О том, кто вывел из-под удара водоснабжение крупных городов и других интересных фактах из истории изучения явления гидравлического удара
Изучение гидравлического удара развивалось в направлениях теоретических, экспериментальных исследований, а также разработки методов расчёта гидродинамических параметров этого явления.
Основополагающие теоретические и экспериментальные исследования явления гидравлического удара впервые были выполнены русским ученым-механиком, гидро- и аэродинамиком Николаем Егоровичем Жуковским в 1897–1899 гг.
В конце XIX века в Москве и других крупных городах часто происходили разрывы труб систем городского водоснабжения, возникали серьезные аварии на гидравлических станциях. Это вызывало перерыв в работе водопровода и на длительный срок нарушало снабжение водой отдельных районов. Причины возникающих аварий систем водоснабжения были непонятны. Изучением этого вопроса занялся Николай Егорович Жуковский и впервые раскрыл суть явления гидравлического удара в трубопроводах.
Анализируя причины аварий на московском водопроводе ученый собрал материал, который стал основой его научного труда «О гидравлическом ударе в водопроводных трубах». Он теоретически показал, а затем проверил опытным путем, построив экспериментальную водопроводную сеть из трубопроводов различных диаметров, что при быстром закрывании запорных устройств (быстром прекращении движения воды по трубопроводу) давление в трубопроводе резко возрастает. Это явление, называемое гидравлическим ударом, и является причиной разрыва трубопроводов. Неустановившийся характер движения жидкости, как предположил Жуковский Н.Е., обусловливает резкое повышение давления в трубопроводе. Он установил, что в процессе повышения давления в трубопроводе после быстрого прекращения движения участвует вся находящаяся в трубопроводе жидкость, ее кинетическая энергия переходит в потенциальную энергию упругой деформации самой жидкости и расходуется на работу по упругой деформации стенок трубы. Ударная волна образуется от сжатия воды и расширения стенок трубопровода. При этом давление больше всего увеличивается, когда ударная волна перемещается из трубопровода большего диаметра в трубопровод меньшего диаметра.
Таким образом, Жуковский Н.Е. впервые обосновал необходимость учёта сжимаемости жидкости для описания гидродинамических процессов явления гидравлического удара. Им получены волновые уравнения, описывающие изменение гидродинамических параметров в трубопроводах при гидравлическом ударе, и математические соотношения, которые позволяют определить максимальное давление при гидравлическом ударе для различных случаев.
Простейший способ защиты от гидравлического удара- выбор безопасного времени закрытия задвижки. Получив результаты исследований гидродинамических параметров при изменении времени перекрытия задвижки, Жуковский Н.Е. предложил заменить применявшиеся в магистральных трубопроводах пробковые краны на медленно закрывающиеся вентильные краны, применяемые и в настоящее время. В результате практической реализации данного решения массовые разрывы трубопроводов прекратились. Все описанные теоретические результаты о распространении ударных волн были экспериментально подтверждены самим Жуковским Н.Е.
Теория гидравлического удара, созданная Жуковским Н.Е., позволила определить места возможного повреждения трубопроводов по показаниям приборов на водонапорных станциях, таким образом появилась возможность предотвращать аварии. В настоящее время для обеспечения надежной работы трубопроводов при возможном возникновении гидравлического удара применяются предохранительные клапаны, гасители гидравлического удара, воздушные колпаки.
Существенный вклад в исследование и разработку методов расчета гидродинамических параметров при гидравлическом ударе, в том числе с учетом явления кавитации, рассмотренного нами в статье https://portal.edufire37.ru/articles/1000, и методов защиты от гидравлического удара внесли ученые Картвелишвили Н.А., Мостков М.А., Чарный И.А., Мазуренко А. С., Зубов Л.Б. и др. Также в настоящее время развиваются методы расчета ударных течений, основанные на численном интегрировании уравнений Рейнольдса.
Следует отметить, что гидравлический удар приносит не только вред. Примером полезного использования этого явления служит гидравлический таран- устройство для подъёма воды. Принцип работы гидравлического тарана основан на использовании кинетической энергии потока воды. Когда вода движется по трубопроводу, она сталкивается с клапаном, который периодически закрывается. В момент закрытия клапана происходит резкий скачок давления (возникает гидроудар), который используется для проталкивания части воды вверх по трубопроводу, к месту назначения. Остальная вода возвращается в поток и процесс повторяется. Гидротаран независим от внешних источников энергии.
О возможностях и преимуществах использования гидротаранных установок в системах наружного противопожарного водоснабжения малых населенных мест мы рассказывали в статье https://portal.edufire37.ru/articles/69.
Прообраз гидравлического тарана- «пульсирующий двигатель» изобрёл и построил в 1772 году англичанин Джон Уайтхёрст и через три года опубликовал его описание. Это устройство управлялось вручную. Первый автоматический гидротаранный насос изобрёл в 1796 году француз Жозеф-Мишель Монгольфье для обеспечения водой своей бумажной фабрики. В 1797 году он получил британский патент на своё изобретение. В 1816 году сыновья Монгольфье запатентовали доработанную версию этого насоса.
Эти устройства Джон Уайтхёрст и Жозеф-Мишель Монгольфье создавали, основываясь на эмпирические закономерности. А теоретические и экспериментальные исследования явления гидравлического удара, проведенные Николаем Егоровичем Жуковским в конце XIX в., позволили ему выполнить более проработанные расчеты и представить законченную теорию гидравлического тарана.
В настоящее время ученые и инженеры продолжают выполнять исследования по изучению явления гидравлического удара. Некоторыми направлениями перспективных исследований в этой области являются: разработка более совершенных численных моделей, учитывающих комплексные факторы; исследование гидравлического удара в трубопроводах с новыми материалами; разработка «умных» систем защиты, способных в реальном времени адаптироваться к изменяющимся условиям; углублённое изучение влияния гидравлического удара на долговечность оборудования. Исследования в области изучения гидравлического удара также связаны с работой с нормативными документами, которые регламентируют требования к трубопроводным системам с учётом этого явления.
