有压管道中的水击现象初探

摘 要：在一些外界因素影响下，将使有压管道中的流速发生剧烈的变化，随之管道中的液体压强将会产生快速的交替升降的过程，产生非常高的水击压强，通常能够达到正常工作压强的几十倍，或者更高，因此应采取必要的防止和削弱措施。

关键词：水击现象;传播过程;水击分类;预防措施

1 水击产生的原因

有压管流中，由于某些外界原因（如水泵的突然停止、阀门的突然开启或关闭），使得水流速度发生突然变化，从而引起压强急剧升高或降低的交替变化的现象，称为水击或水锤[1]。

如上图所示，简单管道长为 ，进口端 接水库，末端 接调节阀门。为了方便分析，我们忽略水头损失和流速水头，认为管路中的测压管水头与水库水位相同，并且这里我们考虑液体的压缩性和管壁的弹性。

当闸门开启时，我们假设管中的水流为恒定流，压强为 ，流速为 。若 端閥门瞬间关闭，紧贴阀门的一层液体则以速度 冲击阀门，速度骤然下降至零，动量发生了变化。根据动量定理，动量的变化量等于阀门对水体的反作用力的冲量[2]。因此在外力作用下，靠近阀门处的液体压强升高至 ，由于管壁是弹性体，管壁膨胀。一层一层的液体和管壁相继发生同样的变化，以速度 向上游传播，并在边界处发生反射，由此就产生了水击现象。

2 水击波的传播过程

在阀门关闭的瞬间，管内的液体不会全部都停止流动，压强亦不是一起升高的，而是紧靠阀门断面的液层流速首先下降至零，压强增大，管壁横截面增大。这种变化由阀门断面产生，然后迅速向上游传播，传播速度为 ，所到之处压强发生变化，管道断面面积也发生变化，我们称之为水击波的传播。

3.2间接水击

间接水击是阀门的关闭时间 时产生的水击。当发生间接水击时，水库反射波在阀门开度变化结束前就已经到达阀门断面，其压强值相比于直接水击来说减少了很多，但是间接水击的计算相比于直接水击来说要复杂得多。

4 水击的防止和削弱

由于水击产生的压强非常大，可能使有压管道剧烈振动、产生形变甚至破裂，对我们的生产和生活产生严重影响，因此必须采取措施加以削弱。目前在工程中可以采取的措施一般有下面几种：

（1）减小有压管道中液体的流速，通过增大管道的直径也可以起到减小液体流速的目的。

（2）减小管道的长度，使得从上游反射回来的减压波能够快速传到压力管道的阀门端，来达到减弱水击，降低水击压强的目的。

（3）延长关阀时间，避免直接水击，使水击压强在上升不高时就与从上游水库边界反射回来的减压波叠加。

（4）设置调压室，这是减小水击压强最显著的措施，但是其产生的费用较高。

（5）采取合理的阀门关闭规律。该方法简单易行，又较为经济。

参考文献：

[1] 张劲，杨栗晶.水力计算与测试技术[M].北京：中国水利水电出版社，2013（12）：103-109.

[2] 吕红兴，裴国霞，杨玲霞等.水力学[M].北京：中国农业出版社，2002.

作者简介：

黄丽萍（1998.4.21-）女，汉族，四川省德阳市，本科生，研究方向：水利水电工程。