Математическая модель и анализ гашения гидравлического удара с помощью воздушного колпака

Б.Б. Бахтиёров; И.К. Хужаев; Н.В. Туропова

doi:10.71310/pcam.3_73.2026.02

Авторы

Б.Б. Бахтиёров Ташкентский университет информационных технологий имени Мухаммада-ал-Хоразми Автор
И.К. Хужаев Институт механики и сейсмостойкости сооружений им. М.Т. Уразбаева Автор
Н.В. Туропова Ташкентский университет информационных технологий имени Мухаммада-ал-Хоразми Автор

DOI:

https://doi.org/10.71310/pcam.3_73.2026.02

Ключевые слова:

гидравлический удар, газогидравлический демпфер, воздушный колпак, математическое моделирование, метод бегущих волн, нестационарный поток, кавитация, магистральный трубопровод

Аннотация

Представлена усовершенствованная квазиодномерная математическая модель нестационарного движения сжимаемой жидкости в магистральных трубопроводах для исследования гашения гидравлического удара. Научная новизна заключается в формулировке строгого нелинейного граничного условия, основанного на законе сохранения массы защемлённого газа в воздушном колпаке (демпфере). Численное интегрирование определяющих уравнений выполнено методом бегущих волн с применением неявной конечно-разностной схемы. Верификация алгоритма с эталонной динамической моделью в MATLAB Simulink подтвердила высокую точность подхода (погрешность 5–8%). Многофакторный анализ детально раскрывает влияние объёма демпфера, начального давления газа и диаметра трубопровода на инерционность системы. Установлены критические пороги разрушительной кавитации и эффекта передемпфирования., что доказывает необходимость индивидуальной калибровки защитных устройств для надёжной эксплуатации трубопроводных сетей.

Библиографические ссылки

Chaudhry M.H. Applied Hydraulic Transients // Springer: New York, NY, USA. – 2014. – 3rd ed.

Wylie E.B., Streeter V.L., Suo L. Fluid Transients in Systems // Prentice Hall: Englewood Cliffs, NJ, USA. – 1993.

Ghidaoui M.S., Zhao M., McInnis D.A., Axworthy D.H. A review of water hammer theory and practice // Applied Mechanics Reviews. – 2005. – Vol. 58. – №1. – P. 49–76.

Bergant A., Simpson A.R., Tijsseling A.S. Water hammer with column separation: A historical review // Journal of Fluids and Structures. – 2006. – Vol. 22. – №2. – P. 135–171.

Adamkowski A., Lewandowski M. Experimental examination of unsteady friction models for transient pipe flow simulation // Journal of Fluids Engineering. – 2006. – Vol. 128. – №6. – P. 1351–1363.

Urbanowicz K. Analytical expression for transient fluid friction in water hammer flows // Journal of Fluids Engineering. – 2017. – Vol. 139. – №3. – P. 031102.

Tijsseling A.S. Fluid-structure interaction in liquid-filled pipe systems: a review // Journal of Fluids and Structures. – 1996. – Vol. 10. – №2. – P. 109–146.

Stephenson D. Sizing of air vessels for water hammer protection // Journal of Hydraulic Engineering. – 2002. – Vol. 128. – №7. – P. 713–716.

Zhu M., Zhou L., Wang P. Optimal design of air vessels in pumping stations using a genetic algorithm // Water. – 2018. – Vol. 10. – №9. – P. 1182.

Lee N.H., Su S.C. Simulation of water hammer in a pipeline system with an air chamber // Journal of the Chinese Institute of Engineers. – 2008. – Vol. 31. – №5. – P. 841–848.

Bozorg Haddad O., Parsa H.A., Mari˜no M.A. Optimum design of air vessels for water hammer mitigation using genetic algorithms // Journal of Water Resources Planning and Management. – 2012. – Vol. 138. – №6. – P. 611–617.

Martins S.C., Martins J.C. Water hammer phenomena: A CFD approach // International Journal of Pressure Vessels and Piping. – 2015. – Vol. 132. – P. 32–41.

Li Z., Wang H., Chen Y. 3D CFD simulation of the transient flow in an air vessel during pump trip // Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics. – 2021. – Vol. 15. – №1. – P. 102–115.

Soares A.K., Covas D.I.C., Reis L.F.R. Analysis of the polytropic index in air vessels during hydraulic transients // Journal of Hydraulic Research. – 2014. – Vol. 52. – №1. – P. 140–144.

Шестаков Р.А., Резанов К.С., Матвеева Ю.С., Ванчугов И.М. Усовершенствованная математическая модель участка магистрального трубопровода с лупингом // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2022. – Т. 333. – №2. – С. 123–131. doi: http://dx.doi.org/10.18799/24131830/2022/2/3325

Shestakov R.A. Research of distribution of oil flow in the pipeline with looping // J. Phys. Conf. Ser. – 2020. – Vol. 1679. – P. 052035. doi: http://dx.doi.org/10.1088/1742-6596/1679/5/052035

Obaseki M., Elijah P.T. Dynamic modeling and prediction of wax deposition thickness in crude oil pipelines // J. King Saud Univ. Eng. Sci. – 2021. – Vol. 33. – P. 437–445.

Zhang B., Wan W., Shi M. Experimental and Numerical Simulation of Water Hammer in Gravitational Pipe Flow with Continuous Air Entrainment // Water. – 2018. – Vol. 10. – P. 928. doi: http://dx.doi.org/10.3390/w10070928

Sun Z., Liu D., Yuan H., Sun Z., Pan W., Zhang Z., Ma B., Jiang Z. The water hammer in the long-distance steam supply pipeline: a computational fluid dynamics simulation // Cogent Eng. – 2022. – Vol. 9. – P. 2127472. doi: http://dx.doi.org/10.1080/23311916.2022.2127472