清华水力学实验11水击

清华大学水利水电工程系水力学实验室水力学流体力学课程教学实验指示书管道水击现象演示实验原理简介z水击现象是一种典型的有压管道非恒定流问题，在水击现象中，由于压强变化急剧，必须考虑流体的压缩性及管道的弹性。水击现象可大致作如下描述：有压管道流动的流量突变→流速突变→由于流动的惯性，造成压强大幅波动→流体的压缩性和管道的弹性使波动在管道中以有限的速度传播。z以阀门突然关闭为例，将有一个增压、增密度、增管道断面积、减流速的过程从阀门向上游传播，压强、流速、密度、管道断面积的间断面在管道中运动，这就是水击波。一.水击波的压强增值z在已知水击波传播速度c的条件下，压强增量Δp与流速大小增量Δ的关系为vΔΔpc=−vρ.二.水击波的传播速度z水击波传播速度为)dd1dd1(1pAApc+=ρρρ.式中Kp1dd1=ρρ，K为液体的体积弹性系数，pAAdd1反映管壁的弹性，对于直径为D的圆管，δEDpAA=dd1，其中E为管壁材料的弹性系数，δ为管壁厚度。于是δρδρEDKKEDKc+=+=1/)1(1.若忽略管壁的弹性，即认为∞=E，则cKp0==ρρdd，为声波速度（水中约为1435m/s）。所以水击-1δEDKcc+=10.水电站引水管的100≈δD，.c≈1000m/s三.水击现象的分析z为了更清晰地说明水击波传播、反射、叠加的发展过程，考察上游水库与阀门间的长度为L的直圆管（BA）中因阀门A突然完全关闭发生的水击现象，认为弹性力与惯性力起主要作用，忽略水头损失和流速水头。在理解了水击波在A处的正反射和B处的负反射之后，可以列出，cLt/0cLtcL/2/，cLtcL/3/2，cLtcL/4/3四个阶段水击现象的物理特性。阶段时段速度变化流速方向压强变化水击波传播方向运动状态液体状态1cLt/0v00→水库→阀门增高Δp阀门→水库减速增压压缩2cLtcL/2/00→−v阀门→水库恢复原状水库→阀门减速减压恢复原状3cLtcL/3/2−→v00阀门→水库减低Δp阀门→水库增速减压膨胀4cLtcL/4/300→v水库→阀门恢复原状水库→阀门增速增压恢复原状z将2L/c称为水击的相长，从阀门A处开始的水击波传到上游B处，经负反射回来的减压波又传到A处，所须时间为相长。可见阀门A处持续压力最大增值的时间最长，为一个相长。如果逐渐关闭阀门，那么将会有一系列水击波在不同的时刻由A处出发，假如经过一个相长之后，阀门尚未完全关闭，此时已经有早先发出的水击波成为减压波传回来，这样A处的增压就不会达到阀门突然完全关闭时的水击增压，这种水击叫间接水水击-2击，否则叫直接水击。四.调压室的作用z在较长管道中设置调压室，缩短了管道长度，减小相长，可以缓和水击，减低水击压强。由于调压室具有一定的贮水容量，这一边界条件使水击压强得到释放而大幅下降，并限制了水击向上游的传播。五.水流阻力的影响z以上的分析都没有考虑水击现象中管道中水流所受的阻力，因此在分析阀门突然关闭引起阀门与水库之间的水击波传播四个阶段时，能量没有耗损，第四阶段终止后，水流将回复到初始状态，水击波将无休止地传播下去，各断面的水击增压随时间变化曲线呈阶梯形。但实际上这是不可能的，各断面的水击增压随时间变化曲线呈衰减振荡形态。实验设备水击与调压室现象演示设备如图。供水箱有溢流装置，可保证实验水流为恒定流。采用容易膨胀变形的橡胶软管作实验管段，大大降低水击波速，易于演示水击波传播过程，在实验管段的上、下游端部安装接触式指示灯，以显示水击波传播往复情况。在胶管下游安装钢管，上装快速阀门。在阀门前安装粗玻璃管以模拟调压室，并装设压力传感器以量测不同情况下的水击压强时间变化曲线。实验目的和要求1.观察管道水击现象的发生、传播与消失过程，增强对水击现象的感性认识。利用实测数据，计算水击波的传播速度。2.量测水击引起的压强增量，加深对水击影响的定量认识。3.通过调压室水位振荡现象的演示，以及使用调压室前后水击压强增量的变化情况，了解调压室消减水击压强的作用。水击-3实验步骤1.认真阅读实验目的要求、实验原理和注意事项。2.将量测仪器按图示线路接好，打开电源，预热15分钟。3.对照实物了解仪器设备的使用方法和操作步骤，做好准备工作后，启动抽水机，打开进水开关，使水箱充水，并保持溢流状态，使水位恒定。4.将动态应变仪调至平衡，并将压力传感器的微应变信号输给电阻平衡箱，然后由此将信号送至示波器，此时将绘笔调至走纸中间，可通过调节电阻平衡箱使示波器的灵敏度及偏移量为最佳值。5.记录调压室的测管水头，用以计算动水压强值，然后关闭调压室与管道的联通阀门。6.将管端快速阀门突然关闭，产生水击现象，水击波传播使橡胶软管膨胀凸起变化，凸起处将电源接通则指示灯亮。管道两端的指示灯的亮灭显示了水击波的传播过程。用停表记录下管道两端指示灯闪亮的间隔时间。此时示波器已记录下水击压强过程线。7.打开调压室与实验管段间的联通阀门。待水流恒定后重复步骤6，此时记录下的水击压强过程线即为有调压室作用后的情况。8.阅读思考问题，作简要回答。分析思考问题1.水击波的传播速度与哪些因素有关？本实验为什么要用胶皮管作为实验管段？2.水击有何危害？为什么工程上要采用：①延长阀门启闭时间；②限制管道中流速；③设置调压室等安全装置等措施来防止水击危害？注意事项1.按规定步骤使用仪器设备。2.实验结束后，关闭各仪器开关，切断电源，关好供水阀门。水击-4