Гидроудар с утечками (неполный гидроудар), Гидроудар с боковой утечкой - Гидравлический удар
Еще один вариант "из жизни" -- это наличие утечек из трубы во время гидроудара. Причиной таких утечек может быть неполное перекрытие трубы заслонкой или заглушкой. Другая распространенная причина -- наличие в трубе помимо входа, через который вливается поток, дополнительных отверстий (созданных специально или аварийных -- в данном случае не так важно). Суммарная площадь таких отверстий или незакрытого просвета, естественно, должна быть меньше внутреннего сечения трубы, иначе гидроудара не будет в принципе, потому что не получится необходимого ограничения вытекающего из трубы потока.
Поскольку из-за наличия утечек жидкость не остановится полностью, то скачок давления будет меньше, чем при их отсутствии. Поэтому такой гидроудар иногда называют "Неполным" в отличии от гидравлического удара с полной остановкой потока.
Гидроудар с боковой утечкой
Рассмотрим погруженную на некоторую глубину в стоячий водоем горизонтальную трубу неизменного сечения с заглушкой на одном конце, изначально пустую, в которой внезапно открывается вход и относительно небольшое отверстие сбоку недалеко от заглушки, причем сечение бокового отверстия существенно меньше внутреннего сечения трубы.
Схема развития гидравлического удара в трубе с боковой утечкой. Голубым цветом обозначена внешняя среда с исходным давлением, белым -- область пустоты, светло-голубым -- область пониженного давления, синим -- область повышенного давления (зона гидроудара). Синие стрелки показывают перемещение вещества среды (жидкости), красные -- перемещение границы зоны повышенного давления (без существенного перемещения вещества). Цифрами обозначены стадии протекания процесса.
Сначала все идет, как и в фазе (1) "классического" гидроудара. Правда, если боковое отверстие уже открыто, через него также вливается дополнительный поток в пустую часть трубы, поэтому повышающийся уровень несколько тормозит основной поток, как и в случае горизонтальной трубы, предварительно частично заполненной жидкостью. Однако если боковое отверстие невелико, а основная труба не очень длинная, то такой жидкости поступит мало, и ее влиянием можно пренебречь. Когда фронт основного потока пройдет мимо отверстия, поступление жидкости сбоку сократится, но не прекратится (стадия 1). Это связано с тем, что давление движущегося потока меньше, чем давление неподвижной жидкости снаружи, поэтому через боковое отверстие будет продолжаться эжекционный подсос. Однако интенсивность его из-за меньшей разности давлений обычно существенно меньше, чем при заполнении пустой трубы, поэтому его влиянием на заполнение остатка трубы основным потоком в подавляющем большинстве случаев также можно смело пренебречь.
Затем поток достигает заглушки (стадия 2), останавливается, начинается его сжатие и формируется ударная волна, движущаяся ко входу в трубу (стадия 3). При этом давление возле заглушки в соответствии с формулой Жуковского достигает максимального давления P1. Если на стадиях 1-3 боковое отверстие закрыто клапаном и внутрь трубы через него ничего не поступает, процесс вообще ничем не будет отличаться от фаз (1)-(3) "классического" гидроудара.
Отличия начинаются, как только ударная волна и зона резко возросшего давления достигают бокового отверстия (стадии 3 и 4). Тут же часть жидкости под воздействием этого давления начинает выбрасываться наружу со скоростью V1. При этом возле отверстия возникает зона быстрого движения жидкости и вызванное этим пониженное (относительно гидроудара) давление. Граница такой зоны начинает распространяться в стороны от отверстия. Однако, по мере удаления от отверстия скорость устремляюшегося туда потока резко убывает (вблизи -- обратно пропорционально квадрату расстояния, подальше из-за ограничений внутреннего пространства трубы -- менее резко). Поэтому вокруг отверстия до фронта падения давления создается градиент давления -- чем дальше от отверстия, тем выше давление. Наряду с распространением от отверстия зоны понижающегося давления, основная ударная волна продолжает движение в сторону входа в трубу, расширяя зону сжатой жидкости. Оба эти процесса происходят со скоростью распространения упругих деформаций, близкой к скорости звука (еще раз подчеркну, что не следует путать высокие скорости фронтов давления с относительно низкими скоростями перемещения самой жидкости -- в силу низкой сжимаемости жидкостей в заполненном сосуде ее малейшие перемещения способны вызвать огромные перепады давления).
