Кіріспе
Қысымның кенеттен өсуі – сұйықтықты күшпен тоқтату немесе бағытын күрт өзгерту кезінде туындайтын құбылыс, сумен жұмыс істейтін балға сияқты. Гидравликалық соққы (көне тілде: су балғасы, сұйық балғасы) – қозғалыстағы сұйықтықты тоқтатуға немесе бағытын өзгертуге мәжбүрлеген кезде пайда болатын қысым толқыны немесе импульстің өзгеруі. Бұл көбінесе сұйықтықта байқалады, бірақ газдарға да әсер ете алады. Бұл құбылыс әдетте құбыр жүйесінде клапан кенеттен жабылғанда және құбыр бойымен қысым толқыны тарағанда пайда болады. Бұл қысым толқыны шу мен дірілден бастап, құбырдың жарылуына немесе күйреуіне дейін түрлі проблемаларға әкелуі мүмкін. Аккумуляторлар, кеңейту ыдыстары, толқын ыдыстары, соққы клапандары және басқа да құрылғыларды пайдалану арқылы су балғасының импульстарының әсерін азайтуға болады. Клапандардың маңызды ағынмен тым жылдам жабылып қалмауын қамтамасыз ету арқылы осы құбылыстың алдын алуға болады, бірақ оны тудыруы мүмкін көптеген жағдайлар бар. Дәл есептеулер үшін Жуковский (Жуковский) теңдеуін немесе сипаттама әдісін қолдануға болады.
a hammer powered by water
Hydraulic shock (colloquial: water hammer; fluid hammer) is a pressure surge or wave caused when a fluid in motion is forced to stop or change direction suddenly; a momentum change. It is usually observed in a liquid but gases can also be affected. This phenomenon commonly occurs when a valve closes suddenly at an end of a pipeline system and a pressure wave propagates in the pipe. This pressure wave can cause major problems, from noise and vibration to pipe rupture or collapse. It is possible to reduce the effects of the water hammer pulses with accumulators, expansion tanks, surge tanks, blowoff valves, and other features. The effects can be avoided by ensuring that no valves will close too quickly with significant flow, but there are many situations that can cause the effect. Rough calculations can be made using the Zhukovsky (Joukowsky) equation, or more accurate ones using the method of characteristics.
Тарих
Б.з.б. 1 ғасырда Маркус Витрувий Полио Римдегі сумен қамтамасыз ету жүйесінің қорғасын құбырлары мен тас түтікшелерінде су соққысының әсерін сипаттады. Су соққысы деген сөз тумай тұрып-ақ қолданылған. 1238 жылы Гранаданың Насрид сұлтаны Ибн әл-Ахмар салған Альгамбра су көтеру үшін гидрамды пайдаланды. Дарро өзенінен арна арқылы толтырылған бірінші су қоймасынан су үлкен тік арна арқылы төменгі екінші су қоймасына құйылып, соққы тудырды, ол өз кезегінде суды әлдеқайда кіші түтік арқылы алты метрге дейін көтеріп, судың көп бөлігі екінші, сәл үлкен түтікке ағылды. 1772 жылы ағылшын Джон Уайтхерст Англияның Чешир қаласындағы үй үшін гидравликалық соққы құралын жасады. 1796 жылы француз өнертапқышы Жозеф Мишель Монголфиер (1740–1810) Войрон қаласындағы қағаз фабрикасына гидравликалық соққы құралын орнатты. Француз және итальян тілдерінде "су соққысы" термині гидравликалық соққы құралынан шыққан: coup de bélier (француз) және colpo d'ariete (итальян) екеуі де "соққының соққысы" дегенді білдіреді. 19 ғасырда қалалық сумен жабдықтау жүйелері орнатылғанда, су соққысы азаматтық инженерлердің назарына іліге бастады. Су соққысы қан айналымын зерттейтін физиологтарды да қызықтырды. Томас Янг бұл құбылысты алдын ала болжағанмен, оның тұжырымдамалары инженерлерге белгілі болмады. Кристің тұжырымдамалары кейіннен 1898 жылы орыс сұйықтық динамигі Николай Егорович Жуковский (1847–1921), 1898 жылы американдық инженер Жозеф Палмер Фризель (1832–1910) және 1902 жылы итальяндық инженер Лоренцо Алиеви (1856–1941) тәуелсіз түрде дәлелдеді.
