阀门的流体密封力计算、阀门的汽蚀和水击
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2
2
V2 hm 2g
5-2 阀门的汽蚀
一、汽化与凝结
1.汽化 物质由液态转变为汽态的过程 2.汽化方式
蒸发：汽化过程在液体表面发生 沸腾：汽化过程在液体表面和液体内部同时发生
3.凝结 物质由汽态转变为液态的过程。 凝结的速度取决于空间蒸汽的压力。
二、饱和状态
饱和状态 液体分子脱离其 汽体分子回到液 ＝ 表面的汽化速度 体中的凝结速度 这时液体与蒸汽处于动态 平衡状态，称为饱和状态
5-3 阀门的水击
二、研究水锤现象的目的
研究水锤现象的目的可归纳为以下四种： 1.计算最大内水压强，作为设计或校核压力管道、 蜗壳和水轮机强度的依据。 2.计算最小内水压强，作为布臵压力管道的路线 （防止压力水管内发生真空）和检验尾水管内真空 度的依据。 3.研究水锤现象与机组运行（如机组转速变化和运 行的稳定性等）的关系。 4.研究减小水锤压强的措施。
5-3 阀门的水击
三、水锤的种类
按水锤产生的原因可分为起动水锤、关阀水 锤和停泵水锤，其中以停泵水锤的危害最为 严重，往往造成管道破裂。
1.当阀门关闭历时（Ts）≤一个水锤相（M）时称瞬 间关闭，瞬间关闭产生的水锤称之为直接水锤。 2.当阀门关闭历时（Ts )＞一个水锤相（M）时称缓 慢关闭，缓慢关闭产生的水锤称为间接水锤。
5-2 阀门的汽蚀
四、汽蚀和闪蒸
分为闪蒸和空化两个阶段。
闪蒸是一种非常快速的转变过程。由于压力降低，部分流 体汽化成气体，产生气泡，形成气液两相共存现象，称为 闪蒸阶段。
5-2 阀门的汽蚀
四、汽蚀和闪蒸
当阀门中液体的下游压力又升回来，且高于饱和压 力时，升高的压力压缩气泡，使之突然破裂，称为 空化阶段。
5-1 流体力学基础
三、流体运动的连续方程
( u x ) ( u y ) u z 0 t x y z
u x u y u z 0 x y z
dV undA 0 A t V
V1 A1 V2 A2 qV
5-1 流体力学基础
5-3 阀门的水击
一、水锤
1.定义： 由于压力管道内液体的流速急剧变化，而引起管道 中液体压力的突然升高或降低，这种现象称之为水 锤。 在有压管道系统中，由于某一管路元件（如阀门） 工作状态的突然改变，导致液体的流速发生急剧变 化，同时引起管内液体压强大幅度波动，这种压强 波动在管道中交替升降来回传播的现象称为水击现 象。由于发生水击现象的同时，可能伴随着发生锤 击管壁般的响声，故水击又称水锤。
四、水锤的相关参数
3.水锤升压 Ａ. 瞬时切断最大水锤升压，由下列方程式决定：
hm c V / g
V V0 V
对于突然关闭管路的阀门 式中：V0—水锤前管中的平均速度，m/s； V— 阀门关闭后的速度，m/s。 对于突然停止的水泵，由下式决定： V 0 V V 式中：V—止回阀完全关闭前产生的水流速度，m/s。
5-3 阀门的水击
四、水锤的相关参数
3.水锤升压 B.切断时间为Ts的实际水锤升压 ，由下列方程式 决定：
h hm (M / Ts )
式中： h—实际水锤升压，Pa；
Ts—水流被切断，实际所花的时间，称作闭阀 历时，s。
5-3 阀门的水击
五、阀门突然关闭时如何减小水锤升压
①增加管路阀门关闭(或开启)时间Tｓ，使水击过程 延长。有资料指出，只要确保水流被切断的实际操 作时间Ts(即闭阀历时)是水锤相M的5—10倍，就可 以使实际水锤升压被限定在安全值以内，从而消除 破坏性的水锤危害； ②在管路上安装各种水锤消除器，这样在水锤发生 瞬间，有水锤消除器将部分水从管中放出，把部分 空气引人管中。
1425 当圆形均质管的δ /d＜1/20时，公式为：c K d 1 E
其中K—水体的弹性模数，Pa， E—管道材料的纵向弹性模数，Pa， d—管径，m；δ—管壁厚，m。
不同材质的E值
单位：GPa
注：1．声波在水中传播速度近似1425m/s
2．1GPa=109Pa
5-3 阀门的水击
5-2 阀门的汽蚀
六、防止汽蚀破坏的方法
1.阀门结构。 2.材料选择 。 3.系统设计。 4.曲折路径。