Но жидкость на участке от входа в трубу до бокового отверстия не остановилась полностью -- она продолжает двигаться, вытекая в боковое отверстие. И хотя эта остаточная скорость движения V2 теперь значительно уменьшилась по сравнению с скоростью заполнения пустой трубы V0, она есть. Поэтому между входом и отверстием жидкость не останавливается полностью, а лишь тормозится. Впрочем, и этой разности скоростей при малом сечении бокового отверстия вполне достаточно для повышения давления до величины P2, весьма немалой, но, конечно, меньше силы гидроудара полностью остановленной жидкости P1. Это имеет место на стадиях 5 и 6.
Однако если со стороны входа жидкость, выходящая в отверстие, компенсируется вновь прибывающими порциями, то у заглушки дела обстоят иначе, -- ведь жидкость уходит в отверстие со всех сторон, а новой возле заглушки взяться неоткуда. Не образуется ли там разрежение? Нет, не образуется! Конечно, по мере распространения фронта падения давления от отверстия давление там снизится с уровня P1, и, как только оно станет ниже уровня P2, жидкость со стороны входа начнет перетекать к заглушке, поддерживая там давление, близкое к P2. Это обусловлено тем, что у стенки трубы, противоположной боковому отверстию, скорость движения жидкости в отверстие весьма мала, и падение давления по сравнению с P2 там незначительно. Поэтому, как только за счет утекающей наружу жидкости давление у заглушки станет меньше его величины, под действием разности давлений возникнет компенсирующее течение, показанное на рисунке горизонтальной темно-синей стрелкой под отверстием. Конечно, по закону Бернулли это движение также несколько уменьшит давление, поэтому, строго говоря, давление у заглушки будет меньше P2. Но если утечка достаточно мала, скорость компенсирующего течения будет невысокой, и тогда можно считать, что давление у заглушки практически равно P2.
Кроме того, пока возле заглушки сохраняется область исходного максимального давления P1, жидкость в отверстие со стороны заглушки устремляется за счет этого давления, а не за счет ее перетекания от входа по противоположной от отверстия стенке трубы. Поэтому в это время остаточный поток со стороны входа равен половине утечки через отверстие (стадия 5). И лишь после того, как область начального -- самого высокого -- давления P1 у заглушки исчезнет, вся утечка будет происходить за счет остаточного потока от входа в трубу (стадия 6), при этом его скорость возрастет вдвое по сравнению с предыдущей стадией, а давление P2 соответственно понизится.
Особо подчеркну, что область снижения давления у отверстия утечки не распространяется на всю трубу -- ни ко входу, ни к заглушке! Давление относительно P2 начинает снижаться лишь непосредственно возле этого отверстия на расстояниях, меньших внутреннего диаметра трубы.
Наконец, ударная волна достигает входа в трубу и начинается обратное движение (стадия 7). В этот момент давление во всей трубе за исключением блиайших окрестностей отверстия равно P2 (на участке между отверстием и заглушкой -- чуть меньше).
Теперь от входа начинает увеличиваться область давления, близкого к давлению вне трубы. В ней жидкость движется ко входу со скоростью, обусловленной давлением P2 и по величине равной V0 - 2 - v2 (если не учитывать необратимые потери). Это стадия 8. В оставшейся области высокого давления жидкость по-прежнему продолжает двигаться к отверстию с остаточной скоростью V2.
Когда волна спада давления доходит до области пониженного давления возле отверстия (стадия 9), она как бы "срезает" ее, практически не влияя на истечение жидкости из отверстия до тех пор, пока не пройдет через отверстие. Как только это произойдет, истечение жидкости прекращается (быстро, но не мгновенно, поскольку жидкость вытекала со значительной скоростью и имеет заметную инерцию). При большой скорости истечения через отверстие в силу инерции потока, возможен даже его отрыв от основной массы жидкости в трубе и образование небольшой области пустоты (стадия 10). Если же отрыва не произошло, то после остановки потока через отверстие начинается эжекционный подсос, как и на стадии 2.
Когда высокого давления в трубе не останется, вся жидкость в трубе будет двигаться в направлении от заглушки обратно ко входу в трубу (стадия 11). К этому времени пустота, образовавшаяся в месте отрыва потока утечки, скорее всего, уже "схлопнется", породив небольшой гидроудар. Однако в силу своей относительно малой энергии он не оказывает заметного влияния на жидкость в трубе и быстро затухает. По окончании процессов этого "дочернего" гидроудара через отверстие утечки опять-таки начинается эжекционный подсос.
