管道水击压力测量实验

实验四管道水击压力测量实验

1.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

f流速突变f由于流动的惯性，造成压强大幅波动一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。

1.1水击波的压强增值

在已知水击波传播速度c的条件下，压强增量Ap与流速大小增量AV的关系为

△p=—c/?Av

1.2水击波的传播速度

水击波传播速度为

1

‘工农+工/

P

<pdpAdp

式中工农=_1,K为液体的体积弹性系数，▲空反映管壁的弹性，对于直径为D的圆

pdpKAdp

管,包=乌，其中E为管壁材料的弹性系数，3为管壁厚度。于是

AdpE3

#77

若忽略管壁弹性，即认为E=8,则％二,为声波在水中的传播速度

(c(F1435ni/s),以。二o水电站引水管的D/6g100,C^1000m/so

,DK

1+——

ES

1.3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（DA）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D处的负反射之后,

可以列出0<t<L/c,L/c<t<2L/c,2L/c<t<3L/c,3L/c<tV4L/c四个阶段水击现象的

物理特性。

图1水击波的传播

将2L/c称为水击的相长，从阀门A处开始的水击波传到上游D处，经负反射回来的减

压波又传到A处，所须时间为相长。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，此时己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。

1.4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。

1.5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。

2.实验目的要求

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。

3.实验仪器设备

8

8

c0

80

0

c8

c0

0

80

c0

0

80

80

0

80

e0

就-箱-、

,一台架

图2实验装置示意图

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、下游端部安装压力传感器探头，以测量压力变化情况。在胶管下游安装有机玻

璃管，上装快速电磁阀。在阀门前安装有机玻璃管以模拟调压室，并装设压力传感器以量测

不同情况下的水击压强时间变化曲线。

4.实验步骤

1.认真阅读实验目的要求、实验原理和注意事项。

2.将量测仪器按图示线路接好，打开电源。

3.对照实物了解仪器设备的使用方法和操作步骤，做好准备工作后，启动水泵，打开进水

开关，使水箱充水，并保持溢流状态，使水位恒定。

4.将动态应变仪调至平衡，并将压力传感器的微应变信号输给电阻平衡箱，然后由此将信

号送至示波器，可通过调节电阻平衡箱使示波器的灵敏度及偏移量为最佳值。

5.记录调压室的测管水头，用以计算动水压强值，然后关闭调压室与管道的联通阀门。

6.将管端快速阀门突然关闭，产生水击现象，水击波传播使橡胶软管膨胀凸起变化显示了

水击波的传播过程。用秒表记录下胶管中水击波传播时间。此时示波器已记录下水击压强过

程线。

7.打开调压室与实验管段间的联通阀门。待水流恒定后重复步骤6,此时记录下的水击压

强过程线即为有调