5.多孔节流设计
5-3 阀门的水击
２００３年威钢电厂在对机组实施停机过程中，当停 运两台循泵中的一台时，另一台突然跳闸（原因不 明），为防止汽缸排汽温度过高而引起缸体热应力的 变化，运行人员立即做出反应，开启两台循环泵。此 时高压水冲击并通过开启的出口阀，瞬间击中凝汽器， 导致了“水锤”事故。 随着高层写字楼及高层住宅的迅速增长，中央空调系 统及高层建筑扬水泵站水锤问题越来越引起了人们的 重视。由于水锤产生的增压可能达到管中原来正常压 强的几十倍、甚至几百倍，因而水锤产生的危害是很 大的。
六、水头损失
1.沿程水头损失
h f ( z1
l V2 hf d 2g
p1
) ( z2
p2
)
f (Re, / d )
5-1 流体力学基础
六、水头损失
2.局部水头损失
p1 p2 1V1 2V2 hm ( z1 ) ( z2 ) r r 2g
5-2 阀门的汽蚀
五来自百度文库汽蚀的危害
汽蚀是材料在液体的压力和温度达到临界值时产生的一种 破坏形式。 闪蒸对阀门的阀芯会产生严重的冲刷破坏，其特点是受冲 刷的表面有平滑抛光的外形。 汽蚀过程中气泡破裂时，产生几千牛顿的冲击力，将零件 表层撕裂，形成蜂窝状的小孔 。并产生一种类似于砂石流 过阀门的噪音。
第四章 阀门的流体力学
基本内容
流体力学基础 5-2 阀门的汽蚀 5-3 阀门的水击
5-1
5-1 流体力学基础
一、流体
1.流体：是一种受任何微小剪切力都能连续变形 的物质。它是气体和液体的通称。 2.特点：
液体 微观 流动性 压缩性 粘性 分子排列紧密 气体 分子排列松散
易流动，只受压力，不受拉力和切力，没有固定形状，受到微小的 剪切力就产生变形或流动 有固定的体积 不易压缩 粘性大，随温度增加粘性下降 没有固定的体积 易压缩 粘性小，随温度增加粘性上升
饱和液体 饱和蒸汽
饱和温度和饱和压力
处于饱和状态的汽、液温度相同，称为饱 和温度ts，对应蒸汽的压力称为饱和压力ps
一定的饱和温度对应于一定的饱和压力， ps f t s 反之也成立，即两者间存在单值关系。
5-2 阀门的汽蚀
三、汽蚀现象
液体在一定温度下，压力降低至该温度下的 饱和压力时，液体便产生汽泡，产生的气泡， 流动到压力高于饱和压力时，其体积减小最 后破灭。在气泡破灭的瞬间，液体质点以很 高的速度填充空穴，在此瞬间产生很强烈的 水击作用，把这种现象称为汽蚀。
5-3 阀门的水击
六、防止水锤破坏的几种措施
1.采用恒压控制技术 2.采用泄压保护技术
①水锤消除器
②泄压保护阀
3.采用控制流速技术
①采用水力控制阀 ②采用快闭式止回阀
4.在管路中各峰点安装可靠的排气阀也是必不可少 的措施
F A uudA A u2u2dA2 u1u1dA1
2
F q V 2V2 1V1
5-1 流体力学基础
六、粘性流体的流动型态
Rec
Vc d
2300
Vd 2300 (层流) Re 2300 (紊流)
5-1 流体力学基础
温度对粘性的影响，产生粘性的主要因素不同：
Ａ.气体：T升高 ，µ变大 Ｂ.液体：T升高 ，µ变小 分子间动量交换为主 内聚力为主
3.表面张力特性
Ａ.表面张力现象 Ｂ.液体表面由于分子引力大于斥力而在表层沿表面方向产生 的拉力。
5-1 流体力学基础
二、研究流体运动的两种方法
流体质点：物理点。 空间点：几何点，表示空间位臵。 1.拉格朗日法（跟踪法、质点法） ＣＭ 2.欧拉法（站岗法、流场法） ＣＶ
5-3 阀门的水击
四、水锤的相关参数
1.水锤相(M) 当压力管道中发生水锤时，其水锤波在管道中往返 传播一次所需的时间，称为水锤相。
2L 计算公式为： M c
其中M—水锤相，s； L—管道长度，m； c—水锤波传播速度，m/s。
5-3 阀门的水击
四、水锤的相关参数
2.水锤波传播速度 水锤波的传播速度与声波在水中的传播速度、管道 材质的弹性模数、水体的弹性模数、管径及管壁厚 有关。
四、流体恒定总流的伯努利方程
du f p dt
2 p1 u12 p2 u2 z1 z2 g 2 g g 2g 2 p1 1v1 p2 2 v 2 2 z1 z2 hW 2g 2g
1
5-1 流体力学基础
五、动量方程
