Введение

Всплеск давления, возникающий при резкой остановке или изменении направления потока жидкости – молот, приводимый в действие водой.

Гидравлический удар (в разговорной речи: водяной удар; удар жидкости) – это скачок давления или волна, вызванная резкой остановкой или изменением направления движущейся жидкости; изменением импульса. Обычно это наблюдается в жидкостях, но газы также могут быть подвержены этому явлению. Чаще всего это происходит при внезапном закрытии клапана в конце трубопроводной системы, что приводит к распространению волны давления по трубе. Эта волна давления может вызывать серьезные проблемы, от шума и вибрации до разрыва или разрушения трубопровода. Снизить воздействие импульсов гидравлического удара можно с помощью аккумуляторов, расширительных баков, гидропневматических баков, предохранительных клапанов и других устройств. Предотвратить возникновение этого эффекта можно, обеспечив, чтобы клапаны не закрывались слишком быстро при значительном расходе, однако существует множество ситуаций, которые могут его спровоцировать. Предварительные расчеты можно выполнить с использованием уравнения Жуковского (Джуковского), а более точные – методом характеристик.

История

В I веке до н.э. Марк Витрувий Полио описал эффект водяного удара в свинцовых трубах и каменных водоводах римского общественного водоснабжения. Водяной удар использовался еще до того, как у него появилось название. Альгамбра, построенная гранадским султаном Ибн аль-Ахмаром, начиная с 1238 года, использовала гидравлический таран для подъема воды. Через первый резервуар, наполняемый каналом из реки Дарро, вода выливалась через большой вертикальный канал во второй резервуар, расположенный ниже, создавая водоворот, который, в свою очередь, проталкивал воду через гораздо более узкую трубу на высоту шесть метров, в то время как большая часть воды стекала во вторую, немного более широкую трубу. В 1772 году англичанин Джон Уайтхерст построил гидравлический таран для дома в Чешире, Англия. В 1796 году французский изобретатель Жозеф Мишель Монгольфье (1740–1810) построил гидравлический таран для своей бумажной фабрики в Войроне. Во французском и итальянском языках термины для обозначения "водяного удара" происходят от гидравлического тарана: coup de bélier (французский) и colpo d'ariete (итальянский) оба означают "удар тараном". С развитием муниципальных водопроводов в XIX веке водяной удар стал вызывать опасения у инженеров-строителей. Водяной удар также заинтересовал физиологов, изучавших систему кровообращения. Хотя его работы предвосхитил Томас Янг, его открытия остались незамеченными инженерами-строителями. Выводы Криса впоследствии были независимо получены в 1898 году российским гидродинамиком Николаем Егоровичем Жуковским (1847–1921), в 1898 году американским инженером-строителем Джозефом Палмером Фризелем (1832–1910) и в 1902 году итальянским инженером Лоренцо Алиеви (1856–1941).

Связанные явления

Паровой удар может возникать в паровых системах, когда часть пара конденсируется в воду в горизонтальном участке трубопровода. Пар, проталкивающий жидкую воду по трубе, образует "засор", который ударяет по клапану или фитингу, создавая громкий стук и высокое давление. Вакуум, вызванный конденсацией при тепловом ударе, также может спровоцировать паровой удар. Чтобы минимизировать паровой удар, следует использовать трубы с уклоном и устанавливать паровые ловушки. На турбонаддувных двигателях внутреннего сгорания "газовый удар" может произойти при закрытии дроссельной заслонки, когда турбокомпрессор нагнетает воздух в двигатель. Ударной волны не возникает, но давление может быстро возрасти до опасного уровня или вызвать скачок давления компрессора. Предохранительный клапан, установленный перед дроссельной заслонкой, предотвращает напор воздуха на корпус дросселя, направляя его в другое место и тем самым защищая турбокомпрессор от повреждений, вызванных давлением. Этот клапан может либо рециркулировать воздух обратно во впуск турбокомпрессора (рециркуляционный клапан), либо выпускать воздух в атмосферу, создавая характерный свистящий звук и трепет, свойственный тюнингованным турбокомпрессорам (клапан сброса давления).

Величина импульса

Одним из первых, кто успешно исследовал проблему водяного удара, был итальянский инженер Лоренцо Алиеви. Водяной удар можно анализировать двумя различными подходами: теорией жесткого водяного столба, которая не учитывает сжимаемость жидкости и упругость стенок трубы, или полным анализом, включающим упругость. Если время закрытия клапана велико по сравнению со временем распространения волны давления по длине трубы, то теория жесткого водяного столба является подходящей; в противном случае необходимо учитывать упругость. Ниже приведены два приближения для максимального давления: одно, учитывающее упругость, но предполагающее мгновенное закрытие клапана, и второе, пренебрегающее упругостью, но учитывающее конечное время закрытия клапана.

Динамические уравнения

Эффект водяного удара может быть смоделирован путем решения следующих частных дифференциальных уравнений, где V – скорость жидкости внутри трубы, ρ – плотность жидкости, B – эквивалентный объемный модуль упругости, а f – коэффициент трения Дарси — Вейсбаха.

Разделение колонн

Разделение колонн жидкости – это явление, которое может возникать при гидроударе. Если давление в трубопроводе падает ниже давления насыщенного пара жидкости, происходит кавитация (часть жидкости испаряется, образуя пузырь в трубопроводе и поддерживая давление близким к давлению пара). Наиболее вероятно это происходит в определенных местах, таких как закрытые концы, верхние точки или изгибы (изменения уклона трубы). Когда переохлажденная жидкость устремляется в пространство, ранее занятое паром, площадь контакта между паром и жидкостью увеличивается. Это приводит к конденсации пара в жидкость, что снижает давление в паровом пространстве. Жидкость с обеих сторон парового пространства затем ускоряется в это пространство под действием разности давлений. Столкновение двух столбов жидкости (или одного столба жидкости, если это закрытый конец) вызывает резкий и почти мгновенный скачок давления. Этот скачок давления может повредить гидравлическое оборудование, отдельные трубы и опорные конструкции. В течение одного гидроудара может произойти множество повторений образования и схлопывания кавитационных полостей.