Історія вивчення гідродинамічних процесів, що включають зокрема гідравлічний удар, налічує вже понад сто років і починається із тепер в даний час вже класичної роботи Н.Є. Жуковського.
У минулі роки явище гідравлічного удару незмінно привертало увагу вчених і інженерів у багатьох країнах у зв'язку з науковим і практичним аспектами. До початку шістдесятих років минулого століття основні фізичні і гідродинамічні процеси, що протікають в елементах трубопровідних систем при гідравлічному ударі, були в основному вивчені.
У цій роботі розглядається задача про моделювання і розрахунку гідравлічного удару в просторовому трубопроводі. Необхідною частиною розрахунків на міцність і надійність трубопровідних систем є розрахунок динамічних навантажень при гідравлічному ударі. На практиці розрахунок гідравлічного удару проводиться шляхом вирішення незалежної гідродинамічної задачі. У таких розрахунках, як правило, використовується математична модель одновимірного несталого адіабатичного течії однофазної сжимаемой середовища в нерухомому трубопроводі.
Поняття гідравлічного удару
Процес регулювання потужності гідравлічної турбіни, відкриття і закриття затвора завжди супроводжується зміною швидкісного режиму в трубопроводі. Особливістю цього режиму є те, що при ньому швидкості і тиску в рідині робляться функціями не тільки координат, тобто розглянутої точки потоку, але і часу. Такий несталий режим в закритих водоводах, цілком заповнених рідиною, носить назву гідравлічного удару (далі - ГУ).
При швидкому закритті або відкритті трубопроводу виникає різке, неодновременное по довжині трубопроводу зміна швидкості і тиску рідини. Якщо в такому водоводі вимірювати швидкість рідини і тиск, то виявиться, що швидкість змінюється як за величиною, так і за напрямком. Перехідний швидкісний режим в закритих і цілком заповнених трубопроводах завжди викликає значні по величині коливання тиску. Такий процес дуже швидкоплинний і обумовлений пружними деформаціями стінок труби і самої рідини.
Перехід від одного сталого режиму в рідини до іншого супроводжується коливаннями швидкості і тиску, званими ефектом ГУ.
Сутність гідравлічного удару полягає в наступному: припустимо, що є прямолінійний трубопровід довжиною L, приєднаний до напірного басейну великих розмірів (резервуару) і на кінці забезпечений засувкою. При швидкому закритті засувки вся маса рідини (тиск в рідині одно Ро), що рухається в трубі зі швидкістю Vo. повинна раптово зупиниться. В результаті різкої зміни швидкості кінетична енергія цієї маси перетворюється на енергію тиску, яка у засувки може мати досить значну величину Р.
Так як рідина і матеріал труби мають певну пружністю, то підвищення тиску призведе до стиснення рідини, збільшення її щільності і розширенню стінок. Це підвищення тиску буває настільки великим, що може викликати розрив трубопроводу.
Цей стан не може бути локалізованим і передається в шари рідини, розташовані вище за течією, а так само з деякою швидкістю поширюється в сторону протилежну напрямку швидкості руху рідини.
Перехідна область в перерізі A-A називається ударною хвилею. Швидкість переміщення перетину A-A (фронту хвилі) називається швидкістю поширення ударної хвилі і позначається буквою а. Такий процес проходить в період часу 0 <<. называемым фазой ГУ.
При відкритті затвора вгору за течією поширюється хвиля зниження тиску. Якщо затвор розташований не в кінці труби, а на початку, то хвиля зміни тиску буде поширюватися вниз за течією.
Якщо ГУ є хвилю підвищення тиску, то він називається позитивним, зниження - негативним. Хвиля зміни тиску, що розповсюджується вгору за течією, називається прямий, вниз - зворотною.
ГУ може виникнути і як результат зміни тиску в рідині. Так, наприклад, різке підвищення тиску при підключенні будь-якого об'єму рідини до джерела тиску викликає в цьому обсязі ГУ. Підвищення тиску при ГУ в будь-якому трубопроводі викликає у всіх відводах від нього, в тому числі і тупикових, свій, відмінний ефект ГУ.
Ефект ГУ має для гідротурбін установок велике практичне значення. Підвищення тиску збільшує напругу в матеріалі трубопроводу, затворів і турбін і, отже, впливає на вибір їх розмірів, що задовольняє умовам міцності. Неврахованих при розрахунку підвищення тиск може викликати аварію всій гідротурбіни установки. Тому найважливіші процеси і дії, що впливають на роботу і розрахунок гідроустановок, ґрунтуються на розгляді процесів і розрахунку гідравлічного удару.