阀门的流体密封力计算、阀门的汽蚀和水击

1、第四章第四章 阀门的流体力学阀门的流体力学基本内容基本内容v5-1 流体力学基础流体力学基础v5-2 阀门的汽蚀阀门的汽蚀v5-3 阀门的水击阀门的水击5-1 5-1 流体力学基础流体力学基础一、一、流体流体1.1.流体：是一种受任何微小剪切力都能连续变形流体：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。的物质。它是气体和液体的通称。2.2.特点：特点：液体液体气体气体微观微观分子排列紧密分子排列紧密分子排列松散分子排列松散流动性流动性易流动，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剪

2、切力就产生变形或流动有固定的体积有固定的体积没有固定的体积没有固定的体积压缩性压缩性不易压缩不易压缩易压缩易压缩粘性粘性粘性大，随温度增加粘性下降粘性大，随温度增加粘性下降粘性小，随温度增加粘性上升粘性小，随温度增加粘性上升v温度对粘性的影响，产生粘性的主要因素不同：温度对粘性的影响，产生粘性的主要因素不同：v.气体：气体：T升高升高 ，变大变大 分子间动量交换为主分子间动量交换为主v.液体：液体：T升高升高 ，变小变小 内聚力为主内聚力为主3.表面张力特性表面张力特性.表面张力现象表面张力现象.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液体表面由于分子引力大于斥力而在表层沿表面方向产

3、生的拉力。的拉力。5-1 5-1 流体力学基础流体力学基础二、二、研究流体运动的两种方法研究流体运动的两种方法 流体质点：物理点。流体质点：物理点。 空间点：几何点，表示空间位置。空间点：几何点，表示空间位置。 1.1.拉格朗日法（跟踪法、质点法）拉格朗日法（跟踪法、质点法） 2.2.欧拉法（站岗法、流场法）欧拉法（站岗法、流场法） 5-1 5-1 流体力学基础流体力学基础三、流体运动的连续方程三、流体运动的连续方程0)()(zuyuxutzyx0zuyuxuzyx0ddVVAnAutV2211qAVAV5-1 5-1 流体力学基础流体力学基础四、流体恒定总流的伯努利方程四、流体恒定总流的伯努

4、利方程tpdd1uf2gz222222111ugpgugpzWhgpzgpz2v2v22222211115-1 5-1 流体力学基础流体力学基础五、动量方程五、动量方程AtAddVVuuF1122ddd2AuAuAuAA12uuuF12VVF12Vq5-1 5-1 流体力学基础流体力学基础六、粘性流体的流动型态六、粘性流体的流动型态)(2300)(2300Re紊流层流Vd2300RedVcc5-1 5-1 流体力学基础流体力学基础六、水头损失六、水头损失gVdlhf22)/(Re,df)()(2211pzpzhf5-1 5-1 流体力学基础流体力学基础六、水头损失六、水头损失gVVrpzrpz

5、hm2)()(2222112211gVhm225-2 5-2 阀门的汽蚀阀门的汽蚀一、一、汽化与凝结汽化与凝结1.1.汽化汽化物质由物质由液态转变为汽态液态转变为汽态的过程的过程2.2.汽化方式汽化方式蒸发：汽化过程在蒸发：汽化过程在液体表面液体表面发生发生沸腾：汽化过程在沸腾：汽化过程在液体表面和液体内部液体表面和液体内部同时发生同时发生3.3.凝结凝结物质由物质由汽态转变为液态汽态转变为液态的过程。的过程。凝结的速度取决于空间蒸汽的压力。凝结的速度取决于空间蒸汽的压力。二、饱和状态二、饱和状态饱和状态饱和状态液体分子脱离其液体分子脱离其表面的汽化速度表面的汽化速度汽体分子回到液汽体分子回到

