工程流體力學(xué)

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水擊綜合試驗

指導(dǎo)書

流體力學(xué)試驗室

2023年

水擊綜合試驗

一、試驗?zāi)康?/p>

1．觀測管道水擊現(xiàn)象的發(fā)生、傳播與消失過程，加強對水擊現(xiàn)象的感性認識。2．量測水擊引起的壓強增量，加深對水擊影響的定量認識。3．了解水擊的利用—水擊揚水原理。

4．通過調(diào)壓室水位振蕩現(xiàn)象的演示，以及使用調(diào)壓室前、后水擊壓強增量的變化狀況，了解調(diào)壓室消減水擊壓強的作用。

二、試驗裝置

水擊試驗裝置由集水箱、吸水管、水泵、恒壓水箱、供水管、水擊室、水擊發(fā)生閥、調(diào)壓筒、壓力室、揚水機出水管、氣壓表等組成。試驗裝置如下圖所示。

水擊試驗裝置圖

1．恒壓水箱2．揚水機出水管3．氣壓表4．揚水機截止閥5．壓力室6．調(diào)壓筒7．水泵8．水泵吸水管9．供水管10．調(diào)壓筒截止閥11．水擊發(fā)生閥12．逆止閥13．水擊室14．集水箱15．底座16．回水管

水泵把集水箱中的水送入恒壓供水箱中，水箱內(nèi)設(shè)有溢流板和回水管，能使水箱中的水位保持恒定。工作水流自水箱經(jīng)供水管和水擊室，再通過水擊發(fā)生閥的閥孔流出，回到集水箱。三、試驗原理

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1．水擊的產(chǎn)生和傳播

在有壓管路中滾動的液體，當考慮流體的壓縮性和管壁的變形時，由于某種外界原因(如閥門突然關(guān)閉、水泵或水輪機組突然停車等)，使得液體流速發(fā)生突然變化，并由于液體的慣性作用，引起壓強急劇升高和降低的交替變體，即水擊。升壓和降壓交替進行時，對于管壁和閥門的作用宛如錘擊一樣，因此水擊也稱為水錘。

試驗時，先全關(guān)閉調(diào)壓筒截止閥10和揚水機截止閥4，觸發(fā)起動水擊發(fā)生閥11。當水流通過閥11時，水的沖擊力使閥11上移關(guān)閉而快速截止水流，因而在供水管9的末端首先產(chǎn)生最大的水擊升壓，并使水擊室13同時承受到這一水擊壓強。水擊升壓以水擊波的形式迅速沿著壓力管道向上游傳播，到達進口以后，由進口反射回來一個減壓波，使供水管9末端和水擊室13內(nèi)產(chǎn)生負的水擊壓強。

水擊試驗儀通過閥11和12的動作過程觀測到水擊波的來回傳播變化現(xiàn)象。即閥11關(guān)閉，產(chǎn)生水擊升壓，使逆止閥12戰(zhàn)勝壓力室5的壓力而瞬時開啟，水也隨即注入壓力室內(nèi)，并可看到壓力表3隨著產(chǎn)生壓力波動。然后，在進口傳來的負水擊作用下，水擊室13壓強低于壓力室5，使逆止閥12關(guān)閉，同時，負水擊又使閥11下移而開啟。這一動作過程既能觀測到水擊波的傳播變化現(xiàn)象，又能使本試驗儀保持往復(fù)的自動工作狀態(tài)，即當閥11再次開啟后，水流又經(jīng)閥孔流出，回復(fù)到初始工作狀態(tài)。這樣周而復(fù)始，閥11不斷地開啟、關(guān)閉，水擊現(xiàn)象也就不斷地重復(fù)發(fā)生。

2．水擊壓強的定量觀測

水擊現(xiàn)象造成的壓強升高，微弱時引起噪聲和管路振動；嚴重時可導(dǎo)致管路的爆裂。由于水擊的作用時間短、升壓大，尋常需用繁雜而昂貴的電測系統(tǒng)作瞬態(tài)測量，而本儀器用簡便的方法可直接地量測出水擊升壓值。此法的測壓系統(tǒng)是由逆止閥12，壓力室5和氣壓表3組成。閥11每一開一閉都產(chǎn)生一次水擊升壓，由于作用水頭、管道特性和閥的開度均一致，故每次水擊升壓值一致。每當水擊波來回一次，都將向壓力室5內(nèi)注入一定水量，因而壓力室內(nèi)的壓力隨著水量的增加而不斷累加，一直到其值達到與最大水擊壓強相等時，逆止閥12才打不開，水流也不再注入壓力室5，壓力室內(nèi)的壓力也就不再增高。這時，可從連接于壓力空腔的壓力表3測量壓力室5中的壓強，此壓強即為閥11關(guān)閉時產(chǎn)生的最大水擊壓強，這一測量原理可用一個日常生活例子來加深理解：如用氣筒以每次3kgf/cm2的壓強向輪胎內(nèi)打氣，顯然，只有反復(fù)屢屢地打，輪胎內(nèi)的壓強方可達到且只能達到3kgf/cm2。

