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水击

水力学术语

水击是在有压管道中，液体流速发生急剧变化所引起的压强大幅度波动的现象。管道系统中闸门急剧启闭，输水管水泵突然停机，水轮机启闭导水叶，室内卫生用具关闭水龙头，都会产生水击。

具体解释
封闭管道中液体流速突然变化引起的压力急剧变化或波动，是封闭管道中的一种非定常压力流。水电站事故甩荷关机、水泵站断电停泵和输油管启闭阀门，都会出现这种现象，并伴随发生机械撞击声。水击可导致管道系统的强烈震动，间接水击的计算需要知道流速随时间变化的关系，产生噪声和气穴。掌握水击压强的变化规律对输水管道的设计。
机理
封闭管道中的水击过程是压力波传播的过程。假如管壁是刚性的，就水的可压缩性来说，压力波同声波在水中传播速度是一样的，可表示为：，式中K为水的体积弹件模量；ρ为水的密度。在常温下，cs=1425米/秒，实际上封闭管道中的压力波传播速度还受管壁弹性的影响，因而上式变成：计算方法
式中E为管壁材料弹性模量；D和e为管径和壁厚。
水击压力波的传播过程如图所示。设从水库引水的管道长度为L，末端装有快速启闭阀门。如果忽略水力损失，则管道末端的初始水头H等于水库水头H0，管内初始流速v=v0。从图上可以看到阀门瞬间关闭后发生的水击现象。阀门关闭后，紧靠阀门处管段Δx的流速首先等于零。由于水流的惯性，水体被压缩，管壁膨胀，水头增加ΔH并以波速c向上游传播，使压头增至H0+ΔH。
当t=L/c时，压力波到达进口，此时整个管内压头为H0+ΔH，流速为零。由于管内压头比水库高ΔH，为了保持平衡，管内水体倒流并产生以波速c向下游传播的降压反射波，使进口压头恢复到初始状态H0。
当t=2L/c时，反射波到达阀门，整个管内压头为H0，但流速v0朝向上游。由于惯性，在阀门处产生降压ΔH的反射波，以速度c向上游传播，使管内压头降至H0－ΔH。
当t=3L/c时，整个管内压头为H0－ΔH，流速为零。因管内压头比水库低ΔH，水库水又流入管内，v0朝向下游，在进口处产生增压ΔH的反射波以波速c向下游传播，进口压头回到H0。
当t=4L/c时，压力波到阀门，整个管内流速和水头恢复到初始状态，完成了一个压力振荡周期，以后水击现象又重复上述过程。
因为存在水力损失，水击压力振幅实际上随时间衰减，并非保持不变。
水击压强
水击的基本问题是最大压强的计算，最大压强一般出现在发射波断面（如阀门处）。根据上述波动过程可以绘出理想水击时阀门处的压强随时间变化图。当t=2l/c时,压强突然降低，这是由于反射波回到阀门。实际水击过程仍然存在反射波改变阀门压强的作用。所以,当阀门关闭尚未到达2l/c的时间时，阀门处流速不断降低，压强不断增高。当阀门关闭时间超过2l/c时，由于反射波已回到阀门，使压强降低。故有直接水击和间接水击的不同计算方法。
分类
水击按阀门启闭时间和波的往返传播时间的关系可分为直接水击和间接水击。
若阀门关闭时间T8≤2L/c，在来自进口的反向波到达管末端前，阀门已关闭，管末端水击只受正向波影响，此压力过程称为直接水击。这时v=0，F（t+x/c）=0，由上两式得直接水击计算公式：ΔH=cv0/g。
若阀门关闭时间T8>2L/c，在来自进口的反向波到达管末端前，阀门尚未关闭，这时水击是由阀门处产生的正向波和从上游来的反向波叠加而成，此压力过程称为间接水击。间接水击的计算有解析法(用连锁方程求解)、图解法和特征线法等。对简单管道，可采用前两种方法，对边界条件复杂的管道采用后一种方法利用电子计算机计算较为方便。
设计某些管道应考虑水击压力，必要时可在管道适当的位置设调压塔或减压阀，以削减水击压力，防止管道破坏事故。
基本方程
假设管壁不变形，且忽略水力损失项和非线性项，并令p=γH(γ为水的比重)，则管道非定常压力流的基本方程(见压力流)可简化为：
式中v和H为瞬变流速和水头；c为波速；x和t为距离和时间；g为重力加速度。上式一般积分的形式为：
式中Φ为顺x轴的正向波；F为逆x轴的反向波；v0为管内的初始流速。
由于计算机的普遍使用，现多采用数值计算方法，如特征线法，隐式有限差分法和有限体积法。
计算方法
（1）解析法
解析法的基本原理是，将水击基本方程组化为波动方程并求其通解，结合边界条件及初始条件可逐步求得任意时刻的任意断面上的水击压强，其物理意义明确，应用简单，多适用于不计阻力的管路系统。
（2）图解法
图解法以解析法导出的关系式为基础进行图解。图解法的复杂程度由管道系统的复杂性来决定，管道越复杂且摩阻损失占比重越大、水击波反复传播次数越多，图解法计算过程也越复杂，同时计算精度也较低，限制了对工程水击问题的研究和解决。
（3）有限差分法
有限差分法（Finite Difference Calculus）用差商来代替控制方程中的导数，解出网格点上的函数值从而确定流体的参数。有限差分法分为显式和隐式两种格式。随着差分方法的发展，产生了众多不同精度的差分格式，但在收敛性、稳定性等方面，有待解决的问题仍然不断出现。
（4）特征线法
该方法将考虑管道摩阻的水击偏微分方程沿其特征线变换为全微分方程，再近似的变成差分方程，然后进行数值计算。这种方法便于建立求解微分方程的稳定准则，计算精度高，容易处理边界条件，可用于复杂系统的计算，编制程序也比较方便。目前特征线法是水击计算最主要方法之一。
（5）有限体积法
有限体积法通常用来求解双曲线方程的情况，比如气体动力学以及浅水波的问题。采用有限体积法的优势主要在于（1）能够保持质量方程和动量方程的完整性，（2）对没有振荡的非连续性问题能有很好的解。
预防措施
水击压强是巨大的，这一巨大的压强可使管路发生很大的变形，甚至爆炸。为了预防水击的危害，可在管路上设置空气室，或安装具有安全阀性质的水击消除阀，如安全阀。 具体措施如下：
（1）适当加大管径，限制管道流速。一般在液压系统中把速度控制在4.5m/s以内，△P不超过5MPa就可以认为是安全的。
（2）正确设计阀口或设置制动装置，使运动部件制动时速度变化比较均匀。
（3）延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间，可采用换向时间可调的换向阀。
（4）尽量缩短管长，以减小压力冲击波的传播时间。
（5）在容易发生液压冲击的部位采用橡胶软管或设置蓄能器，以吸收冲击压力；也可以在这些部位安装安全阀，以限制压力升高。
参考文献
1.词条作者：董兴林《中国大百科全书》74卷（第一版）力学 词条：流体力学 中国大百科全书出版社 ，1987 ：438页
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