实验七 管道水击实验.docx

实验七 管道水击实验一、实验目的及要求实验目的：通过本实验仪器的运转过程，观察水击波传播、水击扬水、调压筒消减水击等现象，以及水击压强的量测，加强对水击现象的感性认识。实验要求： 1观察管道水击现象的发生、传播与消失过程，增强对水击现象的感性认识。利用实测数据，计算水击波的传播速度。 2量测水击引起的压强增量，加深对水击影响的定量认识。 3通过调压室水位振荡现象的演示，以及使用调压室前后水击压强增量的变化情况 ，了解调压室消减水击压强的作用。二、实验仪器水击与调压室现象演示设备如图。供水箱有溢流装置，可保证实验水流为恒定流。采用容易膨胀变形的橡胶软管作实验管段，大大降低水击波速，易于演示水击波传播过程，在实验管段的上、下游端部安装接触式指示灯，以显示水击波传播往复情况。在胶管下游安装钢管，上装快速阀门。在阀门前安装粗玻璃管以模拟调压室。三、实验原理水击现象是一种典型的有压管道非恒定流问题，在水击现象中，由于压强变化急剧，必须考虑流体的压缩性及管道的弹性。水击现象可大致作如下描述：有压管道流动的流量突变流速突变由于流动的惯性，造成压强大幅波动流体的压缩性和管道的弹性使波动在管道中以有 限的速度传播。以阀门突然关闭为例，将有一个增压、增密度、增管道断面积、减流速的过程从阀门向上游传播，压强、流速、密度、管道断面积的间断面在管道中运动，这就是水击波。一、水击波的压强增值在已知水击波传播速度a的条件下，压强增量p与流速大小增量v的关系为:二、水击波的传播速度水击波传播速度为：式中，K为液体的体积弹性系数，反映管壁的弹性，对于直径为D面积为A的圆管，其中E为管壁材料的弹性系数，为管壁厚度。于是若忽略管壁的弹性，即认为E=，则为声波速度（水中约为1435m/s）。所以水电站引水管的，m/s。三、水击现象的分析为了更清晰地说明水击波传播、反射、叠加的发展过程，考察上游水库与阀门间的长度为L的直圆管（BA）中因阀门A突然完全关闭发生的水击现象，认为弹性力与惯性力起主要作用，忽略水头损失和流速水头。在理解了水击波在A处的正反射和B处的负反射之后，可以列出0 t L/a，L/a t 2L/a，2L/a t 3L/a，3L/a t 4 L/a四个阶段水击现象的物理特性。将2L/a称为水击的相长，从阀门A处开始的水击波传到上游B处，经负反射回来的减压波又传到A处，所需时间为相长。可见阀门A处持续压力最大增值的时间最长，为一个相长。如果逐渐关闭阀门，那么将会有一系列水击波在不同的时刻由A处出发，假如经过一个相长之后，阀门尚未完全关闭，此时已经有早先发出的水击波成为减压波传回来，这样A处的增压就不会达到阀门突然完全关闭时的水击增压，这种水击叫间接水击，否则叫直接水击。四、调压室的作用在较长管道中设置调压室，缩短了管道长度，减小相长，可以缓和水击，减低水击压强。由于调压室具有一定的贮水容量，这一边界条件使水击压强得到释放而大幅下降，并限制了水击向上游的传播。五、水流阻力的影响 以上的分析都没有考虑水击现象中管道中水流所受的阻力，因此在分析阀门突然关闭引起阀门与水库之间的水击波传播四个阶段时，能量没有耗损，第四阶段终止后，水流将回复到初始状态，水击波将无休止地传播下去，各断面的水击增压随时间变化曲线呈阶梯形。但实际上这是不可能的，各断面的水击增压随时间变化曲线呈衰减振荡形态。四、实验方法与步骤1阀门突然关闭后：水击波传播情况。2通过小灯泡，观察水击波传播的情况。3通过调压室水位振荡现象的演示，观察管道中压强变化情况。五、实验结果与数据处理实验测得L=4.88m,T=0.34s由公式a=2*L/T计算可得a=2*4.88/0.34=28.705 m/s即水击波传播的速度为28.705 m/s。六、讨论与结论思考题：1水击波的传播速度与哪些因素有关？本实验为什么要用胶皮管作为实验管段？答：水击波的传播速度与管壁直径、管壁应力、管壁材料的弹性模量、水的体积模量及水的密度有关。 在本实验中采用橡皮管是因为橡皮管有弹性便于清楚观察在水击波传播过程中管壁直径的的变化。2水击有何危害？为什么工程上要采用：延长阀门启闭时间；限制管道中流速；设置调压室等安全装置等措施来防止水击危害？答：水击的危害：水击引发的压强的升高或降低，有时会达到很大的数值，处理不当将导致管道系统发生强烈的震动，引起管道严重变形甚至爆裂。问题：延长阀门启闭时间可以避免产生直接水击并可降低间接水击压力。问题：由于水击压力与管内流速成正比，因此在设计中应控制管内流速不超过最大流速限制范围。但有时管道中的流量是一定的，管径一般由动能经济计算确定，减小流速意味着加大管径。用减小流速的办法降低水击压强，往往是不经济的，一般并不采用。但在一定的条件下，例如适当的加大管径可以免设调压井时，采用这一措施可能是合理的。问题：由于水击压力与管道长度成正比，因此在设计中可隔一定距离设置具有自由水面的调压井或安装安全阀和进排气阀，以缩短管道计算长度并消减水击压力。减压阀适用于引水管道较长和不担