水擊試驗儀工作水頭為25cm水柱左右，氣壓表顯示的水擊壓強值最大可達300mm汞柱(408cm水柱)以上，即達到16倍以上的工作水頭。這說明水擊有可能造成工程破壞。

3．水擊的利用—水擊揚水原理

水擊現(xiàn)象一般是有害的，但在適當?shù)臈l件下，也可以變害為利，水擊揚水機就是利用水擊原理設(shè)計的一種無動力揚水設(shè)備。水擊揚水機由試驗裝置圖中的恒壓水箱、供水管、水擊室、水擊發(fā)生閥、逆止閥、壓力室、揚水機截止閥、揚水機出水管等部件組成。

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水擊發(fā)生閥11每關(guān)閉一次，在水擊室13內(nèi)就產(chǎn)生一次水擊升壓，逆止閥12隨之被瞬時開啟，部分高壓水被注入壓力室5，當揚水機截止閥4開啟時，壓力室的水便經(jīng)出水管2流向高處。由于閥11的不斷動作，水擊連續(xù)屢屢發(fā)生，水流也不斷地注入壓力室，因而便源源不斷地把水提升到高處。水擊試驗儀揚水高度約37cm，即達到恒壓供水箱的液面約1.5倍的作用水頭。

水擊揚水機雖然能使水流從低處流向高處，但它依舊遵循能量守恒規(guī)律。揚水提升的水量僅僅是流過供水管的一部分，另一部分水量通過水擊發(fā)生閥11的閥孔流出了水擊室。正是這后一部分水量把自身具有勢能（其值等于供水箱液面到閥11出口處的高差），以動量傳輸?shù)姆绞剑峁┙o揚水機揚水。由于水擊的升壓可達十幾倍的作用水頭，因而若提高揚水機的出水管2的高度，水擊揚水機的揚程也可相應(yīng)提高，但出水量會隨著高度的增加而減小。

4．水擊危害的消除—調(diào)壓筒（井）工作原理

水擊有可利用的一面，但更多的是它對工程具有危害性的一面。例如水擊有可能使輸水管爆裂。為了消除水擊的危害，常在閥門附近設(shè)置減壓閥或調(diào)壓筒（井）、氣壓室等設(shè)施。本試驗儀器由調(diào)壓筒截止閥10和調(diào)壓筒6組成水擊消減裝置。

試驗時全關(guān)揚水機截止閥4、全開調(diào)壓筒截止閥10。然后手動控制水擊發(fā)生閥11的開與閉。由氣壓表3可見，此時，水擊升壓最大值約為120mm汞柱，其值僅為閥10關(guān)閉時的峰值的約1/3。同時，該裝置還能演示調(diào)壓系統(tǒng)中的水位波動現(xiàn)象。當閥11開啟時，調(diào)壓筒中水位低于供水箱水位（以下稱庫水位），而當閥11突然關(guān)閉時，調(diào)壓筒中的水位很快涌高且超過庫水位，并出現(xiàn)和樹立U形水管中水體搖擺現(xiàn)象性質(zhì)一致的振蕩，上下波動的幅度逐次衰減，直至靜止。

調(diào)壓系統(tǒng)中的非恒定流和水擊的消減作用的試驗原理如下：

設(shè)置了調(diào)壓筒，在閥11全開下的恒定流時，調(diào)壓筒中維持于庫水位固定自由水面。當閥11突然關(guān)閉時，供水管9中的水流因慣性作用繼續(xù)向下滾動，流入調(diào)壓筒，使其水位上升，一直上升到高出庫水位的某一最大高度后才中止。這時管內(nèi)流速為零，滾動處于暫時中止狀態(tài)，由于調(diào)壓筒水位高于庫水位，故水體作反向滾動，從調(diào)壓筒流向水庫。又由于慣性作用，調(diào)壓筒中水位逐漸下降，至低于庫水位，直到反向流速等于零為止。此后供水管中的水流又開始流向調(diào)壓筒，調(diào)壓筒中水位再次上升。這樣，伴隨著供水管中水流的來回運動，調(diào)壓筒中水位也不斷上下波動，這種波動由于供水管和調(diào)壓筒的阻尼作用而逐漸衰減，最終調(diào)壓筒水位穩(wěn)定在正常水位。

設(shè)置調(diào)壓筒之后，在過流量急劇改變時仍有水擊發(fā)生，但