有壓管道中的水擊現象初探

摘 要：在一些外界因素影響下，將使有壓管道中的流速發生劇烈的變化，隨之管道中的液體壓強將會產生快速的交替升降的過程，產生非常高的水擊壓強，通常能夠達到正常工作壓強的幾十倍，或者更高，因此應采取必要的防止和削弱措施。

關鍵詞：水擊現象;傳播過程;水擊分類;預防措施

1 水擊產生的原因

有壓管流中，由于某些外界原因（如水泵的突然停止、閥門的突然開啟或關閉），使得水流速度發生突然變化，從而引起壓強急劇升高或降低的交替變化的現象，稱為水擊或水錘[1]。

如上圖所示，簡單管道長為 ，進口端 接水庫，末端 接調節閥門。為了方便分析，我們忽略水頭損失和流速水頭，認為管路中的測壓管水頭與水庫水位相同，并且這里我們考慮液體的壓縮性和管壁的彈性。

當閘門開啟時，我們假設管中的水流為恒定流，壓強為 ，流速為 。若 端閥門瞬間關閉，緊貼閥門的一層液體則以速度 沖擊閥門，速度驟然下降至零，動量發生了變化。根據動量定理，動量的變化量等于閥門對水體的反作用力的沖量[2]。因此在外力作用下，靠近閥門處的液體壓強升高至 ，由于管壁是彈性體，管壁膨脹。一層一層的液體和管壁相繼發生同樣的變化，以速度 向上游傳播，并在邊界處發生反射，由此就產生了水擊現象。

2 水擊波的傳播過程

在閥門關閉的瞬間，管內的液體不會全部都停止流動，壓強亦不是一起升高的，而是緊靠閥門斷面的液層流速首先下降至零，壓強增大，管壁橫截面增大。這種變化由閥門斷面產生，然后迅速向上游傳播，傳播速度為 ，所到之處壓強發生變化，管道斷面面積也發生變化，我們稱之為水擊波的傳播。

3.2間接水擊

間接水擊是閥門的關閉時間 時產生的水擊。當發生間接水擊時，水庫反射波在閥門開度變化結束前就已經到達閥門斷面，其壓強值相比于直接水擊來說減少了很多，但是間接水擊的計算相比于直接水擊來說要復雜得多。

4 水擊的防止和削弱

由于水擊產生的壓強非常大，可能使有壓管道劇烈振動、產生形變甚至破裂，對我們的生產和生活產生嚴重影響，因此必須采取措施加以削弱。目前在工程中可以采取的措施一般有下面幾種：

（1）減小有壓管道中液體的流速，通過增大管道的直徑也可以起到減小液體流速的目的。

（2）減小管道的長度，使得從上游反射回來的減壓波能夠快速傳到壓力管道的閥門端，來達到減弱水擊，降低水擊壓強的目的。

（3）延長關閥時間，避免直接水擊，使水擊壓強在上升不高時就與從上游水庫邊界反射回來的減壓波疊加。

（4）設置調壓室，這是減小水擊壓強最顯著的措施，但是其產生的費用較高。

（5）采取合理的閥門關閉規律。該方法簡單易行，又較為經濟。

參考文獻：

[1] 張勁，楊栗晶.水力計算與測試技術[M].北京：中國水利水電出版社，2013（12）：103-109.

[2] 呂紅興，裴國霞，楊玲霞等.水力學[M].北京：中國農業出版社，2002.

作者簡介：

黃麗萍（1998.4.21-）女，漢族，四川省德陽市，本科生，研究方向：水利水電工程。