5.5 水击现象
水击现象资料
02
• 阻尼：流体在管道或设备中 的摩擦、碰撞等 • 惯性：流体在运动过程中具 有的保持原有速度的性质
水击现象的主要类型及其特点
水击波：当流 体中的压力波 以音速传播时， 称为水击波
01
• 特点：传播速度快，能量大， 易导致管道和设备损坏
蒸汽水击：当 蒸汽与液态水 混合时，由于 密度差异和速 来自差异而产生 的水击现象03
水击现象的预防与应对措施
设计阶段的预防措施与方法
合理设计：在设计阶段，充分考虑管道和设备的水 击承受能力，合理选择管径、壁厚等材料
• 管径：选择合适的管径，以减小流体 在管道中的流速，降低水击风险 • 壁厚：选择合适的壁厚，以提高管道 的强度和刚度，抵抗水击冲击力
缓冲装置：在管道和设备上设置缓冲装 置，以减小水击现象的影响
水击现象深度解析
01
水击现象的基本概念与原理
水击现象的定义及其成因
水击现象是指 在流体（如水） 中，由于流速 突变或压力突 变而导致的现
象
01
• 流速突变：如阀门突然关闭、 泵的启停等 • 压力突变：如流体在不同高 度的压力变化
成因：水击现 象主要是由于 流体在管道或 设备中受到阻 尼和惯性作用
04
水击现象的研究进展与展望
水击现象的研究现状及分析方法
• 研究现状：水击现象的研究已取得一定的成果，但仍存在一些问题和挑战 • 理论研究：水击现象的理论研究已取得一定的进展，但仍有待进一步完善 • 实验研究：水击现象的实验研究相对较少，需要进一步开展
• 分析方法：水击现象的分析方法主要有数值模拟、实验研究和现场监测等 • 数值模拟：通过建立数学模型，对水击现象进行模拟分析，预测水击现象的发生和发展 • 实验研究：通过实验装置，对水击现象进行实验研究，验证理论分析和数值模拟的结果 • 现场监测：通过对管道和设备的现场监测，收集实际运行数据，为水击现象的研究和分析提供依据
流体力学5-7
（2） 在水泵的压水管路上设置缓慢关闭的逆止阀，如油阻尼逆止阀。 作用：延缓关阀时间，避免直接水击。 （3） 安装消除水击的设备，如水击消除阀、减压阀。 作用：过载保护。 （4） 限制管中的流速，减小管道长度，增加管道弹性等。
小结
1 本章采用恒定流三大方程以及能量损失公式，研究孔口、管 嘴、管路出流的规律。 孔口出流按出流的下游条件，分为自由与淹没出流。薄壁小孔 自由出流与淹没出流的流量计算公式基本相同：
阀门处 - v0 0, p0 p0 p, 当t
3l 时，全管 v 0, p p0 p c
（4）常压波由管路进口向阀门传播阶段：进口压强比水池低，水向下游流动
l 0 v0 , p0 p p0 .当t 4 时，全管p p0 , v v0 , 与水击前一样。 c 由于水的惯性，水以 v0流动，在阀门处受阻， p0 p0 p, 如此重复。
（2）常压波由管路进口向阀门传播阶段： l/c < t < 2l/c
t ，全管p p0 , v v0 . l H l , 进口p0 p, 而水箱p0 , 在p作用下，v v0当t 2 时 c g c
（3）减压波由阀门向管路进口传播阶段：2l/c < t < 3l/c
pa p1 v12 l1 v12 zs hw01 hv (1 fv b ) 5.51m g 2g d1 2g
仍以水池水面为基准面0－0，对0－0与水塔水面2－2列能量方程：
0 0 0 H t H g 0 0 hw02
Qv1 Qv 2 Qv3 , hl13 hl hl 2 hl 3 , S S1 S2 S3.
