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发生“水锤”现象几个典型的过程

2021-06-17 10:33:57      点击:

一、水锤现象

在水电站运行过程中,为了适应负荷变化或由于事故原因,而突然启闭水轮机导叶时,由于水流具有较大惯性,进入水轮机的流量迅速改变,流速的突然变化使压力水管、蜗壳及尾水管中的压力随之变化,这种变化是交替升降的一种波动,这种现象称为水锤。

要正确解释和理解水锤现象及其实质,在研究水锤过程中必须考虑水的压缩性及管壁弹性的影响。为了便于说明问题,假定水管材料、管壁厚度、直径沿管长不变,不计管道摩阻损失,阀门突然关闭,见图。水锤现象有下面几个典型的过程。

(1) t=0~L/a。当阀门突然关闭(即关闭时间Ts=0)后,在dt1时段内,紧靠阀门处管段dx1 中的水体首先发生变化,流速由V0变为零,压力上升为H0+H ;与此同时,水体被压缩,水的密度变成为ρ+△ρ管壁膨胀,从而腾出了空间,得以容纳dx1以上管段仍以V0速度流动来的水体。也就是说,在dt1时段内, dx1管段以上仍未受到水锤的影响。之后依次再经dt2  dt3 、…时段,在dx2dx3、…管段中流速、压力将相继发生同样的变化,见图9-1(a)

这样,一段接一段地将阀门关闭的影响向上游传播,压力增加如同波一样自阀门A处沿管道逐渐向上游传播,这就是水锤波,其传播速度称之为水锤波速a,变化的压力H称为水锤压力。使压力增加的波为增压波,使压力降低的波叫降压波。经过L/a时间,水锤波达到管道进口处,此时,整个水管内的流速V0降为零,压力上升为H0+H

 (2) t=L/a~2L/a t=L/a时,水锤波将传至水库点D处,由于D点右端管道内压力为 H0+H,而左端水库保持不变为H,因此“边界”处的水体不能保持平衡,管道中的水体在H压差作用下将逆流向水库。在t=L/a后的dt1时段内,首先是紧靠水库dxn管段内发生变化,流速将由0变为-V0,压力由H0+H变为H0;管壁及水体随着水锤压力的消失恢复至原状。同理接再经dt2  dt3 、…时段,在相应dxn-1 dxn-2 dxn-3…管段中将发生同样的变化,如图9-1(b)。直到 t=2L/a时刻,整个管道中的压力、流速、管径及水的密度均恢复到初始状态。这说明,水锤波在水库处要发生反射,反射特点是“等值异号”反射,即反向波与入射波的数值相同,均为△H,但符号相反,升压波反射为降压波。

(3)  t=2L/a~3L/at=2L/a时,水锤波传播到阀门处A点,由于阀门已关闭,加之水流的惯性作用,管道中的水继续流向水库。在t=2L/a~3L/a时段内,首先是紧近阀门dx1管段内发生变化,依次传到dx2 dx3…管段,到3La时刻,流速将由-V0变为0,压力由H0变为H0H,管径为D-△D,水的密度变为ρ△ρ。当阀门全关闭时,水锤波在阀门处的反射特点是“等值同号”反射,即反向波与入射波的数值和符号不变,从水库传来降压波仍反射为降压波。

(4) t=3L/a~4L/at=3L/a时,水锤波又回到水库处D点,由于管道压力比水库低H,则D点压力不能维持平衡,因此水库的水又向阀方向流动,这时水库将阀门反射回来的降压波又反射为升压波,到t=4L/a时,管道流速将由0变为V0,压力由H0H0变为H0 ,管径、水密度都恢复到初始状态。

T=4L/a称为水锤波的“周期”。每经一个周期,水锤现象就重复一次上述过程。水锤波在管中传播一个来回的时间tr=2L/a称之为“相”,两个相为一个周期T=2tr

阀门突然开启时,水锤现象与上述情况相反。如果不存在水力摩阻,则上述的水锤过程将无休止地反复下去,但由于水力摩阻的存在,水锤过程不可能无休止地振荡下去,压力波因摩擦损失而逐渐衰减,在一定时段内逐渐消失。

综上所述,我们可以初步得出以下几点结论:

(1) 水锤压力实际上是由于水流速度变化而产生的惯性力。当突然启闭阀门时,由于启闭时间短、流量变化快,因而水锤压力往往较大,而且整个变化过程是较快的。(2) 由于管壁具有弹性和水体的压缩性,水锤压力将以弹性波的形式沿管道传播。
(3) 水锤波同其它弹性波一样,在波的传播过程中,外部条件发生变化处(即边界处)均要发生波的反射。其反射特性(指反射波的数值及方向)决定于边界处的物理特性。

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