F t V udV A udA
2
V2 hm 2g
5-2 阀门的汽蚀
一、汽化与凝结
1.汽化 物质由液态转变为汽态的过程 2.汽化方式
蒸发：汽化过程在液体表面发生 沸腾：汽化过程在液体表面和液体内部同时发生
3.凝结 物质由汽态转变为液态的过程。 凝结的速度取决于空间蒸汽的压力。
二、饱和状态
饱和状态 液体分子脱离其 汽体分子回到液 ＝ 表面的汽化速度 体中的凝结速度 这时液体与蒸汽处于动态 平衡状态，称为饱和状态
5-3 阀门的水击
二、研究水锤现象的目的
研究水锤现象的目的可归纳为以下四种： 1.计算最大内水压强，作为设计或校核压力管道、 蜗壳和水轮机强度的依据。 2.计算最小内水压强，作为布臵压力管道的路线 （防止压力水管内发生真空）和检验尾水管内真空 度的依据。 3.研究水锤现象与机组运行（如机组转速变化和运 行的稳定性等）的关系。 4.研究减小水锤压强的措施。
5-3 阀门的水击
三、水锤的种类
按水锤产生的原因可分为起动水锤、关阀水 锤和停泵水锤，其中以停泵水锤的危害最为 严重，往往造成管道破裂。
1.当阀门关闭历时（Ts）≤一个水锤相（M）时称瞬 间关闭，瞬间关闭产生的水锤称之为直接水锤。 2.当阀门关闭历时（Ts )＞一个水锤相（M）时称缓 慢关闭，缓慢关闭产生的水锤称为间接水锤。
5-2 阀门的汽蚀
四、汽蚀和闪蒸
分为闪蒸和空化两个阶段。
闪蒸是一种非常快速的转变过程。由于压力降低，部分流 体汽化成气体，产生气泡，形成气液两相共存现象，称为 闪蒸阶段。
5-2 阀门的汽蚀
四、汽蚀和闪蒸
当阀门中液体的下游压力又升回来，且高于饱和压 力时，升高的压力压缩气泡，使之突然破裂，称为 空化阶段。
5-1 流体力学基础
三、流体运动的连续方程
( u x ) ( u y ) u z 0 t x y z
u x u y u z 0 x y z
dV undA 0 A t V
V1 A1 V2 A2 qV
5-1 流体力学基础
5-3 阀门的水击
一、水锤
1.定义： 由于压力管道内液体的流速急剧变化，而引起管道 中液体压力的突然升高或降低，这种现象称之为水 锤。 在有压管道系统中，由于某一管路元件（如阀门） 工作状态的突然改变，导致液体的流速发生急剧变 化，同时引起管内液体压强大幅度波动，这种压强 波动在管道中交替升降来回传播的现象称为水击现 象。由于发生水击现象的同时，可能伴随着发生锤 击管壁般的响声，故水击又称水锤。
四、水锤的相关参数
3.水锤升压 Ａ. 瞬时切断最大水锤升压，由下列方程式决定：
hm c V / g
V V0 V
对于突然关闭管路的阀门 式中：V0—水锤前管中的平均速度，m/s； V— 阀门关闭后的速度，m/s。 对于突然停止的水泵，由下式决定： V 0 V V 式中：V—止回阀完全关闭前产生的水流速度，m/s。
5-3 阀门的水击
四、水锤的相关参数
3.水锤升压 B.切断时间为Ts的实际水锤升压 ，由下列方程式 决定：
h hm (M / Ts )
式中： h—实际水锤升压，Pa；
Ts—水流被切断，实际所花的时间，称作闭阀 历时，s。
5-3 阀门的水击
五、阀门突然关闭时如何减小水锤升压
①增加管路阀门关闭(或开启)时间Tｓ，使水击过程 延长。有资料指出，只要确保水流被切断的实际操 作时间Ts(即闭阀历时)是水锤相M的5—10倍，就可 以使实际水锤升压被限定在安全值以内，从而消除 破坏性的水锤危害； ②在管路上安装各种水锤消除器，这样在水锤发生 瞬间，有水锤消除器将部分水从管中放出，把部分 空气引人管中。
1425 当圆形均质管的δ /d＜1/20时，公式为：c K d 1 E
其中K—水体的弹性模数，Pa， E—管道材料的纵向弹性模数，Pa， d—管径，m；δ—管壁厚，m。
不同材质的E值
单位：GPa
注：1．声波在水中传播速度近似1425m/s
2．1GPa=109Pa
5-3 阀门的水击
5-2 阀门的汽蚀
六、防止汽蚀破坏的方法
1.阀门结构。 2.材料选择 。 3.系统设计。 4.曲折路径。
5.多孔节流设计
5-3 阀门的水击
