В гидравлических расчетах немалый интерес представляет скорость распространения ударной волны гидравлического удара, как и сам гидравлический удар. Как ее определить? Для этого рассмотрим круглое поперечное сечение в упругом трубопроводе. Если рассмотреть участок длиной Δl, то выше этого участка за время Δt жидкость еще движется со скоростью υ, кстати, как и до закрытия затвора.

Поэтому в соответствующей длине l объем ΔV ′ войдет жидкость Q = ωυ, т. е.

ΔV ′ = QΔt = ωυΔt, (1)

где площадь круглого поперечного сечения – объем, образовавшийся в результате повышения давления и, как следствие этого, из-за растяжек стены трубопровода ΔV₁. Oбъем, который возник из-за роста давления на Δp обозначим как ΔV₂. Значит, тот объем, который возник после гидравлического удара, есть

ΔV = ΔV₁+ ΔV₂, (2)

ΔV ′ входит в ΔV.

Определимся теперь: чему будут равны ΔV₁ и ΔV₂.

В результате растяжки трубы произойдет приращение радиуса трубы на Δr, то есть радиус станет равным r= r+ Δr. Из-за этого увеличится круглое сечение поперечного сечения на Δω = ω– ω. Все это приведет к приращению объема на

ΔV₁= (ω– ω)Δl = ΔωΔl. (3)

Следует иметь в виду, что индекс ноль означает принадлежность параметра к начальному состоянию.

Что касается жидкости, то ее объем уменьшится на ΔV₂ из-за приращения давления на Δp.

Искомая формула скорости распространения волны гидравлического удара

где ρ– плотность жидкости;

D/l – параметр, характеризующий толщину стенки трубы.

Очевидно, что чем больше D/l, тем меньше скорость распространения волны С. Если труба жесткая абсолютно, то есть Е = ∞, то, как следует из (4)

Для того, чтобы составить уравнение любого вида движения, нужно проецировать все действующие силы на систему и приравнивать их сумму к нулю. Так и поступим.

Пусть имеем напорный трубопровод круглого сечения, в котором есть неустановившееся движение жидкости.

Ось потока совпадает с осью l. Если выделить на этой оси элемент dl, то, согласно вышеуказанному правилу, можно составить уравнение движения

В приведенном уравнении проекции четырех сил, действующих на поток, точнее, на Δl, равны нулю:

1) ΔM – силы инерции, действующие на элемент dl;

2) Δp – силы гидродинамического давления;

3) ΔT – касательные силы;

4) ΔG – силы тяжести: здесь мы, говоря о силах, имели в виду проекции сил, действующих на элемент Δl.

Перейдем к формуле (1), непосредственно к проекциям действующих сил на элемент Δt, на ось движения.

1. Проекции поверхностных сил:

1) для гидродинамических сил Δp проекцией будет

2) для касательных сил ΔT

Проекция касательных сил имеет вид:

–ρgωJdl. (3)

2. Проекция сил тяжести Δ ΔG на элемент Δ Δ

3. Проекция сил инерции Δ ΔM равна

Будем рассматривать истечение, которое происходит через малое незатопленное отверстие. Для того, чтобы отверстие считать малым, должны выполняться условия:

1) напор в центре тяжести Н >> d, где d – высота отверстия;

2) напор в любой точке отверстия практически равен напору в центре тяжести Н.

Что касается затопленности, то таковой считают истечение под уровень жидкости при условии, если не изменяются со временем: положение свободных поверхностей до и после отверстий, давление на свободные поверхности до и после отверстий, атмосферное давление по обе стороны от отверстий.

Таким образом, имеем резервуар с жидкостью, у которой плотность ρ, из которого через малое отверстие происходит истечение под уровень. Напор Н в центре тяжести отверстия постоянен, что значит, скорости истечения постоянны. Следовательно, движение установившееся. Условием равенства скоростей на противоположных вертикальных границах отверстий является условие d ≤ 0,1Н, где d – наибольший вертикальный размер.

Ясно, что нашей задачей является определение скорости истечения и расхода жидкости в нем.

Сечение струи, отстоящее от внутренней стенки резервуара на расстояние 0,5d, называют сжатым сечением струи, которое характеризуется коэффициентом сжатия

Формулы определения скорости и расхода потока:

где υ называется коэффициентом скорости.

Теперь выполним вторую задачу, определим расход Q. По определению

Обозначим Еυ= μ, где μ – коэффициент расхода, тогда

Различают следующие разновидности сжатия:

1. Полное сжатие – это такое сжатие, которое происходит по всему периметру отверстия, в противном случае сжатие считается неполным сжатием.

2. Совершенное сжатие является одной из двух разновидностей полного сжатия. Это такое сжатие, когда кривизны траектории, следовательно, и степень сжатия струи наибольшие.

Подводя итог, заметим, что неполная и несовершенная формы сжатий приводят к росту коэффициента сжатия. Характерной особенностью совершенного сжатияявляется то, что в зависимости от того, под воздействием каких сил происходит истечение.

Отверстие считают малым, когда его вертикальные размеры d < 0,1Н. Большим отверстием будем считать такое отверстие, для которого тот же d> 0,1Н.

Рассматривая истечение через малое отверстие, практически пренебрегли различием скоростей в разных точках сечения струи. В этом случае поступить так же мы не сможем.

Задача та же: определить расход и скорости в сжатом сечении.

Поэтому расход определяют следующим способом: выделяют бесконечно малую горизонтальную высоту dz. Таким образом, получается горизонтальная полоса с переменной длиной bz. Тогда, интегрировав по длине, можно найти элементарный расход

где Z – переменный напор по высоте отверстия, на такую глубину погружен верх выбранной полосы;

μ – коэффициент расхода через отверстие;

b_z – переменная длина (или ширина) полосы.

Расход Q (1) можем определить, если μ = const и известна формула b_z= f(z). В общем случае, расход определяют по формуле

Если форма отверстия прямоугольная, то bz= b = const, интегрировав (2), получаем:

где Н₁, Н₂ – напоры на уровнях соответственно у верхней и у нижней кромок отверстия;

Нц – напор над центром отверстия;

d – высота прямоугольника.

Формула (3) имеет более упрощенный вид:

В случае истечения через круглое отверстие пределами интегрирования в (2) служат Н₁= Н_ц – r; Н₂ = Н_ц + r; Z = Н_ц – rcosυ; d_z = ρsinυdυ; b_z = 2rυsinυ.