水击的原理是什么
1.水击的产生和传播
在有压管路中流动的液体,当考虑流体的压缩性和管壁的变形时,由于某种外界原因(如阀门突然关闭、水泵或水轮机组突然停车等),使得液体流速发生突然变化,并由于液体的惯性作用,引起压强急剧升高和降低的交替变体,即水击。 升压和降压交替进行时,对于管壁和阀门的作用如同锤击一样,因此水击也称为水锤。
实验时,先全关闭调压筒截止阀10和扬水机截止阀4,触发起动水击发生阀11。当水流通过阀11时,水的冲击力使阀11上移关闭而快速截止水流,因而在供水管9的末端首先产生最大的水击升压,并使水击室13同时承受到这一水击压强。 水击升压以水击波的形式迅速沿着压力管道向上游传播,到达进口以...全部
1.水击的产生和传播
在有压管路中流动的液体,当考虑流体的压缩性和管壁的变形时,由于某种外界原因(如阀门突然关闭、水泵或水轮机组突然停车等),使得液体流速发生突然变化,并由于液体的惯性作用,引起压强急剧升高和降低的交替变体,即水击。
升压和降压交替进行时,对于管壁和阀门的作用如同锤击一样,因此水击也称为水锤。
实验时,先全关闭调压筒截止阀10和扬水机截止阀4,触发起动水击发生阀11。当水流通过阀11时,水的冲击力使阀11上移关闭而快速截止水流,因而在供水管9的末端首先产生最大的水击升压,并使水击室13同时承受到这一水击压强。
水击升压以水击波的形式迅速沿着压力管道向上游传播,到达进口以后,由进口反射回来一个减压波,使供水管9末端和水击室13内产生负的水击压强。
水击实验仪通过阀11和12的动作过程观察到水击波的来回传播变化现象。
即阀11关闭,产生水击升压,使逆止阀12克服压力室5的压力而瞬时开启,水也随即注入压力室内,并可看到压力表3随着产生压力波动。然后,在进口传来的负水击作用下,水击室13压强低于压力室5,使逆止阀12关闭,同时,负水击又使阀11下移而开启。
这一动作过程既能观察到水击波的传播变化现象,又能使本实验仪保持往复的自动工作状态,即当阀11再次开启后,水流又经阀孔流出,回复到初始工作状态。这样周而复始,阀11不断地开启、关闭,水击现象也就不断地重复发生。
2.水击压强的定量观测
水击现象造成的压强升高,轻微时引起噪声和管路振动;严重时可导致管路的爆裂。由于水击的作用时间短、升压大,通常需用复杂而昂贵的电测系统作瞬态测量,而本仪器用简便的方法可直接地量测出水击升压值。
此法的测压系统是由逆止阀12,压力室5和气压表3组成。阀11每一开一闭都产生一次水击升压,由于作用水头、管道特性和阀的开度均相同,故每次水击升压值相同。每当水击波往返一次,都将向压力室5内注入一定水量,因而压力室内的压力随着水量的增加而不断累加,一直到其值达到与最大水击压强相等时,逆止阀12才打不开,水流也不再注入压力室5,压力室内的压力也就不再增高。
这时,可从连接于压力空腔的压力表3测量压力室5中的压强,此压强即为阀11关闭时产生的最大水击压强,这一测量原理可用一个日常生活例子来加深理解:如用气筒以每次3 kgf/cm2的压强向轮胎内打气,显然,只有反复多次地打,轮胎内的压强方可达到且只能达到3 kgf/cm2。
水击实验仪工作水头为25 cm水柱左右,气压表显示的水击压强值 最大可达300mm汞柱(408 cm水柱)以上,即达到16倍以上的工作水头。这表明水击有可能造成工程破坏。
3.水击的利用—水击扬水原理
水击现象一般是有害的,但在适当的条件下,也可以变害为利,水击扬水机就是利用水击原理设计的一种无动力扬水设备。
水击扬水机由实验装置图中的恒压水箱、供水管、水击室、水击发生阀、逆止阀、压力室、扬水机截止阀、扬水机出水管等部件组成。
水击发生阀11每关闭一次,在水击室13内就产生一次水击升压,逆止阀12随之被瞬时开启,部分高压水被注入压力室5,当扬水机截止阀4开启时,压力室的水便经出水管2流向高处。
由于阀11的不断动作,水击连续多次发生,水流也不断地注入压力室,因而便源源不断地把水提升到高处。水击实验仪扬水高度约 37cm,即达到恒压供水箱的液面约1。5倍的作用水头。
水击扬水机虽然能使水流从低处流向高处,但它仍然遵循能量守恒规律。
扬水提升的水量仅仅是流过供水管的一部分,另一部分水量通过水击发生阀11的阀孔流出了水击室。正是这后一部分水量把自身具有势能(其值等于供水箱液面到阀11出口处的高差),以动量传输的方式,提供给扬水机扬水。
由于水击的升压可达十几倍的作用水头,因而若提高扬水机的出水管2的高度,水击扬水机的扬程也可相应提高,但出水量会随着高度的增加而减小。
4.水击危害的消除—调压筒(井)工作原理
水击有可利用的一面,但更多的是它对工程具有危害性的一面。
例如水击有可能使输水管爆裂。为了消除水击的危害,常在阀门附近设置减压阀或调压筒(井)、气压室等设施。本实验仪器由调压筒截止阀10和调压筒6组成水击消减装置。
实验时全关扬水机截止阀4、全开调压筒截止阀10。
然后手动控制水击发生阀11的开与闭。由气压表3可见,此时,水击升压最大值约为120mm汞柱,其值仅为阀10关闭时的峰值的约1/3。同时,该装置还能演示调压系统中的水位波动现象。当阀11开启时,调压筒中水位低于供水箱水位(以下称库水位),而当阀11突然关闭时,调压筒中的水位很快涌高且超过库水位,并出现和竖立U形水管中水体摆动现象性质相同的振荡,上下波动的幅度逐次衰减,直至静止。
调压系统中的非恒定流和水击的消减作用的实验原理如下:
设置了调压筒,在阀11全开下的恒定流时,调压筒中维持于库水位固定自由水面。当阀11突然关闭时,供水管9中的水流因惯性作用继续向下流动,流入调压筒,使其水位上升,一直上升到高出库水位的某一最大高度后才停止。
这时管内流速为零,流动处于暂时停止状态,由于调压筒水位高于库水位,故水体作反向流动,从调压筒流向水库。又由于惯性作用,调压筒中水位逐渐下降,至低于库水位,直到反向流速等于零为止。此后供水管中的水流又开始流向调压筒,调压筒中水位再次回升。
这样,伴随着供水管中水流的往返运动,调压筒中水位也不断上下波动,这种波动由于供水管和调压筒的阻尼作用而逐渐衰减,最后调压筒水位稳定在正常水位。
设置调压筒之后,在过流量急剧改变时仍有水击发生,但调压筒的设置建立了一个边界条件,在相当大程度上限制或完全制止了水击向上游传播。
同时水击波的传播距离因设置调压筒而大为缩短,这样既能避免直接水击的发生,又加快了减压波返回,因而使水击压强峰值大为降低。
。收起