并联
水力学 第五章课后题答案
5.3水泵自吸水井抽水，吸水井与蓄水池用自流管相接，其水位均不变，如图所示，水泵安装高度 = 4.5，
自流管长l=20m，直径d=150mm，水泵吸水管长1 = 12，=0.025，管滤网的局部水头损失系数 = 2.0，水泵
底阀局部水头损失系数 = 9.0.90°弯角局部水头损失系数 = 0.3，真空高度6m时，求最大流量，在这种流量
1
+ 4 + 3 4
H= + ℎ1 + ℎ2 + ℎ4 = 45.43
= + 100 = 145.43
2
=3.357m
5.9图示为一串联管道自水池引水到大气中。第一段管道d1=100mm，l1=25m，第二段d2=50mm，l2=20m，通过流
量 = 5.0 ×
和0.2344,对两渠水面应用伯努利方程可得，
2
2
∆ = + 1 + 2 + 3 + 4
= 8.224
2
2
解得 v=3.452m/s
3
2
解得Q =
v = 0.678 Τ
4
水头线绘制方法：
1.找出骤变截面，用虚线表示
2.根据管道大小判断在不同管道处的流速
3.总水头线在上，测压管水头线在下，进行绘制
设有带底阀莲蓬头及45°弯头一个，压力水管为长50m，直径0.15m的钢管，逆止阀，闸阀各一个，
局部损失系数分别为2，0.2以及45°弯头一个，机组效率为80%，求0.05m3/s流量时的水泵扬程
钢管的粗糙系数取0.012利用公式 =
82
1
3
管道的水击现象及其防护
管道的水击现象及其防护 Final revision by standardization team on December 10, 2020.管道的水击现象及其防护摘要：水击是指压力瞬变过程，是管路中不稳定流所引起的一种特殊重要现象。
本文介绍了水击现象的定义、理论、形式和形成原因。
概述了水击现象的危害并论述了管道水击的防护措施。
关键词：管道水击现象危害防护措施1 水击现象在日常生活中,我们碰到的水流不稳定现象很多。
当我们快速关闭水龙头或关闭闸阀和水轮机导水叶时,在关闭过程中,随着阀门开度的减少,管道中的流速也逐渐减小,由于水流的动量快速变化,在闸阀的上游部分将产生压力升高;而在下游部分(如在尾水管中)产生压力降低。
当开启阀门或水轮机导水叶时,管道中的流速逐渐增大,在导叶上游部分产生压力降低,而在其下游部分(如在尾水管中)产生压力升高。
特别是在水电站或水泵站的有压引水系统中,通常用导叶或阀门调节流量,以达到适应水电站出力变化或水泵站供水量变化的生产要求。
这种调节往往是快速的,因此必然引起有压引水管道中的流速发生急剧变化,伴随着将产生管道中液体内部压强迅速交替升降的水力现象。
这种交替升降的压强作用在管道、阀门或其他管道元器件上好像锤击一样,故称这种有压非恒定流为水击现象,简称水击。
交替升降的压强称为水击压强[1]。
水击现象的定义水击是指压力瞬变过程，是管路中不稳定流所引起的一种特殊重要现象。
当由于某种原因引起管路中流速突然变化时，例如开关阀门过快、突然断电停泵，都会引起管内压力突然变化，造成水击。
当急剧变化的压力波波前通过管路时，产生一种声音，犹如用锤子敲击管路时发出的噪音，故水击亦称水锤[2]。
水击理论弹性水击理论考虑液体的压缩性和管材的弹性,在管道各个截面上液体的流速是位置与时间的函数,V=f(x,t)。
弹性水击理论适用于长距离和液体流速较大的管道,实践证明,这个理论与实际情况相符。
刚性水击理论忽略液体的压缩性与管材的弹性,把管道内的液体视为一条整体的“刚性水柱”,在管道各个截面上的液体流速只是时间的函数,而与位置无关,V一f(t)。