Если гидроудар был сильным, то жидкость отрывается от заглушки и в этой области образуется пустота (стадия 12). Однако критерием отрыва в данном случае является не давление полной остановки потока P1, а давление возле заглушки в конце этапа сжатия, несколько меньшее, чем P2. Оторвавшаяся жидкость под действием внешнего давления у входа в трубу постепенно останавливается, а затем вновь устремляется в трубу, повторяя стадию 1. Если пустая область распространилась до отверстия утечки, относительно небольшой эжекционный подсос через него сменяется прямым заполнением трубы, ослабляющим силу последующих циклов гидроудара и способствующим их быстрейшему затуханию.
Мы рассмотрели лишь наиболее существенные моменты, однако уже понятно, что гидроудар с утечками -- процесс гораздо более сложный, чем "классический" гидроудар без утечек. При более внимательном анализе выявляется еще множество нюансов, дополнительно усложняющих картину. Но их влияние обычно весьма незначительно и потому они заслуживают внимания лишь в отдельных, особо экзотических случаях.
Похожие статьи
-
Гидроудар в частично заполненной вертикальной трубе - Гидравлический удар
Рассмотрим развитие гидроудара в вертикальной трубе, часть которой возле заглушки уже заполнена неподвижной жидкостью. Случай, когда жидкостью заполнена...
-
Гидроудар в частично заполненной горизонтальной трубе - Гидравлический удар
Предположим, что горизонтальная труба равномерно по всей длине заполнена на некоторую высоту неподвижной жидкостью. Когда такая труба вдруг начинает...
-
Гидроудар в результате столкновения потоков - Гидравлический удар
Гидроудар может возникнуть не только при столкновении потока c неподвижной жесткой заглушкой или задвижкой, но и в случае его столкновения с другим...
-
ОСОБЫЕ СЛУЧАИ, Гидроудар в частично заполненной трубе - Гидравлический удар
Теперь рассмотрим особые случаи гидроудара, когда условия существенно отличаются от рассматриваемых до сих пор "идеально-лабораторных". Наиболее часто...
-
Расчет скорости заполняющего трубу потока с учетом гидравлического трения - Гидравлический удар
В реальности для получения заметного гидроудара скорость потока перед его остановкой должна быть достаточно большой, так что при расчете скорости нельзя...
-
Гашение ударной волны - Гидравлический удар
Поскольку жидкость разгоняется перед входом в трубу, то, когда в результате гидроудара жидкость в трубе остановилась, вынуждена остановиться и уже...
-
Условия отрыва жидкости. Сильные и слабые гидроудары - Гидравлический удар
В фазе разрежения отрыв жидкости от заглушки происходит не всегда. Для этого скорость потока должна быть достаточно высокой, а стенки трубы -- достаточно...
-
Фазы развития гидроудара - Гидравлический удар
Как же развивается явление гидроудара? Рассмотрим это на самом простом примере -- внезапном заполнении жидкостью пустой трубы постоянного сечения,...
-
Расчет скорости заполняющего трубу потока для сверхтекучей жидкости - Гидравлический удар
Выяснив, что жидкость ускоряется вне трубы, а внутри нее скорость потока одинакова, можно переходить к расчетам скорости. Сначала рассмотрим внезапное...
-
Длительность стадии расширения - Гидравлический удар
При слабых гидравлических ударах, когда не выполняется условие (1) и отрыва жидкости от заглушки с образованием области вакуума не возникает,...
-
Расчет длительности стадий сжатия и расширения в произвольном месте трубы - Гидравлический удар
Картина изменения давления в произвольном месте трубы несколько сложнее, чем показанная на предыдущем рисунке возле заглушки. Изменение давления со...
-
Где ускоряется жидкость? - Гидравлический удар
Прежде всего следует выяснить, где происходит ускорение жидкости -- в трубе или вне ее? Уравнение непрерывности дает однозначный ответ: внутри трубы...
-
Повторные циклы - Гидравлический удар
Как уже было сказано выше, после фазы 7 (разрежения) снова следует фаза 1 -- пустая (или разреженная) часть трубы снова заполняется жидкостью под...
-
ОСОБЕННОСТИ ЯВЛЕНИЯ ГИДРОУДАРА, Высокая скорость процесса - Гидравлический удар
Гидроудар в силу своей природы имеет несколько существенных особенностей, о которых нельзя забывать. Высокая скорость процесса Прежде всего, следует...
-
Наиболее интересны два параметра гидроудара -- во-первых, его мощность (либо степень повышения давления) и, во-вторых, длительность стадий сжатия (фазы...
-
Размер имеет значение - Гидравлический удар
С увеличением размеров трубы сила гидроудара значительно возрастает, причем для одного и того же давления у входа в трубу этот рост обычно круче линейной...
