实验四 管道水击压力测量实验
1. 实验原理
水击现象是一种典型的有压管道非恒定流问题，在水击现象中，由于压强变化急剧，必须考虑流体的压缩性及管道的弹性。水击现象可大致作如下描述：有压管道流动的流量突变→流速突变→由于流动的惯性，造成压强大幅波动→流体的压缩性和管道的弹性使波动在管道中以有限的速度传播。
以阀门突然关闭为例，将有一个增压、增密度、增管道断面积、减流速的过程从阀门向上游传播，压强、流速、密度、管道断面积的间断面在管道中运动，这就是水击波。
1.1 水击波的压强增值
在已知水击波传播速度c 的条件下，压强增量Δp 与流速大小增量Δv 的关系为
∆p =-c ρ∆v
1.2 水击波的传播速度
水击波传播速度为
c =1
ρ
式中⎛1d ρ1dA ⎫⎪+⎪⎝ρdp A dp ⎭ 1d ρ11dA =，K 为液体的体积弹性系数，反映管壁的弹性，对于直径为D 的圆ρdp K A dp
管1dA D =，其中E 为管壁材料的弹性系数，δ为管壁厚度。于是 A dp E δ
c =1
ρ D ⎫⎛1+⎪K E δ⎝⎭=K /+DK
E δ
若忽略管壁弹性，即认为E =∞，则c 0=K
ρ=dp ，为声波在水中的传播速度d ρ
（c 0=1435m/s），以c =c 0。水电站引水管的D/δ≈100，c ≈1000m/s。 DK 1+E δ
1.3 水击现象的分析
为了更清晰地说明水击波传播、反射、叠加的发展过程，考察上游水库与阀门间的长度为L 的直圆管（DA ）中因阀门A 突然完全关闭发生的水击现象，认为弹性力与惯性力起主要作用，忽略水头损失和流速水头。在理解了水击波在A 处的正反射和D 处的负反射之后，可以列出0＜t ＜L/c，L/c＜t ＜2L/c，2L/c＜t ＜3L/c，3L/c＜t ＜4L/c四个阶段水击现象的物理特性。
图1 水击波的传播
将2L/c称为水击的相长，从阀门A 处开始的水击波传到上游D 处，经负反射回来的减压波又传到A 处，所须时间为相长。可见阀门A 处持续压力最大增值的时间最长，为一个相长。如果逐渐关闭阀门，那么将会有一系列水击波在不同的时刻由A 处出发，假如经过一个相长之后，阀门尚未完全关闭，此时已经有早先发出的水击波成为减压波传回来，这样A 处的增压就不会达到阀门突然完全关闭时的水击增压，这种水击叫间接水击，否则叫直接水击。
1.4 调压室的作用
在较长管道中设置调压室，缩短了管道长度，减小相长，可以缓和水击，减低水击压强。由于调压室具有一定的贮水容量，这一边界条件使水击压强得到释放而大幅下降，并限制了水击向上游的传播。
1.5 水流阻力的影响
以上的分析都没有考虑水击现象中管道中水流所受的阻力，因此在分析阀门突然关闭引
起阀门与水库之间的水击波传播四个阶段时，能量没有耗损，第四阶段终止后，水流将回复到初始状态，水击波将无休止地传播下去，各断面的水击增压随时间变化曲线呈阶梯形。但实际上这是不可能的，各断面的水击增压随时间变化曲线呈衰减振荡形态。
2. 实验目的要求
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。利用实测数据，计算水击波的传播速度。
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. 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。
3. 实验仪器设备
图2 实验装置示意图
水击与调压室现象演示设备如图。供水箱有溢流装置，可保证实验水流为恒定流。采用容易膨胀变形的橡胶软管作实验管段，大大降低水击波速，易于演示水击波传播过程，在实验管段的上、下游端部安装压力传感器探头，以测量压力变化情况。在胶管下游安装有机玻璃管，上装快速电磁阀。在阀门前安装有机玻璃管以模拟调压室，并装设压力传感器以量测
不同情况下的水击压强时间变化曲线。
4. 实验步骤
1. 认真阅读实验目的要求、实验原理和注意事项。
2. 将量测仪器按图示线路接好，打开电源。
3. 对照实物了解仪器设备的使用方法和操作步骤，做好准备工作后，启动水泵，打开进水开关，使水箱充水，并保持溢流状态，使水位恒定。
4. 将动态应变仪调至平衡，并将压力传感器的微应变信号输给电阻平衡箱，然后由此将信号送至示波器，可通过调节电阻平衡箱使示波器的灵敏度及偏移量为最佳值。
5. 记录调压室的测管水头，用以计算动水压强值，然后关闭调压室与管道的联通阀门。
6. 将管端快速阀门突然关闭，产生水击现象，水击波传播使橡胶软管膨胀凸起变化显示了水击波的传播过程。用秒表记录下胶管中水击波传播时间。此时示波器已记录下水击压强过程线。
7. 打开调压室与实验管段间的联通阀门。待水流恒定后重复步骤 6，此时记录下的水击压强过程线即为有调压室作用后的情况。
8. 阅读思考问题，作简要回答。
5. 实验分析与讨论
1. 水击波的传播速度与哪些因素有关？本实验为什么要用胶皮管作为实验管段？
2. 水击有何危害？为什么工程上要采用：①延长阀门启闭时间；②限制管道中流速；③设 置调压室等安全装置等措施来防止水击危害？
注意事项：
1. 按规定步骤使用仪器设备。
2. 实验结束后，关闭各仪器开关，切断电源，关好供水阀门。