水击现象演示
水击现象演示12自循环水击综合实验仪如下图所示：1、恒压供水箱；2、水击扬水机出水管；3、气压表；4、扬水机截止阀；5、压力室；6、调压筒；7、水泵；8、水泵吸水管；9、供水管；10、调压筒截止阀；11、水击发生阀；12、逆止阀；13、水击室；14、集水箱；15、底座。
水泵7能把集水箱14中的水送入恒压供水箱1中，水箱1设有溢流板和回水管，能使水箱中的水位保持恒定。
工作水流自水箱1经供水管9和水击室13，再通过水击发生阀11的阀孔流出，回到集水箱14。
实验时，先全关阀10和4，触发起动阀11。
当水流通过阀11时，水的冲击力使阀11向上运动而瞬时关闭截止水流，因而在供水管9的末端首先产生最大的水击升压，并使水击室13同时达到这一水击压强。
水击升压以水击波的形式迅速沿着压力管道向上游传播，到达进口以后，由进口反射回来一个减压波，使管9末端和水击室13内发生负的水击压强。
通过阀11和12的操作过程观察到水击波的来回传播变化现象，即阀11关闭，产生水击升压，使逆止阀12克服压力室5的压力而瞬时开启，水也随即注入压力室内，并可看到气压表3随着产生压力搏动。
然后，在进口传来的负水击作用下，水击室13的压强低于压力室5，使逆止阀12关闭，同时水击阀11在负水击和阀体自重的共同作用下，向下运动而自动开启。
这一动作既观察到水击波的传播变化现象，又能使本实验仪保持往复的自动工作状态，即阀11开启，水自阀孔流出，又回到这一动作的初始状态，这样周而复始，阀11不断地启闭，水击现象也就不断地重复发生。
通过逆止阀12、压力室5和气压表3组成水击压强的定量观察装置，随水击的每次升降压，通过逆止阀12都向压力室5注入一定的水流，而压力室5是密闭的，这样就可从与压力室5相连的气压表3上测量压力室5空腔中的压强，如是逆止阀12不开启时的压强就是产生的最大水击压强值。
水击的利用是由图中1、9、11、12、13、5、4、2等组成的水击扬水机来演示的。
什么是压力管道的水击(水锤)现象？有何危害？如何消除？
什么是压力管道的水击（水锤）现象？有何危害？如何消除？
在压力管道中，由于液体流速的急剧改变，从而造成瞬时压力显著、反复、迅速变化的现象，称为水击，也称水锤。
引起水击的基本原因是：当压力管道的阀门突然关闭或开启时，当水泵突然停止或启动时，因瞬时流速发生急剧变化，引起液体动量迅速改变，而使压力显著变化。
管道上止回阀失灵，也会发生水击现象。
在蒸汽管道中，若暖管不充分，疏水不彻底，导致送出的蒸汽部分凝结成水，体积突然缩小，造成局部真空，周围介质将高速向此处冲击，也会发出巨大的音响和振动。
水击现象发生时，压力升高值可能为正常压力的好多倍，使管壁材料承受很大应力；压力的反复变化，会引起管道和设备的振动，严重时会造成管道、管道附件及设备的损坏。
消除或减轻水击危害的基本方法有：
（1） 缓慢开启或关闭阀门；
（2） 尽量缩短阀件与容器间的管道长度；
（3） 止回阀应动作灵活，不应出现忽开忽关现象；
（4） 管道就装设安全阀、空气阀或蓄能器；
（5） 蒸汽管道送汽前要充分暖管，彻底疏水，然后缓慢开启阀门送汽。
5.5 水击现象
3．膨胀过程(惯性作用) 压缩恢复过程结束后，液体并不能停止流动，在 惯性的作用下，液体还将以速度v 继续向容器内 流动，阀门N-N处液体首先减少，使其压力由p降 低到p-ph。因而液体密度减小，体积膨胀，管壁 相应收缩，同时液体的流动速度也降为零。这一 膨胀仍以水击波速度c向M-M断面传播,如图 （c） 所示。从阀门关闭时间算起，经过时间 t 3L / c 后， 使管道中的液体都处于膨胀状态，压力比正常情 况下的压力降低了ph。此过程为减速减压的膨胀 过程。
