管道水擊壓力測量實驗

實驗四管道水擊壓力測量實驗

1.實驗原理

水擊現(xiàn)象是一種典型的有壓管道非恒定流問題，在水擊現(xiàn)象中，由于壓強(qiáng)變化急劇，必

須考慮流體的壓縮性及管道的彈性。水擊現(xiàn)象可大致作如下描述：有壓管道流動的流量突變

f流速突變f由于流動的慣性，造成壓強(qiáng)大幅波動一流體的壓縮性和管道的彈性使波動在管

道中以有限的速度傳播。

以閥門突然關(guān)閉為例，將有一個增壓、增密度、增管道斷面積、減流速的過程從閥門向

上游傳播，壓強(qiáng)、流速、密度、管道斷面積的間斷面在管道中運(yùn)動，這就是水擊波。

1.1水擊波的壓強(qiáng)增值

在已知水擊波傳播速度c的條件下，壓強(qiáng)增量Ap與流速大小增量AV的關(guān)系為

△p=—c/?Av

1.2水擊波的傳播速度

水擊波傳播速度為

1

‘工農(nóng)+工/

P

<pdpAdp

式中工農(nóng)=_1,K為液體的體積彈性系數(shù)，▲空反映管壁的彈性，對于直徑為D的圓

pdpKAdp

管,包=烏，其中E為管壁材料的彈性系數(shù)，3為管壁厚度。于是

AdpE3

#77

若忽略管壁彈性，即認(rèn)為E=8,則％二,為聲波在水中的傳播速度

(c(F1435ni/s),以。二o水電站引水管的D/6g100,C^1000m/so

,DK

1+——

ES

1.3水擊現(xiàn)象的分析

為了更清晰地說明水擊波傳播、反射、疊加的發(fā)展過程，考察上游水庫與閥門間的長度

為L的直圓管（DA）中因閥門A突然完全關(guān)閉發(fā)生的水擊現(xiàn)象，認(rèn)為彈性力與慣性力起主

要作用，忽略水頭損失和流速水頭。在理解了水擊波在A處的正反射和D處的負(fù)反射之后,

可以列出0<t<L/c,L/c<t<2L/c,2L/c<t<3L/c,3L/c<tV4L/c四個階段水擊現(xiàn)象的

物理特性。

圖1水擊波的傳播

將2L/c稱為水擊的相長，從閥門A處開始的水擊波傳到上游D處，經(jīng)負(fù)反射回來的減

壓波又傳到A處，所須時間為相長?？梢婇y門A處持續(xù)壓力最大增值的時間最長，為一個

相長。如果逐漸關(guān)閉閥門，那么將會有一系列水擊波在不同的時刻由A處出發(fā)，假如經(jīng)過

一個相長之后，閥門尚未完全關(guān)閉，此時己經(jīng)有早先發(fā)出的水擊波成為減壓波傳回來，這樣

A處的增壓就不會達(dá)到閥門突然完全關(guān)閉時的水擊增壓，這種水擊叫間接水擊，否則叫直接

水擊。

1.4調(diào)壓室的作用

在較長管道中設(shè)置調(diào)壓室，縮短了管道長度，減小相長，可以緩和水擊，減低水擊壓強(qiáng)。

由于調(diào)壓室具有一定的貯水容量，這一邊界條件使水擊壓強(qiáng)得到釋放而大幅下降，并限制了

水擊向上游的傳播。

1.5水流阻力的影響

以上的分析都沒有考慮水擊現(xiàn)象中管道中水流所受的阻力，因此在分析閥門突然關(guān)閉引

起閥門與水庫之間的水擊波傳播四個階段時，能量沒有耗損，第四階段終止后，水流將回復(fù)

到初始狀態(tài)，水擊波將無休止地傳播下去，各斷面的水擊增壓隨時間變化曲線呈階梯形。但

實際上這是不可能的，各斷面的水擊增壓隨時間變化曲線呈衰減振蕩形態(tài)。

2.實驗?zāi)康囊?/p>

1.觀察管道水擊現(xiàn)象的發(fā)生、傳播與消失過程，增強(qiáng)對水擊現(xiàn)象的感性認(rèn)識。利用實測

數(shù)據(jù)，計算水擊波的傳播速度。

2.量測水擊引起的壓強(qiáng)增量，加深對水擊影響的定量認(rèn)識。

3.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(qiáng)增量的變化情況，了

解調(diào)壓室消減水擊壓強(qiáng)的作用。

3.實驗儀器設(shè)備

8

8

c0

80

0

c8

c0

0

80

c0

0

80

80

0

80

e0

就-箱-、

,一臺架

圖2實驗裝置示意圖

水擊與調(diào)壓室現(xiàn)象演示設(shè)備如圖。供水箱有溢流裝置，可保證實驗水流為恒定流。采用

容易膨脹變形的橡膠軟管作實驗管段，大大降低水擊波速，易于演示水擊波傳播過程，在實

驗管段的上、下游端部安裝壓力傳感器探頭，以測量壓力變化情況。在膠管下游安裝有機(jī)玻

璃管，上裝快速電磁閥。在閥門前安裝有機(jī)玻璃管以模擬調(diào)壓室，并裝設(shè)壓力傳感器以量測

不同情況下的水擊壓強(qiáng)時間變化曲線。

4.實驗步驟

1.認(rèn)真閱讀實驗?zāi)康囊?、實驗原理和注意事項?/p>

2.將量測儀器按圖示線路接好，打開電源。

3.對照實物了解儀器設(shè)備的使用方法和操作步驟，做好準(zhǔn)備工作后，啟動水泵，打開進(jìn)水

開關(guān)，使水箱充水，并保持溢流狀態(tài)，使水位恒定。

4.將動態(tài)應(yīng)變儀調(diào)至平衡，并將壓力傳感器的微應(yīng)變信號輸給電阻平衡箱，然后由此將信

號送至示波器，可通過調(diào)節(jié)電阻平衡箱使示波器的靈敏度及偏移量為最佳值。

5.記錄調(diào)壓室的測管水頭，用以計算動水壓強(qiáng)值，然后關(guān)閉調(diào)壓室與管道的聯(lián)通閥門。

6.將管端快速閥門突然關(guān)閉，產(chǎn)生水擊現(xiàn)象，水擊波傳播使橡膠軟管膨脹凸起變化顯示了

水擊波的傳播過程。用秒表記錄下膠管中水擊波傳播時間。此時示波器已記錄下水擊壓強(qiáng)過

程線。

7.打開調(diào)壓室與實驗管段間的聯(lián)通閥門。待水流恒定后重復(fù)步驟6,此時記錄下的水擊壓

強(qiáng)過程線即為有調(diào)