Қарым-қатынас құбылыстары
Бу жүйесіндегі будың бір бөлігі құбырдың көлденең бөлігінде суға конденсацияланғанда бу балғасы пайда болуы мүмкін. Бу сұйық суды құбыр бойымен итеру арқылы "көпіршік" құрайды, ол клапанға немесе құбыр қосылысына соғылып, қатты соққы шуын және жоғары қысымды тудырады. Термиялық соққыдан туындаған конденсация салдарынан пайда болатын вакуум да бу балғасын тудыруы мүмкін. Бу балғасын азайту үшін еңісті құбырларды қолдану және бу тұзақтарын орнату қажет. Турбокомпрессорлы ішкі жану қозғалтқыштарында турбокомпрессор қозғалтқышқа ауа соғып жатқанда газ педалі жабылатын кезде "газ балғасы" пайда болуы мүмкін. Шок толқыны пайда болмайды, бірақ қысым тез арада зиянды деңгейге дейін өсуі немесе компрессордың секіруіне әкелуі мүмкін. Газ педалі алдына орналасқан қысымды төмендету клапаны ауаны газ корпусына қарсы секіруіне жол бермей, оны басқа бағытқа бұрып, турбокомпрессорды қысымнан зақымданудан қорғайды. Бұл клапан ауаны турбокомпрессордың сорғысына қайта жіберуі мүмкін (қайта айналым клапаны), немесе ауаны атмосфераға шығарып, турбокомпрессордың ерекше сызылу дыбысын тудыруы мүмкін (құбырдан шығару клапаны).
Импульстің шамасы
Су балғасы құбылысын зерттеген алғашқылардың бірі итальяндық инженер Лоренцо Алиеви болды. Су балғасын екі түрлі тәсілмен талдауға болады: сұйықтың сығымдалу қабілеті мен құбыр қабырғаларының серпімділігін ескермейтін қатаң бағана теориясы, немесе серпімділікті қамтитын толық талдау. Егер клапанның жабылу уақыты, қысым толқынының құбырдың бойымен таралу уақытынан ұзақ болса, онда қатаң бағана теориясы қолданылады; әйтпесе, серпімділікті ескеру қажет болуы мүмкін. Төменде ең жоғары қысымды есептеудің екі жуықтауы келтірілген: біреуі серпімділікті ескереді, бірақ клапанның бірден жабылатыны болжайды, ал екіншісі серпімділікті ескермейді, бірақ клапанның жабылуына белгілі бір уақыт берілген.
Динамикалық теңдеулер
Су балғасы құбылысын келесідей дербес дифференциалдық теңдеулерді шешу арқылы модельдеуге болады. Мұндағы V – құбыр ішіндегі сұйықтың жылдамдығы, ρ – сұйықтың тығыздығы, B – эквиваленттік көлемдік модулі, ал f – Дарси-Вайсбахтың үйкеліс коэффициенті.
Бағанның бөлінуі
Бағанның бөлінуі – су соққысы кезінде пайда болатын құбылыс. Егер құбыр ішіндегі қысым сұйықтың бу қысымынан төмен түссе, кавитация пайда болады (сұйықтың бір бөлігі буланып, құбыр ішінде көпіршіктер түзеді, қысымды бу қысымына жуық ұстап тұрады). Мұндай жағдай көбінесе жабық ұштарда, ең жоғары нүктелерде немесе иілімдерде (құбырдың еңістігінің өзгеруі) орын алады. Суытылған сұйық бұрын бумен толған кеңістікке аққанда, бу мен сұйық арасындағы жанасу ауданы ұлғаяды. Бұл будың сұйыққа конденсациялануына себеп болады, нәтижесінде бу кеңістігіндегі қысым төмендейді. Бу кеңістігінің екі жағындағы сұйық қысымның айырмашылығынан осы кеңістікке қарай үдеп, соқтығысады. Екі сұйық бағанының (немесе жабық ұш болған жағдайда бір сұйық бағанының) соқтығысуы қысымның күрт және дерлік бірден өсуіне алып келеді. Бұл қысымның өсуі гидравликалық жабдықтарға, жеке құбырларға және тіреу құрылымдарына зиян келтіруі мүмкін. Бір су соққысы кезінде қуыстардың пайда болуы мен күйреуі көп рет қайталанылуы мүмкін.