五、水击压强计算
控制体轴向合外力： ( p ph ) A pA ph A
控制体内流体轴向动量变化： m(v2 v1 ) Ac(dt)v 有动量方程：
ph A
Ac (dt )v
dt
Acv
得水击压强： ph cv
六、消除水击的措施
① ②
三、应用
水锤泵（又称水锤扬水机）就是利用水击压力变化反复工作的，
且不需要任何其它动力设备。
四、水击的传播过程
长度为 L的管道，上游M点连接水池，下游N点装有 闸门，水击前管道内的流动速度为v。 1．压缩过程 阀门突然关闭，首先在 N-N断面上液体停止了流动， 同时压力升高ph。然后相邻的另一层液体也停止了 流动，压力也相应升高ph。这种压力升高以水击波 的传播速度c由阀门N处一直向管道进口 M传播。经 时间 t L / c 传到管道进口，这时整个管道中压力 都升高到p+ph。液体受到压缩，密度增高，管壁膨 胀，这是一个减速增压的压缩过程。
④
4．膨胀恢复过程 膨胀过程结束后，由于容器内的压力高于管道内 的压力，在压差的作用下，液体以速度v 流向管 内,最先使管道进口M处的压力恢复到正常情况。 然后压力的恢复由 M断面以水击波的传播速度c 向N断面传播。从关闭阀门时算起，经过时 间 t 4 L / c ，完成了增速增压的膨胀恢复过程， 使整个管道中液体的压力、密度都恢复到了正常 值，完成了一个周期的水击变化过程。 由于流体的惯性作用，管中流体仍以速度v向下 流动，但阀门关闭，流体被阻止，于是又重复刚 才的过程。
55水击现象汇总
同时压力升高ph。然后相邻的另一层液体也停止了 流动，压力也相应升高ph。这种压力升高以水击波
的传播速度c由阀门N处一直向管道进口M传播。经 时间 t L / c 传到管道进口，这时整个管道中压力 都升高到p+ph。液体受到压缩，密度增高，管壁膨 胀，这是一个减速增压的压缩过程。
水击简介
一、水击现象
当液体在压力管道中流动时，由于某种外界原 因（如阀门的突然开启或关闭，或者水泵的突然 停车或启动，以及其它一些特殊情况）液体流动 速度突然改变，引起管道中压力产生反复的、急 剧的变化，这种现象称为水击（或水锤）。
二、危害
①水击现象发生后，引起压力升高的数值，可能达 到正常压力的几十倍甚至几百倍，而且增压和减 压交替频率很快，反复的冲击会使金属表面损坏， 打出许多麻点，轻者增大了流动阻力，重者损坏 管道及设备，使其产生变形，严重时会造成管道 的破裂。
由于流体的惯性作用，管中流体仍以速度v向下 流动，但阀门关闭，流体被阻止，于是又重复刚 才的过程。
五、水击压强计算
控制体轴向合外力： ( p ph )A pA ph A
控制体内流体轴向动量变化： m(v2 v1) Ac(dtA
Ac(dt)v
dt
Acv
得水击压强： ph cv
六、消除水击的措施
① 尽可能的延长阀门的启闭时间，缩短管道长度。
② 减小流速。（一般液压系统中最大流速限制在5～7m/s 左右,给水管网中3m/s）。
③ 采用过载保护，在可能产生水击的管道中装设安全阀、 调压塔、溢流阀和蓄能器等以缓冲水击压力。
④ 增加管道弹性，例如液压系统中，铜管和铝管就比钢 管有更好的防水击性能，或采用弹性较大的软管，如橡胶 或尼龙管吸收冲击能量，则可更明显地减轻水击。
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五、水击压强计算
控制体轴向合外力： ( p ph ) A pA ph A
控制体内流体轴向动量变化： m(v2 v1 ) Ac(dt)v 有动量方程：
