Гидравлический удар — результат резкого изменения давления в жидкости, вызванный мгновенным изменением скорости ее течения в трубопроводе.

Явления, происходящие при гидравлическом ударе, объясняются на основе свойства сжимаемости капельных жидкостей. После закрытия задвижки на горизонтальном трубопроводе постоянного диаметра, по которому движется жидкость со средней скоростью V, слой жидкости, находящийся непосредственно у задвижки, мгновенно останавливается. Затем последовательно прекращают движение слои жидкости (завихрения, противотоки) на увеличивающемся со временем расстоянии от задвижки. При этом уплотняется ранее остановившаяся масса жидкости и в результате повышения давления несколько расширяется труба. В трубу войдет дополнительный объем жидкости.

Так как жидкость сжимаема, то вся ее масса в трубопроводе не останавливается мгновенно. Граница объема, включающего в себя остановившуюся жидкость, перемещается от задвижки вдоль трубопровода с некоторой скоростью с, называемой скоростью распространения волны давления.

Прилежащая к задвижке часть объема жидкости

где F — площадь сечения трубы, за время Δτ, остановившись, потеряет количество движения

Давление у задвижки до ее закрытая было р₀, а давление, возникшее после остановки, р + Δр. Величина Δр, найденная на основании теоремы количества движения, равняется (формула Н. Е. Жуковского):

Далее останавливается второй слой жидкости, на который давят следующие слои, и т. д. Таким образом, постепенно повышенное давление, возникшее первоначально непосредственно у задвижки, распространяется далее по всему трубопроводу против течения жидкости со скоростью с.

Если давление в начале трубопровода сохраняется неизменным (в случае, когда трубопроводом забирается вода из открытого бассейна с большой площадью поверхности), то после достижения ударной волной начального сечения трубы, в ней начинается обратное перемещение ударной волны с той же скоростью с, причем это есть уже волна понижения давления. Одновременно в трубе возникает движение жидкости по направлению к начальному сечению. По достижении ударной волной сечения у задвижки давление здесь снижается и делается меньшим, чем первоначальное давление до удара; после этого начинается перемещение ударной волны, но уже волны понижения давления, в направлении к началу трубопровода. Циклы повышений и понижений давления будут чередоваться и далее через промежутки времени, равные времени двойного пробега ударной волной длины трубопровода от задвижки до начала трубопровода. Таким образом, при гидравлическом ударе жидкость, находящаяся в трубопроводе, будет совершать колебательные движения, которые в силу гидравлических сопротивлений и вязкости, поглощающих первоначальную энергию жидкости на преодоление трения, будут затухающими.

Увеличение давления при гидравлическом ударе Δр = ρсV, где ρ — плотность жидкости; с — скорость распространения ударной волны; V — средняя скорость движения жидкости.

Скорость распространения волны зависит от рода жидкости, материала трубы, ее диаметра и толщины стенок:

где Е_ж — модуль упругости жидкости (величина, обратная коэффициенту сжимаемости); Е_с — модуль упругости материала трубы; δ — толщина стенки трубы; d — диаметр трубы.

 

Эффект проявляется, как правило, в трубопроводах гидросистем.

Дапление, обеспечивающее движение жидкости в трубопроводе, приложено ко всей жидкости и стенкам трубопровода. Сила приложена к задвижке. Давление гидроудара возникает в жидкости перед задвижкой в момент перекрытия трубопровода.

Плотность некоторых жидкостей, используемых при практической реализации эффекта, приведена в табл.1.

Эффект проявляется в гидросистемах различного назначения. В большинстве случаев это нежелательное явление, приводящее к разрушению трубопроводов. На основе гидравлического удара разработаны устройства для подъема воды, сжатия воздуха и др.

Используя силу гидравлического удара, устраивают особые насосы, так называемые гидравлические тараны, служащие для поднятия жидкости.

Гидравлический таран — водоподъемное устройство, в котором для подачи воды используется повышение в нем давления при периодически создаваемых гидравлических ударах (рис.1).

В период разгона при кратковременном открытии клапана 4 в подводящей трубе 6 под действием подпора создается поток воды, который сбрасывается через этот клапан. Когда силовое воздействие воды уравновесит массу клапана, он поднимается. Быстрое закрытие клапана 4, а следовательно, внезапная остановка воды, вызывает гидравлический удар. Резкое повышение давления открывает клапан 5, через который выходит некоторое количество воды. В рабочем периоде вода по трубопроводу 2 поступает в верхний бак 1, преодолев напор Н > h. Сжатый воздух, находящийся в напорном колпаке 3, выравнивает подачу воды по трубопроводу 2. В конце второго периода давление в клапанной коробке становится немного меньше, поэтому клапан 5 закрывается, а клапан 4 открывается, что обеспечивает автоматическое повторение цикла. КПД гидравлического тарана зависит от напора и равен 0,92 для отношения H/h = 1, и 0,26 для Н/h = 20.

Гидравлический таран применим при запасе воды, значительно превышающем необходимое количество, и где есть возможность расположить установку ниже уровня источника.