为什么水管一端固定后通过恒定水流的时候另一端会来回摆动?
2024-11-19 阅读 22
当水流通过水管时，水流的惯性会导致管道内部产生压力波动，从而使管道受到来自水流的推力。当一端固定时，受到推力的管道会产生振动，导致另一端来回摆动。这种现象称为水锤效应，通常会在管道系统中出现。为了减轻水锤效应带来的影响，可以通过安装减压阀、缓冲器等装置来减少管道振动。
更新于 2024年11月21日
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和水流流速有关。
流速较低时，水流为层流，水管基本上不会摆动。流速增大到一定程度时，水流出现周期性波动。流速进一步增大，水流进入混沌状态。更大的流速，水流是无规则的湍流。图片来自网络水流内部的应力不均匀将驱动水管波动。
动量守恒的作用。喷出水那端水管受和水流反向的力。类似于喷气飞机火箭喷出气体受力。
水流比较大时候，喷出水流并非直线向后，而是有随机的偏置(紊流原因). 偏了一点，反作用力会使得水管更偏，最后和管子弯矩平衡。
这样水管会来回摆动。
水管一端固定后，通过恒定的水流时另一端来回摆动，这种现象可以用流体力学中的几个原理来解释：
卡门涡街（Karman Vortex Street）：
当水流经过一个固定物体或一个管道的开口时，在物体的下游会形成交替出现的旋涡，这种现象称为卡门涡街。这些旋涡会以一定的频率交替脱落，对水管产生周期性的作用力，导致水管摆动。
流体的脉冲作用：
即使水流被认为是恒定的，实际上在管道中可能会有微小的波动或脉冲。这些波动可以是由于水泵的工作方式、管道内的压力变化或其他流体动力学效应引起的。这些脉冲会在管道系统中传播，导致管道的振动。
管道共振：
管道系统有其自然频率，当流体流动产生的力（如涡街力）的频率与管道的自然频率相匹配时，就会发生共振。这种共振会放大管道的振动，导致明显的摆动。
水锤效应（Water Hammer）：
当水流突然停止或方向快速改变时，会在管道中产生压力波，这种现象称为水锤效应。即使水流是恒定的，阀门快速关闭或开启也可能引起水锤效应，导致管道振动。
