Vodni udar ili hidraulički udar je nagla i značajna promjena tlaka zbog promjene brzine vode na jednom kraju cjevovoda, a obično se dešava na nizvodnom kraju cjevovoda zbog zatvaranja zatvarača.
Hidraulički udar se odvija pod prevladavajućim utjecajem sila inercije i sila elastičnosti. Brzine širenja promjene tlaka u tlačnom cjevovodu vrlo su velike, te su za čelične cjevovode reda veličine 1000 m/s. Prirast tlaka na zatvaraču zbog efekta vodnog udara može doseći vrijednosti od nekoliko desetaka bara. Prirast tlaka zbog vodnog udara obično prati vibracije cijevi i pojava buke. Periodi oscilacije tlaka su u pravilu vrlo kratki i mogu iznositi dijelove sekunde. Izraženost efekta hidrauličkog udara ovisi od protoka kroz tlačni cjevovod, njegovoj duljini, elastičnim svojstvima cjevovoda, dimenzijama cjevovoda i vremenu trajanja manevra sa zatvaračima koji može trajati svega par sekundi.[1]
U prvom stoljeću prije Krista Marcus Vitruvius Pollio opisao je posljedice vodnog udara u olovnim cijevima i kamenim akvaduktima u antičkom Rimu.
U visokotlačnim hidroelektranama se vodni udar u pravilu ne prenosi u dovodni tunel, jer pri zatvaranju višak vode iz tunela ulazi u vodnu komoru. Pri naglom otvaranju zatvarača vodne turbine (puštanje u pogon), dok se ne uspostavi stacionarno stanje, manjak vode u tlačnom cjevovodu se nadoknađuje iz vodne komore. U svakom slučaju, masa vode iz dovodnog tunela oscilira u sistemu dovodni tunel – vodna komora, gdje dominiraju sile inercije i sile trenja. Vrijeme trajanja ovih oscilacija do konačnog smirivanja (pri naglom zatvaranju) može potrajati vrlo dugo (par sati). Vodni udar u tlačnom cjevovodu ni fizikalno ni vremenski se ne podudara s oscilacijama vode u sistemu dovodni tunel – vodna komora, pa se ta dva procesa mogu odvojeno izučavati i odvojeno proračunavati, tlak na ulasku u tlačni cijevovod određen je za sve vrijeme kotom vode u vodnoj komori. Kad se vodni udar računa za potrebe dimenzionara tlačnih cjevovoda na visokotlačnim elektranama, zanemaruje se utjecaj trenja.[2]
Osnovni zahtjevi projektne zadaće pri proračunu vodnog udara u tlačnom cjevovodu je određivanje maksimalnih vrijednosti tlaka i protoka na zatvaraču te na osnovu toga dimenzioniranje cjevovoda za dani režim zatvaranja zatvarača. Također je potrebno proračunati proces naglog puštanja turbina u pogon. U ovome slučaju, kada u početnoj fazi voda u tlačni cjevovod dolazi iz vodne komore, ne smije se dopustiti ni pod kojim uvjetima ulazak zraka u tlačni cjevovod, što bi radi kavitacije i komprimacije moglo dovesti do znatnog oštećenja ili puknuća cjevovoda. Kao rezultat proračuna vodnog udara proizlaze dimenzije tlačnog cjevovoda, provjera rezervi vode iz vodne komore i definiranje sigurnog režima zaustavljanja i puštanja u pogon turbina.
Pri izučavanju pojave hidrauličkog udara temeljni i pionirski doprinos dali su u svojim radovima Nikolaj Žukovski (1899.) i L. Allievi (1925). Po formuli Žukovskog, pri trenutnom potpunom zatvaranju, prirast tlaka na zatvaraču će doseći vrijednost: Δp = ρ • vo • a, pri čemu je vo - brzina u tlačnom cjevovodu prije zaustavljanja toka a a - brzina širenja elastičnih poremećaja.[3]
gdje je: ΔP - prirast tlaka na zatvaraču (Pa), ρ – gustoća fluida (kgm−3), a – brzina zvuka u fluidu (m/s) i Δv – promjena brzine fluida (m/s). Impuls sile se stvara zbog 3. Newtonovog zakona gibanja i jednadžbi kontinuiteta, koji se primjenjuju za usporenje fluida.[4]
Tlačni cjevovodi se mogu štititi od vodnog udara osim s vodnim komorama i sa:[5]
Brzina širenja zvuka u fluidu je određeno sa ,, a vršna vrijednost će ovisiti o:
,
gdje je:
Za čelični cjevovod uobičajena brzina širenja elastičnih poremečaja ≈ 1000 m/s. Plastični cjevovodi još više smanjuju brzinu širenja poremećaja ≈ 300 m/s.