-
Факторы, влияющие на силу гидроудара - Гидравлический удар
Эластичные стенки трубопровода значительно снижают силу гидроудара, достаточно легко увеличивая объем трубы или шланга в месте остановки жидкости. Если...
-
Расчет ускоряющегося потока - Гидравлический удар
Сила гидравлического удара прямо зависит от скорости, которую успел набрать останавливаемый поток. Достаточно определенно о скорости потока можно сказать...
-
Расчет длительности стадий сжатия и расширения будем проводить в предположении, что длина трубы, а следовательно, и время распространения гидроудара по...
-
ОПИСАНИЕ ЯВЛЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО УДАРА - Гидравлический удар
Более-менее заметно гидравлический удар проявляется только в жестких трубопроводах при большой скорости потока. Он происходит тогда, когда движущаяся с...
-
ВВЕДЕНИЕ - Гидравлический удар
Общая протяженность подземных нефте-, газо - и водопроводов в Российской Федерации составляет около 17 млн км, при этом из-за постоянных интенсивных...
-
ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕЖИМА БУРЕНИЯ - Расчет гидравлической программы проводки скважин
Расчет промывки скважины Выбор расхода бурового раствора Расход рассчитываем по справочнику по промывке скважин. Непрерывная циркуляция бурового раствора...
-
Оборудование, применяемое при ГРП на Повховском месторождении На Повховском месторождении ТПП "Когалымнефтегаз" гидравлический разрыв пласта производится...
-
Гидравлический расчет циркуляционной системы - Бурение нефтяных и газовых скважин
Целью гидравлических расчетов при промывке скважины в процессе бурения является нахождение оптимального расхода жидкости, обеспечивающего работу забойных...
-
При ГРП расчет сводится к определению следующих данных: - основных технологических показателей процесса гидроразрыва пласта; - увеличения...
-
Состояние колонн труб. Инженер, проектирующий ГРП, должен учитывать параметры и состояние колонн труб. Колонны труб имеют определенные пределы текучести...
-
1) Геологической службой управления составляется информация установленной формы для расчета ГРП. 2) Составляется программа проведения ГРП по результатам...
-
Описание технологии ГРП - Использование гидравлического разрыва пласта при добыче нефти
1) Геологической службой управления составляется информация установленной формы для расчета ГРП. 2) Составляется программа проведения ГРП по результатам...
-
Определение гидравлических потерь в гидролинии - Объемный гидропривод
В этом расчете учитывают потери по длине и на местных сопротивлениях, используя принцип сложения потерь напора Где - коэффициент трения; L - длина...
-
ВЫБОР СПОСОБА БУРЕНИЯ - Расчет гидравлической программы проводки скважин
Практика бурения показывает, что лучшие результаты обычно достигаются при применении комбинированных способов бурения, когда отдельные интервалы бурятся...
-
При изменении уклонов, на входном и выходном участках быстротока, на входной части перепада скорость потока в большинстве случаев превосходит допустимую...
-
(2.35) Воспользовавшись графиком для определения в пункте 2.1.1, находим, что м М < >- спокойное состояние потока Выясняя условие сопряжения бьефов...
-
Расчет прочностных характеристик НКТ - Гидравлический разрыв пласта
Данный расчет несет непосредственную важность, по той причине, что превышение пределов прочности НКТ может привести к аварии, что повлечет за собой...
-
Критерии выбора скважин, Процесс ГРП - Гидравлический разрыв пласта
Критерии выбора скважин были определены исходя из особенностей строения Сугмутского месторождения и схемы его разработки. 1 Для проведения ГРП...
-
Технология и моделирование процесса ГРП Гидравлический разрыв - процесс, при котором давление жидкости воздействует непосредственно на породу пласта...
-
Вынос жидкости и проппанта из скважины после ГРП. Оптимальные процедуры выноса жидкости и проппанта для каждой скважины являются индивидуальными. Если...
-
Оборудование, используемое при ГРП, может включать в себя: - емкости для рабочей жидкости; - емкости для проппанта; - блендер; - насосные установки; -...
-
Перед началом операции ГРП все поверхностное оборудование должно быть осмотрено и опрессовано до величин давления, превосходящих предполагаемое рабочее...
-
Проведение ГРП требует применения специальных жидкостей, закачиваемых при больших скоростях и давлениях для создания системы трещин. При кислотном ГРП...
-
Расчет параметров закачки производится инженерной службой организации, которая производит гидроразрыв, после получения исходных параметров по скважине от...
Гидроудар с утечками (неполный гидроудар), Гидроудар с боковой утечкой - Гидравлический удар