实验四 管道水击压力测量实验
1. 实验原理
水击现象是一种典型的有压管道非恒定流问题，在水击现象中，由于压强变化急剧，必须考虑流体的压缩性及管道的弹性。水击现象可大致作如下描述：有压管道流动的流量突变→流速突变→由于流动的惯性，造成压强大幅波动→流体的压缩性和管道的弹性使波动在管道中以有限的速度传播。
以阀门突然关闭为例，将有一个增压、增密度、增管道断面积、减流速的过程从阀门向上游传播，压强、流速、密度、管道断面积的间断面在管道中运动，这就是水击波。
1.1 水击波的压强增值
在已知水击波传播速度c 的条件下，压强增量Δp 与流速大小增量Δv 的关系为
∆p =-c ρ∆v
1.2 水击波的传播速度
水击波传播速度为
c =1
ρ
式中⎛1d ρ1dA ⎫⎪+⎪⎝ρdp A dp ⎭ 1d ρ11dA =，K 为液体的体积弹性系数，反映管壁的弹性，对于直径为D 的圆ρdp K A dp
管1dA D =，其中E 为管壁材料的弹性系数，δ为管壁厚度。于是 A dp E δ
c =1
ρ D ⎫⎛1+⎪K E δ⎝⎭=K /+DK
E δ
若忽略管壁弹性，即认为E =∞，则c 0=K
ρ=dp ，为声波在水中的传播速度d ρ
（c 0=1435m/s），以c =c 0。水电站引水管的D/δ≈100，c ≈1000m/s。 DK 1+E δ
1.3 水击现象的分析
为了更清晰地说明水击波传播、反射、叠加的发展过程，考察上游水库与阀门间的长度为L 的直圆管（DA ）中因阀门A 突然完全关闭发生的水击现象，认为弹性力与惯性力起主要作用，忽略水头损失和流速水头。在理解了水击波在A 处的正反射和D 处的负反射之后，可以列出0＜t ＜L/c，L/c＜t ＜2L/c，2L/c＜t ＜3L/c，3L/c＜t ＜4L/c四个阶段水击现象的物理特性。
图1 水击波的传播
将2L/c称为水击的相长，从阀门A 处开始的水击波传到上游D 处，经负反射回来的减压波又传到A 处，所须时间为相长。可见阀门A 处持续压力最大增值的时间最长，为一个相长。如果逐渐关闭阀门，那么将会有一系列水击波在不同的时刻由A 处出发，假如经过一个相长之后，阀门尚未完全关闭，此时已经有早先发出的水击波成为减压波传回来，这样A 处的增压就不会达到阀门突然完全关闭时的水击增压，这种水击叫间接水击，否则叫直接水击。
1.4 调压室的作用
在较长管道中设置调压室，缩短了管道长度，减小相长，可以缓和水击，减低水击压强。由于调压室具有一定的贮水容量，这一边界条件使水击压强得到释放而大幅下降，并限制了水击向上游的传播。
1.5 水流阻力的影响
以上的分析都没有考虑水击现象中管道中水流所受的阻力，因此在分析阀门突然关闭引
起阀门与水库之间的水击波传播四个阶段时，能量没有耗损，第四阶段终止后，水流将回复到初始状态，水击波将无休止地传播下去，各断面的水击增压随时间变化曲线呈阶梯形。但实际上这是不可能的，各断面的水击增压随时间变化曲线呈衰减振荡形态。
2. 实验目的要求
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。利用实测数据，计算水击波的传播速度。
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. 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。
3. 实验仪器设备
图2 实验装置示意图
水击与调压室现象演示设备如图。供水箱有溢流装置，可保证实验水流为恒定流。采用容易膨胀变形的橡胶软管作实验管段，大大降低水击波速，易于演示水击波传播过程，在实验管段的上、下游端部安装压力传感器探头，以测量压力变化情况。在胶管下游安装有机玻璃管，上装快速电磁阀。在阀门前安装有机玻璃管以模拟调压室，并装设压力传感器以量测
不同情况下的水击压强时间变化曲线。
4. 实验步骤
1. 认真阅读实验目的要求、实验原理和注意事项。
2. 将量测仪器按图示线路接好，打开电源。
3. 对照实物了解仪器设备的使用方法和操作步骤，做好准备工作后，启动水泵，打开进水开关，使水箱充水，并保持溢流状态，使水位恒定。
4. 将动态应变仪调至平衡，并将压力传感器的微应变信号输给电阻平衡箱，然后由此将信号送至示波器，可通过调节电阻平衡箱使示波器的灵敏度及偏移量为最佳值。
5. 记录调压室的测管水头，用以计算动水压强值，然后关闭调压室与管道的联通阀门。
6. 将管端快速阀门突然关闭，产生水击现象，水击波传播使橡胶软管膨胀凸起变化显示了水击波的传播过程。用秒表记录下胶管中水击波传播时间。此时示波器已记录下水击压强过程线。
7. 打开调压室与实验管段间的联通阀门。待水流恒定后重复步骤 6，此时记录下的水击压强过程线即为有调压室作用后的情况。
8. 阅读思考问题，作简要回答。
5. 实验分析与讨论
1. 水击波的传播速度与哪些因素有关？本实验为什么要用胶皮管作为实验管段？
2. 水击有何危害？为什么工程上要采用：①延长阀门启闭时间；②限制管道中流速；③设 置调压室等安全装置等措施来防止水击危害？
注意事项：
1. 按规定步骤使用仪器设备。
2. 实验结束后，关闭各仪器开关，切断电源，关好供水阀门。