液压冲击

液压冲击（俗称：水锤；流体锤）是运动中的流体（通常是液体，但有时也包括气体）被迫突然停止或改变方向时引起的压力波动或波动；动量变化。这种现象通常发生在管道系统末端的阀门突然关闭，压力波在管道中传播时。这种压力波会导致重大问题，从噪音和振动到管道破裂或坍塌。可以通过蓄能器、膨胀罐、缓冲罐、排放阀和其他功能来减少水锤脉冲的影响。可以通过确保没有阀门在流量很大时关闭得太快来避免这种影响，但是有很多情况会导致这种影响。可以使用茹科夫斯基（Joukowsky）方程进行粗略计算，或者使用特征法进行更精确的计算。

公元前1世纪，马库斯·维特鲁威·波利奥描述了罗马公共供水的铅管和石管中的水锤效应。水锤还没说出口就被利用了。阿尔罕布拉宫由格拉纳达的NasridSultanIbnal-Ahmar于公元1238年开始建造，它使用水螅来蓄水。通过xxx个水库，由达罗河的一条通道填充，水通过一个大的垂直通道排空到下面的第二个水库，形成一个漩涡，反过来推动水通过一条小得多的管道上升6米，而大部分水排入第二个水库。，稍大的管子。1772年，英国人约翰怀特赫斯特为英格兰柴郡的一所住宅建造了液压油缸。1796年，法国发明家JosephMichelMontgolfier(1740–1810)为他在Voiron的造纸厂建造了液压油缸。在法语和意大利语中，水锤的术语来自液压柱塞：coupdebélier（法语）和colpod'ariete（意大利语）均表示柱塞的打击。由于19世纪见证了市政供水的安装，水锤成为土木工程师关注的问题。水锤现象也让研究循环系统的生理学家感兴趣。虽然它是由ThomasYoung在工作中提出的，但通常认为水锤理论始于1883年德国生理学家JohannesvonKries（1853-1928年）的工作，当时他正在研究血管中的脉搏。然而，土木工程师没有注意到他的发现。Kries的发现随后分别由俄罗斯流体动力学家NikolayYegorovichZhukovsky(1847-1921)、1898年由美国土木工程师JosephPalmerFrizell(1832-1910)和1902年由意大利工程师LorenzoAllievi(1856-1941）。

流过管道的水有动量。如果流动的水突然停止-例如通过关闭流动水下游的阀门，压力会突然升高并产生冲击波。在家庭管道中，这种冲击波被视为类似于敲击声的响亮的撞击声。如果压力足够高，水锤会导致管道破裂。有时会在水系统中添加气阱或立管（顶部开口）作为阻尼器，以吸收流动水造成的潜在破坏力。例如，如果路径中的阀门关闭得太快，沿着隧道或管道流向水力发电站中的涡轮机的水可能会突然变慢。如果有14公里（8.7英里）、直径为7.7米（25英尺）的隧道充满水，以3.75米/秒（8.4英里/小时）的速度行驶，这代表大约8,000兆焦耳（2,200千瓦时）的动能。这种能量可以通过顶部开口的水流入的垂直浪涌井消散。当水上升到竖井时，其动能转化为势能，避免了突然的高压。在一些水力发电站(HEP)，例如密歇根州的撒克逊瀑布水力发电厂，看起来像水塔的东西其实是一个调压鼓。在住宅管道系统中，当洗碗机、洗衣机或马桶突然关闭水流时，可能会发生水锤。结果可能会听到一声巨响、重复的敲击声（当冲击波在管道系统中来回传播时），或者有些颤抖。水锤的其他潜在原因：

• 泵停止
• 一种止回阀，由于失去动力（例如泵停止）时管道反向流动而快速关闭（即止回阀猛冲）。非急停止回阀可用于减少压力波动。
• 填充具有限制的空管道，例如部分打开的阀门或孔口，当管道快速填充时允许空气轻松通过，但一旦充满压力就会增加水遇到限制。

当一些蒸汽在管道的水平部分冷凝成水时，蒸汽系统中可能会发生蒸汽锤。蒸汽迫使液态水沿管道形成段塞，撞击管件的阀门，产生巨大的敲击声和高压。由热冲击引起的冷凝引起的真空也会导致蒸汽锤。通过使用倾斜管道和安装蒸汽疏水阀可以xxx限度地减少蒸汽锤。在涡轮增压内燃机上，当涡轮增压器迫使空气进入发动机时，节气门关闭时会发生气锤。没有冲击波，但压力仍会迅速增加到破坏水平或导致压缩机喘振。安装在节气门前的减压阀通过将空气转向别处来防止空气冲击节气门体，从而保护涡轮增压器免受压力损坏。该阀门可以将空气再循环到涡轮增压器的进气口（再循环阀），也可以将空气吹入大气并产生售后涡轮增压器的独特嘶嘶声（排气阀）。