２００３年威钢电厂在对机组实施停机过程中，当停 运两台循泵中的一台时，另一台突然跳闸（原因不 明），为防止汽缸排汽温度过高而引起缸体热应力的 变化，运行人员立即做出反应，开启两台循环泵。此 时高压水冲击并通过开启的出口阀，瞬间击中凝汽器， 导致了“水锤”事故。 随着高层写字楼及高层住宅的迅速增长，中央空调系 统及高层建筑扬水泵站水锤问题越来越引起了人们的 重视。由于水锤产生的增压可能达到管中原来正常压 强的几十倍、甚至几百倍，因而水锤产生的危害是很 大的。
六、水头损失
1.沿程水头损失
h f ( z1
l V2 hf d 2g
p1
) ( z2
p2
)
f (Re, / d )
5-1 流体力学基础
六、水头损失
2.局部水头损失
p1 p2 1V1 2V2 hm ( z1 ) ( z2 ) r r 2g
5-2 阀门的汽蚀
五来自百度文库汽蚀的危害
汽蚀是材料在液体的压力和温度达到临界值时产生的一种 破坏形式。 闪蒸对阀门的阀芯会产生严重的冲刷破坏，其特点是受冲 刷的表面有平滑抛光的外形。 汽蚀过程中气泡破裂时，产生几千牛顿的冲击力，将零件 表层撕裂，形成蜂窝状的小孔 。并产生一种类似于砂石流 过阀门的噪音。
第四章 阀门的流体力学
基本内容
流体力学基础 5-2 阀门的汽蚀 5-3 阀门的水击
5-1
5-1 流体力学基础
一、流体
1.流体：是一种受任何微小剪切力都能连续变形 的物质。它是气体和液体的通称。 2.特点：
液体 微观 流动性 压缩性 粘性 分子排列紧密 气体 分子排列松散
易流动，只受压力，不受拉力和切力，没有固定形状，受到微小的 剪切力就产生变形或流动 有固定的体积 不易压缩 粘性大，随温度增加粘性下降 没有固定的体积 易压缩 粘性小，随温度增加粘性上升
饱和液体 饱和蒸汽
饱和温度和饱和压力
处于饱和状态的汽、液温度相同，称为饱 和温度ts，对应蒸汽的压力称为饱和压力ps
一定的饱和温度对应于一定的饱和压力， ps f t s 反之也成立，即两者间存在单值关系。
5-2 阀门的汽蚀
三、汽蚀现象
液体在一定温度下，压力降低至该温度下的 饱和压力时，液体便产生汽泡，产生的气泡， 流动到压力高于饱和压力时，其体积减小最 后破灭。在气泡破灭的瞬间，液体质点以很 高的速度填充空穴，在此瞬间产生很强烈的 水击作用，把这种现象称为汽蚀。
5-3 阀门的水击
六、防止水锤破坏的几种措施
1.采用恒压控制技术 2.采用泄压保护技术
①水锤消除器
②泄压保护阀
3.采用控制流速技术
①采用水力控制阀 ②采用快闭式止回阀
4.在管路中各峰点安装可靠的排气阀也是必不可少 的措施
F A uudA A u2u2dA2 u1u1dA1
2
F q V 2V2 1V1
5-1 流体力学基础
六、粘性流体的流动型态
Rec
Vc d
2300
Vd 2300 (层流) Re 2300 (紊流)
5-1 流体力学基础
温度对粘性的影响，产生粘性的主要因素不同：
Ａ.气体：T升高 ，µ变大 Ｂ.液体：T升高 ，µ变小 分子间动量交换为主 内聚力为主
3.表面张力特性
Ａ.表面张力现象 Ｂ.液体表面由于分子引力大于斥力而在表层沿表面方向产生 的拉力。
5-1 流体力学基础
二、研究流体运动的两种方法
流体质点：物理点。 空间点：几何点，表示空间位臵。 1.拉格朗日法（跟踪法、质点法） ＣＭ 2.欧拉法（站岗法、流场法） ＣＶ
5-3 阀门的水击
四、水锤的相关参数
1.水锤相(M) 当压力管道中发生水锤时，其水锤波在管道中往返 传播一次所需的时间，称为水锤相。
2L 计算公式为： M c
其中M—水锤相，s； L—管道长度，m； c—水锤波传播速度，m/s。
5-3 阀门的水击
四、水锤的相关参数
2.水锤波传播速度 水锤波的传播速度与声波在水中的传播速度、管道 材质的弹性模数、水体的弹性模数、管径及管壁厚 有关。
四、流体恒定总流的伯努利方程
du f p dt
2 p1 u12 p2 u2 z1 z2 g 2 g g 2g 2 p1 1v1 p2 2 v 2 2 z1 z2 hW 2g 2g
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5-1 流体力学基础
五、动量方程
F t V udV A udA