工程流体力学

水击综合实验

指导书

流体力学实验室

2005年

水击综合实验

一、实验目的

1．观察管道水击现象的发生、传播与消失过程，增强对水击现象的感性认识。 2．量测水击引起的压强增量，加深对水击影响的定量认识。 3．了解水击的利用—水击扬水原理。

4．通过调压室水位振荡现象的演示，以及使用调压室前、后水击压强增量的变化情况，了解调压室消减水击压强的作用。

二、实验装置

水击实验装置由集水箱、吸水管、水泵、恒压水箱、供水管、水击室、水击发生阀、调压筒、压力室、扬水机出水管、气压表等组成。实验装置如下图所示。

水击实验装置图

1．恒压水箱 2．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 16．回水管

水泵把集水箱中的水送入恒压供水箱中，水箱内设有溢流板和回水管，能使水箱中的水位保持恒定。工作水流自水箱经供水管和水击室，再通过水击发生阀的阀孔流出，回到集水箱。 三、实验原理

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1．水击的产生和传播

在有压管路中流动的液体，当考虑流体的压缩性和管壁的变形时，由于某种外界原因(如阀门突然关闭、水泵或水轮机组突然停车等)，使得液体流速发生突然变化，并由于液体的惯性作用，引起压强急剧升高和降低的交替变体，即水击。升压和降压交替进行时，对于管壁和阀门的作用如同锤击一样，因此水击也称为水锤。

实验时，先全关闭调压筒截止阀10和扬水机截止阀4，触发起动水击发生阀11。当水流通过阀11时，水的冲击力使阀11上移关闭而快速截止水流，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同时承受到这一水击压强。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，使供水管9末端和水击室13内产生负的水击压强。

水击实验仪通过阀11和12的动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，并可看到压力表3随着产生压力波动。然后，在进口传来的负水击作用下，水击室13压强低于压力室5，使逆止阀12关闭，同时，负水击又使阀11下移而开启。这一动作过程既能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，即当阀11再次开启后，水流又经阀孔流出，回复到初始工作状态。这样周而复始，阀11不断地开启、关闭，水击现象也就不断地重复发生。

2．水击压强的定量观测

水击现象造成的压强升高，轻微时引起噪声和管路振动；严重时可导致管路的爆裂。由于水击的作用时间短、升压大，通常需用复杂而昂贵的电测系统作瞬态测量，而本仪器用简便的方法可直接地量测出水击升压值。此法的测压系统是由逆止阀12，压力室5和气压表3组成。阀11每一开一闭都产生一次水击升压，由于作用水头、管道特性和阀的开度均相同，故每次水击升压值相同。每当水击波往返一次，都将向压力室5内注入一定水量，因而压力室内的压力随着水量的增加而不断累加，一直到其值达到与最大水击压强相等时，逆止阀12才打不开，水流也不再注入压力室5，压力室内的压力也就不再增高。这时，可从连接于压力空腔的压力表3测量压力室5中的压强，此压强即为阀11关闭时产生的最大水击压强，这一测量原理可用一个日常生活例子来加深理解：如用气筒以每次3 kgf/cm2的压强向轮胎内打气，显然，只有反复多次地打，轮胎内的压强方可达到且只能达到3 kgf/cm2。

水击实验仪工作水头为25 cm水柱左右，气压表显示的水击压强值 最大可达300mm汞柱(408 cm水柱)以上，即达到16倍以上的工作水头。这表明水击有可能造成工程破坏。

3．水击的利用—水击扬水原理

水击现象一般是有害的，但在适当的条件下，也可以变害为利，水击扬水机就是利用水击原理设计的一种无动力扬水设备。水击扬水机由实验装置图中的恒压水箱、供水管、水击室、水击发生阀、逆止阀、压力室、扬水机截止阀、扬水机出水管等部件组成。

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水击发生阀11每关闭一次，在水击室13内就产生一次水击升压，逆止阀12随之被瞬时开启，部分高压水被注入压力室5，当扬水机截止阀4开启时，压力室的水便经出水管2流向高处。由于阀11的不断动作，水击连续多次发生，水流也不断地注入压力室，因而便源源不断地把水提升到高处。水击实验仪扬水高度约 37cm，即达到恒压供水箱的液面约1.5倍的作用水头。

水击扬水机虽然能使水流从低处流向高处，但它仍然遵循能量守恒规律。扬水提升的水量仅仅是流过供水管的一部分，另一部分水量通过水击发生阀11的阀孔流出了水击室。正是这后一部分水量把自身具有势能（其值等于供水箱液面到阀11出口处的高差），以动量传输的方式，提供给扬水机扬水。由于水击的升压可达十几倍的作用水头，因而若提高扬水机的出水管2的高度，水击扬水机的扬程也可相应提高，但出水量会随着高度的增加而减小。

4．水击危害的消除—调压筒（井）工作原理

水击有可利用的一面，但更多的是它对工程具有危害性的一面。例如水击有可能使输水管爆裂。为了消除水击的危害，常在阀门附近设置减压阀或调压筒（井）、气压室等设施。本实验仪器由调压筒截止阀10和调压筒6组成水击消减装置。

实验时全关扬水机截止阀4、全开调压筒截止阀10。然后手动控制水击发生阀11的开与闭。由气压表3可见，此时，水击升压最大值约为120mm汞柱，其值仅为阀10关闭时的峰值的约1/3。同时，该装置还能演示调压系统中的水位波动现象。当阀11开启时，调压筒中水位低于供水箱水位（以下称库水位），而当阀11突然关闭时，调压筒中的水位很快涌高且超过库水位，并出现和竖立U形水管中水体摆动现象性质相同的振荡，上下波动的幅度逐次衰减，直至静止。

调压系统中的非恒定流和水击的消减作用的实验原理如下：

设置了调压筒，在阀11全开下的恒定流时，调压筒中维持于库水位固定自由水面。当阀11突然关闭时，供水管9中的水流因惯性作用继续向下流动，流入调压筒，使其水位上升，一直上升到高出库水位的某一最大高度后才停止。这时管内流速为零，流动处于暂时停止状态，由于调压筒水位高于库水位，故水体作反向流动，从调压筒流向水库。又由于惯性作用，调压筒中水位逐渐下降，至低于库水位，直到反向流速等于零为止。此后供水管中的水流又开始流向调压筒，调压筒中水位再次回升。这样，伴随着供水管中水流的往返运动，调压筒中水位也不断上下波动，这种波动由于供水管和调压筒的阻尼作用而逐渐衰减，最后调压筒水位稳定在正常水位。

设置调压筒之后，在过流量急剧改变时仍有水击发生，但调压筒的设置建立了一个边界条件，在相当大程度上限制或完全制止了水击向上游传播。同时水击波的传播距离因设置调压筒而大为缩短，这样既能避免直接水击的发生，又加快了减压波返回，因而使水击压强峰值大为降低。 四、思考题

举出生产生活中的几个水击危害和利用的例子。

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