水锤造成事故和死亡，但通常损害仅限于管道或附件的破损。工程师应始终评估管道爆裂的风险。输送危险液体或气体的管道在设计、建造和操作中需要特别小心。尤其是水力发电厂必须仔细设计和维护，因为水锤会导致水管发生灾难性故障。以下特性可以减少或消除水锤：

• 通过安装调节器来降低建筑物的供水压力。
• 较低的流体速度。为了保持低水锤，某些应用的管道尺寸图表建议流速在1.5m/s(4.9ft/s)或以下。
• 安装缓慢关闭的阀门。马桶填充阀有静音填充类型，可以安静关闭。
• 非冲击式止回阀不依赖于流体流动来关闭，并且会在水流达到显着速度之前这样做。
• 高管道压力等级（不会降低效果，但可以防止损坏）。
• 良好的管道控制（启动和关闭程序）。
• 水塔（用于许多饮用水系统）或缓冲罐有助于保持稳定的流速并捕获较大的压力波动。
• 膨胀罐和某些类型的液压蓄能器等空气容器的工作方式与水塔的工作方式大致相同，但它们是加压的。它们通常在容器中的液位上方具有气垫，该气垫可以由气囊调节或隔开。在大型管道上，空气容器的尺寸可能高达数百立方米。它们有多种形状、尺寸和配置。这种容器通常称为蓄能器或膨胀罐。
• 可以在水管和机器之间安装一个原理上类似于减震器的液压气动装置，称为“水锤避雷器”，以吸收冲击并停止撞击。
• 空气阀通常可以修复管道中高压点的低压。虽然有效，但有时需要安装大量的空气阀。这些阀门还允许空气进入系统，这通常是不需要的。可以使用排放阀作为替代方案。
• 较短的支管长度。
• 较短的直管长度，即增加弯头、膨胀环。水锤与流体中的声速有关，弯头减少了压力波的影响。
• 将较大的管道​​布置在循环中，以提供较短的较小的引出管道分支。使用环形管道，来自环路两侧的较低速度的流量可以服务于分支。
• 泵上的飞轮。
• 泵站旁通。

最早成功调查水锤问题的人之一是意大利工程师LorenzoAllievi。水锤可以通过两种不同的方法来分析——刚性柱理论，它忽略了流体的可压缩性和管壁的弹性，或者通过包括弹性的全面分析。当阀门关闭所需的时间与压力波在管道长度上的传播时间相比较长时，刚性柱理论是合适的；否则可能需要考虑弹性。下面是峰值压力的两个近似值，一个考虑弹性，但假设阀门立即关闭，另一个忽略弹性，但包括阀门关闭的有限时间。

色谱柱分离是水锤事件期间可能发生的一种现象。如果管道中的压力低于液体的蒸汽压，就会发生气穴现象（部分液体蒸发，在管道中形成气泡，使压力保持在蒸汽压附近）。这最有可能发生在特定位置，例如封闭端、高点或拐点（管道坡度的变化）。当过冷液体流入先前被蒸汽占据的空间时，蒸汽和液体之间的接触面积增加。这会导致蒸汽冷凝成液体，从而降低蒸汽空间中的压力。然后蒸汽空间两侧的液体通过压力差加速进入该空间。两柱液柱（或一个液柱，如果在封闭端）的碰撞导致压力大且几乎瞬时升高。这种压力升高会损坏液压机械、单独的管道和支撑结构。在一次水锤事件中可能会发生多次空洞形成和塌陷。

大多数水锤软件包使用特征法来求解所涉及的微分方程。如果由于管道中的空气或气体夹带，波速不会随时间变化，则此方法效果很好。波浪法(WM)也用于各种软件包中。WM让运营商能够有效地分析大型网络。许多商业和非商业软件包可用。软件包的复杂性不同，具体取决于建模的流程。

更复杂的软件包可能具有以下任何功能：

• 多相流能力。
• 空化增长和崩溃的算法。
• 非定常摩擦：压力波随着湍流的产生和流速分布的变化而衰减。
• 为更高的压力改变体积模量（水变得更不易压缩）。
• 流体结构相互作用：管道对变化的压力作出反应并产生压力波本身。

• 水锤原理可用于制造称为液压油缸的简单水泵。
• 有时可以使用水锤检测泄漏。
• 可以在管道中检测到封闭的气穴。