6、液体中的凝结速度体中的凝结速度这时液体与蒸汽处于动态这时液体与蒸汽处于动态平衡状态，称为平衡状态，称为饱和状态饱和状态饱和液体饱和液体饱和蒸汽饱和蒸汽n饱和温度和饱和压力饱和温度和饱和压力 处于饱和状态的汽、液温度相同，称为饱处于饱和状态的汽、液温度相同，称为饱和温度和温度t ts s，对应蒸汽的压力称为饱和压力，对应蒸汽的压力称为饱和压力p ps s 一定的饱和温度对应于一定的饱和压力，一定的饱和温度对应于一定的饱和压力，反之也成立，即两者间存在单值关系反之也成立，即两者间存在单值关系。 sstfp 5-2 5-2 阀门的汽蚀阀门的汽蚀三、三、汽蚀现象汽蚀现象液体在一定温度下，压力降低至该温

7、度下的液体在一定温度下，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，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。水击作用，把这种现象称为汽蚀。5-2 5-2 阀门的汽蚀阀门的汽蚀四、四、汽蚀和闪蒸汽蚀和闪蒸 n分为闪蒸和空化两个阶段。分为闪蒸和空化两个阶段。 n闪蒸是一种非常快速的转变过程。由于压力降低，部分流闪蒸是一种非常快速

8、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，称为闪蒸阶段闪蒸阶段。5-2 5-2 阀门的汽蚀阀门的汽蚀四、四、汽蚀和闪蒸汽蚀和闪蒸 n当阀门中液体的下游压力又升回来，且高于饱和压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，称为力时，升高的压力压缩气泡，使之突然破裂，称为空化阶段。空化阶段。 5-2 5-2 阀门的汽蚀阀门的汽蚀五、五、汽蚀的危害汽蚀的危害 n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。破坏形

9、式。 n闪蒸对阀门的阀芯会产生严重的冲刷破坏，其特点是受冲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刷的表面有平滑抛光的外形平滑抛光的外形。n汽蚀过程中气泡破裂时，产生汽蚀过程中气泡破裂时，产生几千牛顿几千牛顿的冲击力，的冲击力，将零件将零件表层撕裂，形成表层撕裂，形成蜂窝状的小孔蜂窝状的小孔 。并产生一种类似于砂石流。并产生一种类似于砂石流过阀门的噪音。过阀门的噪音。5-2 5-2 阀门的汽蚀阀门的汽蚀六、六、防止汽蚀破坏的方法防止汽蚀破坏的方法n1.阀门结构。阀门结构。 n2.材料选择材料选择 。n3.系统设计。系统设计。n4.曲折路径。曲折路径。n5.多孔节流设计多孔节

10、流设计 5-3 5-3 阀门的水击阀门的水击v年威钢电厂在对机组实施停机过程中，当停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，时高压水冲击并通过开启的出口阀，瞬间击中凝汽器，导致了导致了“水锤水锤”事故。事故。v随着高层写字楼及高层住宅的迅速增长，中央空调系随着高层写字楼及高层住宅的

11、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强的几十倍、甚至几百倍，因而水锤产生的危害是很大的。大的。5-3 5-3 阀门的水击阀门的水击一、一、水锤水锤1.1.定义：定义：由于压力管道内液体的流速急剧变化，而引起管道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，这种现象称之为水中液体压力的突然升高或降低，这种现象称之为水锤。锤。在有压管道系统中，由于某一管路元件（

12、如阀门）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，故水击又称水锤击管壁般的响声，故水击又称水锤。5-3 5-3 阀门的水击阀门的水击二、研究水锤现象的目的二、研究水锤现象的目的n研究水锤现象的目的可归纳为以下四种：研究水锤现象的目

13、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、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。蜗壳和水轮机强度的依据。2.计算最小内水压强，作为布置压力管道的路线计算最小内水压强，作为布置压力管道的路线（防止压力水管内发生真空）和检验尾水管内真空（防止压力水管内发生真空）和检验尾水管内真空度的依据。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。行的稳定性等）的关系。4.研究减小水锤压强的措施。研究减小水锤压强的措施。 5-3 5-3 阀门的水击阀门的水击三、水锤的种类三、水锤的种类n

