水锤(也称为水锤)是任何泵系统在流量突然变化时都可能出现的压力波动，通常由泵的启动和停止，阀门的打开和关闭，或水柱分离和关闭引起。这些突然的变化会导致流动水柱的全部或部分经历动量变化。这会产生一个激波，在产生它的势垒和第二个势垒之间来回传播。如果冲击波的强度很高，可能会对系统造成物理损害。奇怪的是，在低压应用中，这可能更令人担忧。
水锤是能量守恒的另一个例子，是由速度能量转化为压力能量的结果。由于液体的可压缩性较低，因此产生的压力能量往往很高。
图1。示例系统(作者提供)
也许可视化这个动作的最好方法是从一个假设的例子开始。图1显示了一个泵将水抽入管道，当泵启动时，管道是空的。位于泵排放口和管道远端的两个阀门是全开的，并具有瞬间关闭的能力。管道、阀门和其他配件完全是非弹性的，无论压力如何，体积都不会发生变化。流经管道的水柱也具有与管道截面内径(ID)相匹配的完全平坦的前缘。当水柱的前缘到达下游阀门时，它以接近光速的速度关闭，并且在水柱前面没有空气被截住。
尽管前缘撞击了关闭的阀门，但在接下来的几毫秒内，流入管道的流体仍在继续。水流刚一停止，上游的阀门就会关闭(此时的速度是真光速)，水柱就会完全隔离在两个阀门之间。当柱撞击关闭的下游阀门时，会发生什么事件?为什么即使阀门关闭，水仍会继续进入管道?
如果这个移动的柱子是金属柱而不是水(当然，这只是假设)，可能会发生一些事情。根据其恢复系数(避免永久损坏的能力)，当金属柱的前缘被压在关闭的阀门上时，由于流动(运动)产生的动能可以转化为机械能。如果发生这种情况，柱就会静止不动，停留在阀门处。如果它的恢复力足够高，可以防止被压碎，那么同样的动能可以用来以反弹的形式扭转它的方向。不管结果如何，“整个”金属柱要么静止，要么向相反的方向弹跳。当涉及到水时，这两种情况都不会发生。
水是一种几乎不可压缩的液体，这似乎表明它是可压缩的。在环境温度下，1磅每平方英寸(psi)将使其体积减少约0.0000034%。这看起来很小，但体积越大，就越容易看到效果。例如，如果水不压缩，海平面将比现在的水平高出大约100英尺!在非常高的压力下，比如40000 psi，它的压缩性增加到10%左右。但是，大多数水不仅仅是水——它还含有空气，主要是氮气(78%)和氧气(21%)。溶解的空气约占给定体积的未处理水的2%，并大大增加了其可压缩性。
为什么
正是水(和溶解的空气)的可压缩性导致水的作用不同于金属柱。如果它不可压缩，它的前缘就会被永久地压碎，或者整个柱子会向后弹回。当水柱的前缘撞击关闭的阀门时，它会突然停止。由于前缘后面的水仍在运动，它开始压缩。这允许少量的水继续流入管道，即使前缘已经停止。当流动停止时，它的所有运动动能和由于压缩而产生的动能都转化为压力能。
压缩从水柱的前缘开始，由于它产生的额外能量不能继续通过关闭的阀门，就会产生压力或冲击波，并沿着阻力最小的路径传播，在本例中，压力或冲击波返回上游。它的初始过程类似于声波在空气中传播时撞击类似障碍物时产生的回声。当声波击中上游阀门时，它被反射回下游，但强度减弱。这种来回运动一直持续到摩擦和反射损失导致波消失为止。波的传播速度和传播过程中损失的能量取决于传播介质的密度和可压缩性。水的密度和可压缩性使其成为激波产生和传播的良好介质。
液压冲击产生的压力波具有与声波相似的特征，并且以相似的速度传播。水锤压力波通过一段管道所需的时间就是管道长度除以水中声速(约为4860英尺/秒)。在水锤分析中，经常使用一个时间常数来描述波浪从开始到次级势垒，然后再返回的过程。它的形式是Tc = 2L/a(其中L是管道长度，a是波的速度，也就是声速)。在1000英尺长的管道中，波可以在不到半秒的时间内完成一个完整的往返。
P(附加)= aV / 2.31g
方程1
P =冲击波产生的额外压力
波速
V =管子中水流的速度，单位是英尺每秒
G =万有引力常数32英尺/秒2
2.31=压力转换常数。
激波产生的压力与波速和在管道中流动的水的速度成正比。虽然公式1没有考虑管道长度、直径和弹性的影响，但它将提供一些关于水锤压力波产生的附加压力的见解。
当管道速度为5英尺/秒时，冲击波产生的额外压力约为328 psi。将速度提高到10英尺/秒，额外压力将增加到约657 psi。显然，不能适应这种增加的压力的系统经常会损坏甚至被摧毁。
图2。主管道带有分支电路阀门关闭与开启
水锤的主要原因之一是阀门突然关闭。图2显示了一个主管道和一个由“Tee”馈电的分支电路。分支的末端是一个阀门。黑色箭头表示主支线的流向，紫色箭头表示支线的长度。在图1中的系统中，阀门充当主要屏障，但这次的次要屏障是“Tee”。
如果分支管路中有水流动，阀门迅速关闭，就会产生激波。它的开始遵循与我们假设的例子中相同的事件顺序。一个小的区别是，一些波的强度将在“Tee”中损失，因为它是向两侧的主管道开放的。尽管如此，还是有很大一部分会被反射回阀门。
