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一、水击现象一、水击的产生1、水击现象（水锤）在有压管路内，由于流速急剧变化，引起管内压强突然变化，并在整个管长范围传播的现象，称水击。当急剧升降的压力波波前通过管路时，产生一种声音，犹如冲击钻工作时产生的声音或用锤子敲击管路时发出的噪音，故水击也称为水锤。2、水击压力：突然变化的压力称为水击压力（管路中出现水击现象时所增加或降低的压力值Δp）3、发生水击现象的物理原因：（1）外因：管路中流速突然变化（2）内因：液体具有惯性和压缩性。惯性：企图维持液体原来的运动状态压缩性：改变体积，缓和流体流动4、说明：（1）考虑液体的压缩性和管壁的弹性（2）水击中的液流参数随时间和位置变化，水击现象为不稳定流动。（3）水击压力以压力波的形式在管内传播。二、压力波的传播过程如图表示具有固定液面的油罐、水库或水塔，沿长度为l，直径为d的等直径管路流向大气中，管路出口装有控制阀门。压力波传递过程:当阀门开启一定大小时，管中流速为V0，出口阀门前压力为p如将阀门骤然关闭，邻近阀门的一层厚度为△s的液体于△t时间内首先停止流动。该段液体在后面液体惯性的作用下被压缩，压强比静压增加了△p,即水击压力。同时，管壁也发生膨胀。则紧靠阀门的一层水突然停止流动，速度由v0骤变为零。根据动量定律，物体动量的变化等于作用在该物体上外力的冲量。这里外力是阀门对水的作用力。因外力作用，紧靠阀门这一层水的应力(即压强)突然升至p0+△p由于水和管道都弹性体，在很大的水击压强作用下第一层液体段产生两种形变，即液体的压缩及管壁的膨胀。因此阀门突然关闭时，管道内的液体就不是在同一时刻全部停止流动，压强也不是在同一时刻同时升高。而是靠近阀门的第一层液体首先停止流动，与之相邻的第二层及其后续各层液体相继逐层停止流动，同时与之相应的这段管材也要膨胀,同时压强逐层升高，由于液体依序停止而形成的高低分界面，依次向液罐方向传递，传递速度为c,即以弹性波的形式由阀门迅速传向液罐方向。这种由于水击而产生的弹性波，称水击波(WaterHammerPressureWave)。水击波传播的第一阶段-减速增压由于阀门突然完全关闭，速度由v0立即变为零，相应压强升高ΔP，水密度增加Δρ，管道断面积增加ΔA。这种减速增压的过程以波速c自阀门向上游传播的。在阀门关闭后t1=l/c时，压力波传至管路入口处。这时全管内液体都已停止流动，处于被压缩状态，管子则处于膨胀状态。而此刻管内压力高于液罐内的压力，出现不平衡，是一种不稳定状态。V=0,p=p0+Δp,ρ=ρ0+Δρ,D=D0+ΔDt=0～l/c称为水击波传播的第一阶段。水击波传播的第二阶段-增速减压v=-v0,p=p0,ρ=ρ0,D=D0t=1l/c～2l/c称为水击波的第二阶段。水击波从阀门断面出发，又回到阀门断面，称为水击的一相。相长Tr=2l/c管路进口的液体，在水击压强(p0+Δp)与液罐静压强(p0)差作用下，立即以和Δp相应的速度-v0向液罐方向流去。这一变化以减压水击波的形式自液罐向阀门传播，在t2=2l/c时刻,到达阀门断面。此时全管内压力值都已恢复到静压，被压缩的液体和膨胀的管壁恢复原状。水击波传播的第三阶段-减速减压v=0,p=p0–Δp,ρ=ρ0-Δρ,D=D0-ΔDt=2l/c～3l/c称为水击波传播的第三阶段。在t2=2l/c时刻，由于水流的惯性，管中的液体仍然向液罐倒流，而阀门仍然关闭无液体补充，以致阀门端的液体首先停止运动，速度由-v0变为零，引起压强降低、密度减小与管壁收缩。这个减速减压波由阀门向上游传播，当阀门关闭后t3=3l/c的时刻，减压波传递到管子入口处，全管内液体处于低压的静止状态，管子由于抽吸负压处于收缩状态。此时，液罐内压力高于管子内压力，又失去压力的平衡。水击波传播的第四阶段-增速增压在t3=3l/c时刻，因管道进口压强比液罐内压强差Δp作用下，液体又以速度v0向阀门方向流动，并以增压波形式传向阀门断面。管道中的密度和管壁相继应恢复正常。在t4=4l/c时刻，增压波传至阀门断面，全管恢复至起始状态(阀门关闭前的流动状况)。随后开始第二个压力传递的循环。v=v0,p=p0,ρ=ρ0,D=D0t=3l/c～4l/c称为水击波的第四阶段。由于惯性，水击现象将重复上述四个阶段。如果没有损失，水击波将周期性地如此循环下去。理想情况水击波传递过程参数表三、水击的分类水击的相或相长：从阀门关闭产生增压波到上游反射回来的减压波又传到阀门处为止，所需要的时间为2l/c，称之为水击的相或相长，用来表示。0cl201、①直接水击：当阀门关闭时间Tτ0时，最早由阀门处产生的向上游传播，而又反射回来的减压顺行波，在阀门全部关闭时还未到达阀门处，在这种情况下，在阀门处产生最大的水击压力，称为直接水击。②间接水击：当阀门关闭时间Tτ0时，最早由阀门处产生的向上游传播，而又反射回来的减压顺行波，在阀门全部关闭前已经到达阀门处，水击压力波不能全部进一步向上游反射，并随流体流失一部分能量，使得在阀门处的水击压力不能达到直接水击的压力增高值，称为间接水击。2、①正水击：当阀门突然关闭时，管内流速突然减小，从而引起压强首先急剧增大，称为正水击。②负水击：当管道末端阀门突然开启时，管中流速突然增大而压强则首先急剧降低，称为负水击。四、水击压力的计算当阀门突然关闭时，停下来△S段液体的质量为ρA△S，这部分液体由于阀门的阻挡和后面液体的惯性作用而被压缩，增大的总压力为△pA。由动量原理可以得出水击压力传播速度——产生直接水击时的水击压力计算公式。其中，五、水击压力的预防水击压力的危害很大，在管路设计时应力图避免直接水击压力的产生。但在有些情况下仅仅依靠管路的设计达不到预防水击的目的，因此工程中采取以下方法避免和减缓水击。1、延长开关阀门的时间，避免产生直接水击。2、在阀门前加空气包，吸收水击能量。3、阀门前加安全阀，防止管路崩裂。例：一水电站的引水钢管,长L=700m，直径D=100cm,管壁厚e=1cm,钢管的弹性系数E0=2.06×107N/cm2，水的弹性系数E=2.06×105N/cm2。阀门关闭前管流为稳定流，Q0=3.14m3/s，若完全关闭阀门的时间为1s，试判断管中所产生的水击是直接水击还是间接水击？并求阀门前断面处的最大水击压强。解：水击压强波在该管流中的传播速度所以水击属于直接水击。阀门未关闭前管中水的正常流速为于是所产生的最大水击压力为