什麼是水擊

封閉管道中液體流速突然變化引起的壓力急劇變化或波動，是封閉管道中的一種非定常壓力流。水電站事故甩荷關機、水泵站斷電停泵和輸油管啟閉閥門，都會出現這種現象，並伴隨發生機械撞擊聲。

機理

封閉管道中的水擊過程是壓力波傳播的過程。假如管壁是剛性的，就水的可壓縮性來説，壓力波同聲波在水中傳播速度是一樣的，可表示為：

，

式中K為水的體積彈性模量；ρ為水的密度。在常温下，cS=1425米/秒，實際上封閉管道中的壓力波傳播速度還受管壁彈性的影響，因而上式變成：

式中E為管壁材料彈性模量；D和e為管徑和壁厚。

水擊壓力波的傳播過程如圖所示。設從水庫引水的管道長度為L，末端裝有快速啟閉閥門。如果忽略水力損失，則管道末端的初始水頭H等於水庫水頭H0，管內初始流速v＝v0。從圖上可以看到閥門瞬間關閉後發生的水擊現象。閥門關閉後，緊靠閥門處管段Δx的流速首先等於零。由於水流的慣性，水體被壓縮，管壁膨脹，水頭增加ΔH並以波速c向上遊傳播，使壓頭增至H0＋ΔH。

當t=L/c時，壓力波到達進口，此時整個管內壓頭為H0＋ΔH，流速為零。由於管內壓頭比水庫高ΔH，為了保持平衡，管內水體倒流併產生以波速c向下遊傳播的降壓反射波，使進口壓頭恢復到初始狀態H0。

當t=2L/c時，反射波到達閥門，整個管內壓頭為H0，但流速v0朝向上游。由於慣性，在閥門處產生降壓ΔH的反射波，以速度c向上遊傳播，使管內壓頭降至H0-ΔH。

當t=3L/c時，整個管內壓頭為H0-ΔH，流速為零。因管內壓頭比水庫低ΔH，水庫水又流入管內，v0朝向下游，在進口處產生增壓ΔH的反射波以波速c向下遊傳播，進口壓頭回到H0。

當t=4L/c時，壓力波到閥門，整個管內流速和水頭恢復到初始狀態，完成了一個壓力振盪週期，以後水擊現象又重複上述過程。

因為存在水力損失，水擊壓力振幅實際上隨時間衰減，並非保持不變。

基本方程

假設管壁不變形，且忽略水力損失項和非線性項，並令p＝γH(γ為水的比重)，則管道非定常壓力流的基本方程（見壓力流）可簡化為：

式中v和H為瞬變流速和水頭;c為波速；x和t為距離和時間；g為重力加速度。上式一般積分的形式為：

，

，

式中ф為順x軸的正向波；F為逆x軸的反向波;v0為管內的初始流速。

類型

水擊按閥門啟閉時間和波的往返傳播時間的關係可分為直接水擊和間接水擊。

若閥門關閉時間TS≤2L/c，在來自進口的反向波到達管末端前，閥門已關閉，管末端水擊只受正向波影響，此壓力過程稱為直接水擊。這時v＝0，

，由上兩式得直接水擊計算公式：

ΔH＝cv0/g。

若閥門關閉時間TS＞2L/c，在來自進口的反向波到達管末端前，閥門尚未關閉，這時水擊是由閥門處產生的正向波和從上游來的反向波疊加而成，此壓力過程稱為間接水擊。間接水擊的計算有解析法（用連鎖方程求解）、圖解法和特徵線法等。對簡單管道，可採用前兩種方法，對邊界條件複雜的管道採用後一種方法利用電子計算機計算較為方便。

設計某些管道應考慮水擊壓力，必要時可在管道適當的位置設調壓塔或減壓閥，以削減水擊壓力，防止管道破壞事故。

參考書目

eter and　e， Fluid　Mechanics，McGraw-Hill，New York， 1979.