水击现象产生的原因、后果、过程和预防措施

水击的后果在水击发生时，必须考虑到液体的可压缩性，同样，考虑管壁的弹性，管道直径在水击过程中也可以扩张或收缩，不再是一常数值。水击是工程中重大事故，会导致管道强烈的震动、噪声和气穴，有时甚至引起管道变形、爆裂或阀门的破坏。水击的危害不可轻视，因此在工程设计中必须分析水击过程，寻找减小水击危害的方法。1、水击现象发生后，引起压力升高的数值，可能达到正常压力的几十倍甚至几百倍，而且增压和减压交替频率很快，反复的冲击会使金属表面损坏打出许多麻点，轻者增大了流动阻力，重者损坏管道及设备，使其产生变形，严重时会造成管道的破裂。2、压力的反复变化会使管壁及设备受到反复的冲击发出强烈的振动和噪音，尤如管道受到锤击一样故又称为水锤。水击的传播过程长度为L的管道，上游M点连接水池，下游N点装有闸门，水击前管道内的流动速度为v1。1、压缩过程阀门突然关闭，首先在N-N断面上液体停止了流动，同时压力升高ph。然后相邻的另一层液体也停止了流动，压力也相应升高pn。这种压力升高以水击波的传播速度c由阀门N处一直向管道进口M传播。经时间t=L/c 传到管道进口，这时整个管道中压力都升高到p+Ph。液体受到压缩，密度增高，管壁膨胀，这是一个减速增压的压缩过程2、压缩恢复过程压缩过程结束后，管道中压力比容器中压力高了Ph。在压力差pn的作用下，管道中的液体将以速度v由管道流回容器内，如图（b）所示。与此同时，这层液体的压力由p+p,恢复到正常的压力p，管壁的膨胀也得到恢复，这种恢复以水击波的传播速度c向管道末端N-N传播。从阀门关闭时间算起，经过时间t=2L/c后，由M-M传播到N-N断面，使整个管道都恢复到正常数值。该过程是一个增速减压的压缩恢复过程3、膨胀过程(惯性作用)压缩恢复过程结束后，液体并不能停止流动，在惯性的作用下，液体还将以速度v继续向容器内流动，阀门N-N处液体首先减少，使其压力由p降低到p-Pn。因而液体密度减小，体积膨胀，管壁相应收缩，同时液体的流动速度也降为零。这一膨胀仍以水击波速度c向M-M断面传播，如图(c)所示。从阀门关闭时间算起，经过时间t=3L/c后，使管道中的液体都处于膨胀状态，压力比正常情况下的压力降低了ph。此过程为减速减压的膨胀过程。4、膨胀恢复过程膨胀过程结束后，由于容器内的压力高于管道内的压力，在压差的作用下，液体以速度流向管内，最先使管道进口M处的压力恢复到正常情况然后压力的恢复由M断面以水击波的传播速度c向N断面传播。从关闭阀门时算起，经过时间 t=4L/cc，完成了增速增压的膨胀恢复过程使整个管道中液体的压力、密度都恢复到了正常值，完成了一个周期的水击变化过程由于流体的惯性作用，管中流体仍以速度v向下流动，但阀门关闭，流体被阻止，于是又重复刚才的过程。水击现象无法完全避免，但可以采取以下措施减少水击危害1、延长阀门关闭的时间，可避免产生直接水击，还可以减小水击压强。2、减小管中流速。采用较小的流速，有利于减小水击引起的动量变化量，从而削弱水击压强增量。3、在管道中设置安全阀、水击消除阀等，系统压强增大时，安全阀打开，放走一部分高压水，从而保护管路系统。图片4、在管道在中设置调压塔、空气室等装置，这些装置可以减小水击压强及水击的影响范围。如在水电站的压力管上经常设有调压塔，如图所示。当阀门关闭时，水击的增压波使调压塔内的水位抬升，依次缓解调压塔上游压力管段的水击作用。此后调压塔中的水位上下震荡，直至完全衰减。