной упругости жидкости;
Е - модуль упругости материала стенок
трубопровода
(для воды Кводы = 19,6 108 Па )
(для стали Ест = 21,2 1010 Па )

23.

ФАЗА удара –
время, в течение
которого около крана
сохраняется повышенное давление
(р0+ р), а ударная волна доходит
до конца трубопровода и
возвращается уже как отраженная
волна

24. Виды гидравлического удара

Гидравлический удар называется прямым
(полным), если
время закрытия регулирующего
устройства (крана, задвижки, клапана и
т.д.) меньше фазы удара tз < tф = 2l /c.
Гидравлический удар называется
непрямым (неполным), если
время закрытия крана: t3 > tф = 2l/с

25.

Повышение давления при прямом
гидравлическом ударе:
р = ρV0c
Повышение давления при непрямом
гидравлическом ударе:
р = ρV0c (tф /tз)

26.

Гидравлический удар будет сильнее
1.в трубах малого диаметра;
2.в длинных трубопроводах;
3.в трубах, выполненных из
материалов с высоким
модулем упругости.
с

27. Способы снижения гидравлического удара.

Способы снижения
гидравлического удара
.
- применять запорную арматуру с медленным
закрыванием,
- устанавливать на трубах предохранительные
(противоударные) клапаны и воздушные колпаки
(снижение давления за счет амортизации
повышенного давления жидкости сжатым
воздухом).
- не допускать предельных скоростей движения
жидкости,
- устанавливать уравнительные резервуары, в
которые сбрасывается некоторое количество
воды для снижения добавочного давления в
трубах.

28. Контрольные вопросы

1. Какое движение жидкости
называется неустановившемся.
2. Какие допущения для
применения уравнения Бернулли
к неустановившемуся движению.
3. Какая сила отличает
неустановившееся движение.
4. Что такое инерционный напор.
28

29. Контрольные вопросы

5. Физическая сущность гидравлического
удара.
6. Какие параметры характеризуют
гидравлический удар.
7. Что такое фаза удара. Какова ее
размерность.
8. Назовите виды удара. В чем их отличия.
9. Как влияет диаметр, длина, материал
стенок труб на силу гидравлического удара.
10. Назовите способы снижения
гидравлического удара.
29

30.

Тестирование
1. Какая сила отличает неустановившееся движение:
а) сила давления;
б) сила инерции;
в) сила трения;
г) сила сопротивления.
2. Чем отличается уравнение Бернулли для
неустановившегося движения:
а) пьезометрическим напором;
б) скоростным напором;
в) потерями напора;
г) инерционным напором.

31.

Тестирование
3. Единицы измерения фазы гидравлического удара:
а) секунда;
б) метр;
в) паскаль;
г) ньютон.
4. В каких трубах гидравлический удар сильнее:
а) большого диаметра;
б) малого диаметра;
в) коротких трубах;
г) с малым модулем упругости материала.

32.

Тестирование
5. Какой принцип заложен в методе
предотвращения гидроудара:
а) увеличение давления в начале
трубы;
б) увеличение скорости перед краном;
в) создание кавитации в трубе;
г) недопущение предельных скоростей
и давления.

33.

Решение задач

34.

Задача № 1
По стальной трубе диаметром d = 500 мм и
толщиной стенок 10 мм подается воды со
скоростью V = 2,5 м/с.
Пьезометрический напор перед открытой
задвижкой равен 40 м.
Определить повышение давления при
быстром закрытии задвижки р и
полный напор Н
34 из 51

35. Задача № 2

Определить величину повышения
давленния в трубопроводе р в
результате внезапного закрытия
задвижки. Трубопровод d = 300 мм из
стальных труб с толщиной стенок 10 мм
имеет длину l = 8000 м. Скорость
движения воды в трубопроводе перед
ударом v = 3м/с

36. Задача № 3

Определить величину избыточного
давления при гидравлическом ударе в
начале магистральной линии длиной
l = 300 м, состоящей из прорезиненных
рукавов диаметром d = 11 мм при расходе
воды Q =15 л/с. Время перекрывания
воды составляет tз = 5с. Скорость
распространения ударной волны с = 300
м/с Напор в начале рукавной линии 40 м

37. Задача № 4

Определить повышение давления перед
задвижкой при ее закрывании в конце системы
последовательно соединенных стальных труб,
если время закрытия tз = 0,2 с. Расход воды Q =
0,02 м3/c , диаметры труб: d1 = 0,2 м, d2 = 0,1 м,
длины: l1 = 100 м, l2 = 200 м. Определить
наименьшее время закрывания
задвижки, исключающее прямой
гидравлический удар. Толщина стенок
труб 5 мм. Т воды 20 град.(рис.след.слайд)

38. Иллюстрация задачи № 4

38

39. Задача № 5 по вариантам

Определить повышение давления
в трубе длиной l, диаметром d и
толщиной стенок при
гидравлическом ударе, если расход
воды Q,
Ет = 200000000000 па,
Еж = 2000000000 па. Время
закрытия задвижки на трубе tз
39

40. Методические указания

Определяется вид гидравлического
удара, сравнивая фазу удара tф и время
закрытия задвижки tз.
Если удар прямой: р = ρV0c;
Если удар непрямой: р = ρV0c (tф /tз).
Скорость распространения ударной
волны:
40

41.

Предпос
Послед-
ледняя
цифра
L, м
d, м
δ, мм
номера
няя
цифра
t з, с
Q,л/с
номера
1
500
0,2
5,0
1
55
6,1
2
450
0,15
5,6
2
35
5,0
3
400
0,1
4,3
3
25
4,0
4
300
0,15
2,9
4
10
3,5
5
700
0,25
4,8
5
15
3,0
6
600
0,3
3,3
6
20
2,4
7
550
0,35
2,1
7
30
6,0
8
900
0,4
4,9
8
40
3,7
9
200
0,2
3,7
9
50
4,0
0
650
0,15
2,8
0
60
41
2,8

42.

Министерство Российской Федерации
по делам гражданской обороны,
чрезвычайным ситуациям и ликвидации
последствий стихийных бедствий
Сибирская пожарноспасательная академия
Кафедра аварийной и пожарноспасательной техники
Спасибо за внимание