流体力学讲义 第十一章 非恒定流问题

第十一章非恒定流问题

本章介绍了有压管流中的非恒定流现象——水击现象及其四个阶段、间接水击、直接水击、正水击与负水击的概念。

第一节有压管道中的水击

非恒定流主要表现为压强和液体密度的变化和传播。

一、水击现象的基本概念

水击现象（Water-hammer Phenomena）：在有压管道系统中，由于某一管路中的部件工作状态的突然改变，就会引起管内液体流速的急剧变化，同时引起液体压强大幅度波动，这种现象称为水击现象。

判断：有压管路会发生水击现象，明渠也会发生水击现象。你的回答：错

直接水击（Rapid Closure）：当关闭阀门时间小于或等于一个相长时，最早由阀门处产生

的向上传播而后又反射回来的减压顺行波，在阀门全部关闭时还未到达阀门断面，在阀门断面处

产生的可能最大水击压强将不受其影响，这种水击称直接水击。

间接水击（Slow Closure）：当关闭阀门时间大于一个相长时，从上游反射回来的减压波会

部分抵消水击增压，使阀门断面处不致达到最大的水击压强，这种水击称为间接水击。

正水击（Positive Water-hammer）：当管道阀门迅速关闭时，管中流速迅速减小，压强显著

增大，这种水击称为正水击。

负水击（Suction Water-hammer）：当管道阀门迅速开启时，管中流速迅速增大，压强显著

减小，这种水击称为负水击。

问题：由阀门关闭造成的水击称为；由阀门开启造成的水击称为：

A.正水击负水击；

B.负水击正水击；

C.间接水击直接水击；

D.直接水击间接水击。

二、有压管道中的水击的四个阶段（图11-1、11-2）

1.：增压逆波阶段

水击波的传播现象：一个增压波以一定速度向水库方向传播的现象，

水击压强：压强增值（或水头增值ΔH）称为水击压强。

2.：减压顺波阶段

水击的相长：即水击波由管道的阀门传到进口后又由进口传到阀门所需的时间。

图11-1

增压逆波阶段减压顺波阶段

减压逆波阶段增压顺波阶段

图11-2

3.：减压逆波阶段

4.：增压顺波阶段。

注意：水击问题中，考虑水的可压缩性和管壁弹性变形的影响。

问题：当阀门突然关闭时产生的水击波在l/c

A.下游减小；

B.下游增大；

C.上游减小；

D.上游增大。

三、水击的计算

1.水击波的传播速度

（11-1）

式中：c0——水中声波的传播速度，c0 =1425m/s ；

E0——水的弹性模量，E0 =2.04 109 N/m2；

E——管壁的弹性模量；

D——管径（m）；

d——管道壁厚（m）。

问题：在研究水击问题时，必须考虑的是：

A.连续性；

B.粘滞性；

C.有表面张力；

D.可压缩性。

2.水击压强的计算

判断：由于压力管道中水的可压缩性和管壁的弹性对水击起缓冲作用，使整个管道中的流速及压强能同时升高或降低。错

直接水击压强最大值计算公式：

（11-2）

或（11-3）

间接水击压强计算公式：（用水击联锁方程求解，初估用下式）

（11-4）

或（11-5）

式中：T z——阀门关闭时间；

T r =2l/c——水击波相长；

v0 ——水击前的管中流速。

四、水击危害的预防

1.设置空气室，或安装具有安全阀性质的水击消除阀；

2.设置调压塔：减小水击压强及缩小水击的影响范围；

3.延长阀门关闭时间；（缓闭止回阀）

4.缩短有压管路的长度；（用明渠代替）

5.减小管内流速（如加大管径）。

第二节明渠非恒定流

明渠非恒定流是一种具有自由表面的波动现象（图11-3）。

波体：水面高出或底于原水位的空间或水体。

波波峰：波的前锋波高：波的顶点至原水面的高度。

波速：波峰推进的速度。

图11-3

1.推进波与位移波

推进波：只有高低起伏的波形向前推进，而几乎是没有流量的传递的波动现象称推进波。如在湖泊或海洋的风或波。

位移波：不但波形向前推进，同时流量增减随水面的涨落变化，即水流质点也向前移动，这种波动现象称位移波（移动波）。

2.位移波的分类

顺行波（顺水流方向）。

。位移波（传播方向）

逆行波（逆水流方向）

涨水波（正波），如图11-5。

位移波（传播过程

促使水面涨落情况）落水波（负波），如图11-4。

图11-4

图11-5

本章小结

1.水击现象是有压管路中的非恒定流。

2.水击的传播过程分：增压逆波、减压顺波、减压逆波、增压顺波四个阶段。

3.根据阀门关闭时间与相长的大小关系，水击分为直接水击和间接水击两种，其水击压强计算如下：

o直接水击：

o间接水击：

o根据水击产生的机理，水击分正水击与负水击。

4.明渠非恒定流是一种具有自由表面的波动现象，主要表现为位移波和推进波两种。