ph A
Ac (dt )v
dt
Acv
得水击压强： ph cv
六、消除水击的措施
① ②
2．压缩恢复过程 压缩过程结束后，管道中压力比容器中压力高了 ph。在压力差ph的作用下，管道中的液体将以速 度 v 由管道流回容器内，如图（ b ）所示。与此 同时，这层液体的压力由p+ph恢复到正常的压力 p，管壁的膨胀也得到恢复，这种恢复以水击波 的传播速度 c 向管道末端 N-N 传播。从阀门关闭 时间算起，经过时间 t 2L / c 后，由 M-M 传播 到N-N断面，使整个管道都恢复到正常数值。该 过程是一个增速减压的压缩恢复过程。
④
3．膨胀过程(惯性作用) 压缩恢复过程结束后，液体并不能停止流动，在 惯性的作用下，液体还将以速度v 继续向容器内 流动，阀门N-N处液体首先减少，使其压力由p降 低到p-ph。因而液体密度减小，体积膨胀，管壁 相应收缩，同时液体的流动速度也降为零。这一 膨胀仍以水击波速度c向M-M断面传播,如图 （c） 所示。从阀门关闭时间算起，经过时间 t 3L / c 后， 使管道中的液体都处于膨胀状态，压力比正常情 况下的压力降低了ph。此过程为减速减压的膨胀 过程。
尽可能的延长阀门的启闭时间，缩短管道长度。
减小流速。（一般液压系统中最大流速限制在 5～7m/s 左右,给水管网中3m/s）。 采用过载保护，在可能产生水击的管道中装设安全阀、 调压塔、溢流阀和蓄能器等以缓冲水击压力。
③
增加管道弹性，例如液压系统中，铜管和铝管就比钢 管有更好的防水击性能，或采用弹性较大的软管，如橡胶 或尼龙管吸收冲击能量，则可更明显地减轻水击。
4．膨胀恢复过程 膨胀过程结束后，由于容器内的压力高于管道内 的压力，在压差的作用下，液体以速度v 流向管 内,最先使管道进口M处的压力恢复到正常情况。 然后压力的恢复由 M断面以水击波的传播速度c 向N断面传播。从关闭阀门时算起，经过时 间 t 4 L / c ，完成了增速增压的膨胀恢复过程， 使整个管道中液体的压力、密度都恢复到了正常 值，完成了一个周期的水击变化过程。 由于流体的惯性作用，管中流体仍以速度v向下 流动，但阀门关闭，流体被阻止，于是又重复刚 才的过程。
水击简介 一、水பைடு நூலகம்现象
当液体在压力管道中流动时，由于某种外界原 因（如阀门的突然开启或关闭，或者水泵的突然 停车或启动，以及其它一些特殊情况）液体流动 速度突然改变，引起管道中压力产生反复的、急 剧的变化，这种现象称为水击（或水锤）。
二、危害
①水击现象发生后，引起压力升高的数值，可能达
到正常压力的几十倍甚至几百倍，而且增压和减 压交替频率很快，反复的冲击会使金属表面损坏， 打出许多麻点，轻者增大了流动阻力，重者损坏 管道及设备，使其产生变形，严重时会造成管道 的破裂。 ②压力的反复变化会使管壁及设备受到反复的冲击， 发出强烈的振动和噪音，尤如管道受到锤击一样， 故又称为水锤。
三、应用
水锤泵（又称水锤扬水机）就是利用水击压力变化反复工作的，
且不需要任何其它动力设备。
四、水击的传播过程
长度为 L的管道，上游M点连接水池，下游N点装有 闸门，水击前管道内的流动速度为v。 1．压缩过程 阀门突然关闭，首先在 N-N断面上液体停止了流动， 同时压力升高ph。然后相邻的另一层液体也停止了 流动，压力也相应升高ph。这种压力升高以水击波 的传播速度c由阀门N处一直向管道进口 M传播。经 时间 t L / c 传到管道进口，这时整个管道中压力 都升高到p+ph。液体受到压缩，密度增高，管壁膨 胀，这是一个减速增压的压缩过程。