工程流體力學(xué)

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水擊綜合試驗(yàn)

指導(dǎo)書

流體力學(xué)試驗(yàn)室

2023年

水擊綜合試驗(yàn)

一、試驗(yàn)?zāi)康?/p>

1．觀測(cè)管道水擊現(xiàn)象的發(fā)生、傳播與消失過程，加強(qiáng)對(duì)水擊現(xiàn)象的感性認(rèn)識(shí)。2．量測(cè)水擊引起的壓強(qiáng)增量，加深對(duì)水擊影響的定量認(rèn)識(shí)。3．了解水擊的利用—水擊揚(yáng)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(qiáng)增量的變化狀況，了解調(diào)壓室消減水擊壓強(qiáng)的作用。

二、試驗(yàn)裝置

水擊試驗(yàn)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(yáng)水機(jī)出水管、氣壓表等組成。試驗(yàn)裝置如下圖所示。

水擊試驗(yàn)裝置圖

1．恒壓水箱2．揚(yáng)水機(jī)出水管3．氣壓表4．揚(yáng)水機(jī)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(yàn)原理

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1．水擊的產(chǎn)生和傳播

在有壓管路中滾動(dòng)的液體，當(dāng)考慮流體的壓縮性和管壁的變形時(shí)，由于某種外界原因(如閥門突然關(guān)閉、水泵或水輪機(jī)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(qiáng)急劇升高和降低的交替變體，即水擊。升壓和降壓交替進(jìn)行時(shí)，對(duì)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(yàn)時(shí)，先全關(guān)閉調(diào)壓筒截止閥10和揚(yáng)水機(jī)截止閥4，觸發(fā)起動(dòng)水擊發(fā)生閥11。當(dāng)水流通過閥11時(shí)，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(shí)承受到這一水擊壓強(qiáng)。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(dá)進(jìn)口以后，由進(jìn)口反射回來一個(gè)減壓波，使供水管9末端和水擊室13內(nèi)產(chǎn)生負(fù)的水擊壓強(qiáng)。

水擊試驗(yàn)儀通過閥11和12的動(dòng)作過程觀測(cè)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(shí)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(dòng)。然后，在進(jìn)口傳來的負(fù)水擊作用下，水擊室13壓強(qiáng)低于壓力室5，使逆止閥12關(guān)閉，同時(shí)，負(fù)水擊又使閥11下移而開啟。這一動(dòng)作過程既能觀測(cè)到水擊波的傳播變化現(xiàn)象，又能使本試驗(yàn)儀保持往復(fù)的自動(dòng)工作狀態(tài)，即當(dāng)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(qiáng)的定量觀測(cè)

水擊現(xiàn)象造成的壓強(qiáng)升高，微弱時(shí)引起噪聲和管路振動(dòng)；嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致管路的爆裂。由于水擊的作用時(shí)間短、升壓大，尋常需用繁雜而昂貴的電測(cè)系統(tǒng)作瞬態(tài)測(cè)量，而本儀器用簡(jiǎn)便的方法可直接地量測(cè)出水擊升壓值。此法的測(cè)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(dāng)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(dá)到與最大水擊壓強(qiáng)相等時(shí)，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(shí)，可從連接于壓力空腔的壓力表3測(cè)量壓力室5中的壓強(qiáng)，此壓強(qiáng)即為閥11關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的最大水擊壓強(qiáng)，這一測(cè)量原理可用一個(gè)日常生活例子來加深理解：如用氣筒以每次3kgf/cm2的壓強(qiáng)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(qiáng)方可達(dá)到且只能達(dá)到3kgf/cm2。

水擊試驗(yàn)儀工作水頭為25cm水柱左右，氣壓表顯示的水擊壓強(qiáng)值最大可達(dá)300mm汞柱(408cm水柱)以上，即達(dá)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(yáng)水原理

水擊現(xiàn)象一般是有害的，但在適當(dāng)?shù)臈l件下，也可以變害為利，水擊揚(yáng)水機(jī)就是利用水擊原理設(shè)計(jì)的一種無動(dòng)力揚(yáng)水設(shè)備。水擊揚(yáng)水機(jī)由試驗(yàn)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(yáng)水機(jī)截止閥、揚(yáng)水機(jī)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(shí)開啟，部分高壓水被注入壓力室5，當(dāng)揚(yáng)水機(jī)截止閥4開啟時(shí)，壓力室的水便經(jīng)出水管2流向高處。由于閥11的不斷動(dòng)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(yàn)儀揚(yáng)水高度約37cm，即達(dá)到恒壓供水箱的液面約1.5倍的作用水頭。

水擊揚(yáng)水機(jī)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(yáng)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(shì)能（其值等于供水箱液面到閥11出口處的高差），以動(dòng)量傳輸?shù)姆绞?，提供給揚(yáng)水機(jī)揚(yáng)水。由于水擊的升壓可達(dá)十幾倍的作用水頭，因而若提高揚(yáng)水機(jī)的出水管2的高度，水擊揚(yáng)水機(jī)的揚(yáng)程也可相應(yīng)提高，但出水量會(huì)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(duì)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(yàn)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(yàn)時(shí)全關(guān)揚(yáng)水機(jī)截止閥4、全開調(diào)壓筒截止閥10。然后手動(dòng)控制水擊發(fā)生閥11的開與閉。由氣壓表3可見，此時(shí)，水擊升壓最大值約為120mm汞柱，其值僅為閥10關(guān)閉時(shí)的峰值的約1/3。同時(shí)，該裝置還能演示調(diào)壓系統(tǒng)中的水位波動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)閥11開啟時(shí)，調(diào)壓筒中水位低于供水箱水位（以下稱庫水位），而當(dāng)閥11突然關(guān)閉時(shí)，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(dòng)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(yàn)原理如下：

設(shè)置了調(diào)壓筒，在閥11全開下的恒定流時(shí)，調(diào)壓筒中維持于庫水位固定自由水面。當(dāng)閥11突然關(guān)閉時(shí)，供水管9中的水流因慣性作用繼續(xù)向下滾動(dòng)，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(shí)管內(nèi)流速為零，滾動(dòng)處于暫時(shí)中止?fàn)顟B(tài)，由于調(diào)壓筒水位高于庫水位，故水體作反向滾動(dòng)，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(yùn)動(dòng)，調(diào)壓筒中水位也不斷上下波動(dòng)，這種波動(dòng)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(shí)仍有水擊發(fā)生，但