冷热水系统中的水锤现象-Caleffi.PDF

冷热水系统中的水锤现象 冷热水管道中的水锤现象指管道中的水流在极短的时间内迅速地停止或加速，因此所造成的有力的冲击。比 如说，在迅速关闭水龙头，或水泵起停时，经常听到‘嘭’一声短暂的闷响。这就是典型的‘水锤现象’。这种 冲击的能量来自于管道内水流速度突然的改变。 ‘水锤’这一名词来源于古代的一种兵器‘攻城槌’，它运用于攻克城墙或城门，它造成的冲击力与水锤现 象类似。 图 1 ‘攻城槌’由一个长木棒制成，在木棒的顶端有一个铁锤，它能产生的冲击力大小取决于操作武器的士兵的 力量。（见图1） 而水锤力量的大小却由很多因素决定。 管道中静止的水只具有‘潜能’，即由它的定额所决定的能量。当定额降低并接近海平面时，其潜能减弱并 消失。如果假定海平面为‘0 ’，高于海平面的海拔高度‘z ’,物体质量为 m,那么它所具备的能量为 mgz ：其中‘g ’ 为重力加速度（9.81m/s2 ）。 2 。这种运行的能量来源于 如果管道中的水以一定的速度‘v ’流动，在潜能上又加入了动能，约为 1/2 mv mv, 它代表了水的运动量，即组成水的每一滴水的运动量总和。 2=0 ） 就如前面提到的一样，当猛然关闭阀门或水泵时，水的流速突然变为零（v=0 ），其动能也消失（1/2 mv 同样它的运动量也消失（mv=0 ）。 但是，水所具备的能量不可能就这样瞬间溶解，它改变为‘压力波’，以声速在管道内传送。这就是‘水锤 现象’。它所产生的高压能超过 100bar，而其延续的时间也就仅百分之几秒。由于其速度如此快捷，管道上的压 力表根本无法显示 出管道系统内这种 瞬间弹性的压力波 动。 理论上说，水不 能被压缩，但为了更 好地解释高压的产 管道 生，我们必须承认水 是能被压缩的，如同 气 体 一 样 。 根 据 Hoorce 定律，如果 将 1 立方米水压缩 图2 1bar，它体积将减少 50cm3 。当关闭一段管道末端的阀门时（如图2 所示）。与阀门接触的水受到压缩，通俗地说, 水‘缩短’了。因 此它的部分动能改变为压力能量。这时，其压力由 P 变为 P+△P ，△P 即是超出的压力。压力波沿着管道相反的 方向传送到管道的起点，如水箱。在这儿，水箱的水受到膨胀。如果管道长度 L （m ）为阀门上游管道长度，c 为运动速度（m/s ）（紊流传送的速度）。压力波到达管道起点的时间 t=L/c (s) 。这种情况下，管道内的水流是静 止的（v=0 ）而且是被压缩的。 我们假设管道的起点为一个水箱的入口处，当压力波到达这个假定的入口处截面时，在入口处的水箱一端压 力为 Px+△P 。一部分可以忽略不计的水从管道回到水箱，这样一来，在水箱至阀门之间产生了负压一△P 。这个 负压经过同样的 L/c 的时间到达阀门。因此从关闭阀门到负压回到阀门共用时间tc=2 L/c ，称为‘持续时间’。 但是在阀门这儿又出现了一△P 的不平衡，此负压向上游方向延伸。因此在水箱与阀门之间又产生了压力波。 这个时间段为 3 L/C 。所有这些往返的压力波都在约百分之几秒内完成，如同前面讲到的一样。 如何界定关闭阀门的方式是否会造成水锤呢？我们将关闭的方式分为‘猛烈’式和‘平缓式’。通常说来, ‘猛 烈关闭’的方式会带来水锤使压力升高。 当关闭的时间tc2 L/c 时，这属于‘猛烈’关闭，当tc2 L/c 时属于‘平缓’关闭。如果是猛烈关闭，超压 （或负压）的最高值并不是出现在整个管道长度L （即水箱至阀门关闭处），而是出现在从阀门关闭处开始的 Lx=L —（ctc/2 ）。经过这一段长度后，超压（或负压）将沿程