14、按水锤产生的原因可分为按水锤产生的原因可分为起动水锤、关阀水起动水锤、关阀水锤和停泵水锤锤和停泵水锤，其中以停泵水锤的危害最为，其中以停泵水锤的危害最为严重，往往造成管道破裂。严重，往往造成管道破裂。v1.1.当阀门关闭历时（当阀门关闭历时（T Ts s）一个水锤相（一个水锤相（M M）时称瞬）时称瞬间关闭，瞬间关闭产生的水锤称之为间关闭，瞬间关闭产生的水锤称之为直接水锤直接水锤。v2.2.当阀门关闭历时（当阀门关闭历时（T Ts s ) )一个水锤相（一个水锤相（M M）时称缓）时称缓慢关闭，缓慢关闭产生的水锤称为慢关闭，缓慢关闭产生的水锤称为间接水锤间接水锤。5-3 5-3 阀门的水击阀门

15、的水击四、水锤的相关参数四、水锤的相关参数u1.1.水锤相水锤相(M)(M) v当压力管道中发生水锤时，其水锤波在管道中往返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。传播一次所需的时间，称为水锤相。v计算公式为：计算公式为：v其中其中M水锤相，水锤相，s；L管道长度，管道长度，m；c水锤波传播速度，水锤波传播速度，m/s。 2LMc5-3 5-3 阀门的水击阀门的水击四、水锤的相关参数四、水锤的相关参数u2.水锤波传播速度水锤波传播速度 v水锤波的传播速度与声波在水中的传播速度、管道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

16、径及管壁厚材质的弹性模数、水体的弹性模数、管径及管壁厚有关。有关。 v当圆形均质管的当圆形均质管的 /d1/20时，公式为：时，公式为：v其中其中K水体的弹性模数，水体的弹性模数，Pa，E管道材料的纵向弹性模数，管道材料的纵向弹性模数，Pa，d管径，管径，m；管壁厚，管壁厚，m。14251cK dEv不同材质的不同材质的E E值值 单位：单位：GPaGPav注：注：1 1声波在水中传播速度近似声波在水中传播速度近似1425m/s1425m/s2 21GPa=101GPa=109 9PaPa5-3 5-3 阀门的水击阀门的水击四、水锤的相关参数四、水锤的相关参数u3.3.水锤升压水锤升压u. 瞬

17、时切断最大水锤升压，由下列方程式决定：瞬时切断最大水锤升压，由下列方程式决定：v对于突然关闭管路的阀门对于突然关闭管路的阀门式中：式中：V0水锤前管中的平均速度，水锤前管中的平均速度，m/s； V 阀门关闭后的速度，阀门关闭后的速度，m/s。v对于突然停止的水泵，由下式决定：对于突然停止的水泵，由下式决定：式中：式中：V止回阀完全关闭前产生的水流速度，止回阀完全关闭前产生的水流速度，m/s。/mhcV g0VVV 0VVV 5-3 5-3 阀门的水击阀门的水击四、水锤的相关参数四、水锤的相关参数u3.3.水锤升压水锤升压uB.切断时间为切断时间为Ts的实际水锤升压的实际水锤升压 ，由下列方程式

18、，由下列方程式决定：决定： v式中：式中：实际水锤升压，实际水锤升压，Pa；Ts水流被切断，实际所花的时间，称作闭阀水流被切断，实际所花的时间，称作闭阀历时，历时，s。 (/)mshhM T h5-3 5-3 阀门的水击阀门的水击五、阀门突然关闭时如何减小水锤升压五、阀门突然关闭时如何减小水锤升压v增加管路阀门关闭增加管路阀门关闭( (或开启或开启) )时间时间T T，使水击过程，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延长。有资料指出，只要确保水流被切断的实际操作时间作时间T Ts s( (即闭阀历时即闭阀历时) )是水锤相是水锤相M M的的5 51010倍，就可倍，就可以使实际水锤升压被限定在安全值以内，从而消除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；破坏性的水锤危害；v在管路上安装各种水锤消除器，这样在水锤发生在管路上安装