P = 0.07 (VL / t)
方程2
P =冲击波产生的附加压力
V =流速，单位ft/sec
L =障碍物之间的管道长度，单位为英尺
T =阀门关闭时间，单位为秒。
0.07 =一个推导的常数。
这个例子的不同之处在于我们对阀门关闭时间有一定的控制。在我们假设的例子中，阀门以接近光速关闭。封闭时间对水锤的起始和强度有显著影响。另外两个变量，流速和管道长度，也是主要因素。公式2显示了这三个变量之间的关系。激波产生的附加压力与流速和管道长度成正比，与关闭时间成反比。换句话说，较高的V或L值将增加压力，而较高的t值将导致压力下降。表1显示了使用不同速度、管道长度和关闭时间时该方程的结果。V值为5和10英尺/秒，L值为100和1000英尺，t值为1和2秒。每个例子中有两个变量是常数。
表1。由不同速度、管道长度和关闭时间产生的额外压力该表的两列都说明了速度和长度压力随着它们的增加而增加的比例影响。右列的较低值说明了时间的反比关系;这些压力是左边一栏的一半，因为关闭时间翻了一番。L的值通常是固定的，并且取决于应用程序，但是我们可以对其他两个变量进行实质性的控制。这样可以消除或大大减少水锤的影响。
管径和其材料的弹性也影响所产生的压力。更大的直径和更有弹性的材料吸收了一些激波的强度，因此减少了产生的压力。一些管道制造商发布了曲线或表格，显示了不同管径和材料的潜在水锤压力增加。
假设分支管路阀门关闭。如果快速打开，效果与快速关闭类似。当阀门迅速打开时，分支管道的压力立即下降，从主线进入的水加速了之前静止的柱。由于摩擦等因素限制其流动，柱的前部可以作为初始屏障，产生水锤。通常它的影响比阀门关闭小得多，通常被称为“浪涌”。不过，在某些条件下，这种激增可能是破坏性的。
泵启动和停止
水锤的影响在低压系统中更为显著。冲击波产生的附加压力与管道的长度和流经管道的水的速度成正比，与管道的操作压力完全无关。因此，无论操作压力是50 psi还是200 psi，在1000英尺长的管道中以5英尺/秒的速度流动所产生的冲击波都是相同的。不同的是，在低压系统中，冲击压力与设计压力的比值可以显著提高，因此损坏的可能性更大。
在许多大型系统中，对着关闭的排放阀启动泵是正常程序。一旦泵全速运转，阀门就慢慢打开。流量被启动，然后随着阀门继续打开而增加到最大。当泵停止时，这个过程反过来。根据缓慢打开或关闭的阀门启动和停止将抑制水锤的启动。
排放阀可以手动操作，也可以通过一些自动机构操作。手动操作的阀门的一个缺点发生在停电期间。当泵电机失去动力时，泵速和流量迅速下降。由此产生的动能与压力动能的变化可在排放管道中产生水锤波。随着水柱方向的反转，叶轮会反向加速。当它达到最大反向速度时，反向流动减少，并产生额外的压力波动。
在大多数增压应用中，“弹簧加载”的止回阀安装在泵排气口或附近，当泵空闲时保持关闭状态。当泵启动时，直到它产生的压力超过关闭阀门下游侧的压力，才开始流动。如果不允许下游压力下降到一定水平以下，流量缓慢增加，避免或减少水锤初始。
当泵停止时，一个意外事件发生了——一个快速关闭的阀门实际上抑制了水锤，而不是引发水锤。在这种特殊情况下，弹簧可以快速关闭阀门，防止水柱由于下游压力较高而改变方向。即使流量突然变化，整个下游柱的压力仍保持相对恒定。如果安装的是标准的止回阀，水柱会加速后退，猛地关闭止回阀，并引发冲击波。
如今，变频驱动(VFD)控制在许多应用中被用于消除泵启动和停止期间水锤的产生。这种技术被称为软启动和软停止，是通过在一段时间内提高或降低电机速度来完成的。这使得流速增加或减少的速度比在横线开始和停止时要慢得多。
到目前为止，我们对水锤的讨论只涉及单相系统。在这些系统中，水保持单一状态(在我们的例子中是液体)，而不管水力条件的变化。由单相系统产生的激波是由于流动的突然变化和由此产生的动能转换。
水柱分离与闭合产生的水锤是一个两相过程。在两相体系中，水的状态发生变化，在相同的密闭体积内可以以液体和蒸汽两种形式存在。当管道中的压力降低到水的蒸汽压时，这种变化就会发生。当出现压降时，水柱会在一个或多个位置被一团水蒸气分开。当压力上升到蒸汽压以上时，色谱柱就会重新连接或关闭，从而产生高压波。水柱分离本身会在非常大直径或薄壁管道中引起问题(可能会坍塌)，但在关闭过程中水锤是更常见的问题。
当泵停止时，水柱会发生反转，或者在冷凝管线中，高温可以减轻对大压降的需求，这时就会发生水柱分离。尽管这两种形式都具有极大的破坏性，但凝析油管线往往更危险。圆柱封闭产生的冲击波可以向相反的方向传播，如果它们遇到二级屏障，它们可以重新定向回另一个。当这些反射波碰撞时，它们的强度会增加，这并不罕见。对于水波和电压波，这当然是事实，并且可能解释了关闭引发的水锤通常会造成更大的损坏。