管道用阀第二章调节阀的基本特性

第二章调节阀的基本特性

在使用调节间的控制系统中。都免不了要涉及阀门的特性。因此，控制系统的设计人员

和选用操作及维护控制设备的人员都必须懂得阀门的基本原理和特性。正确应用这些基本理

论将能保证最佳的系统性能。

—•、控制回路

在现有的各种控制回路中，存在着巨大的差异、认为控制回路都相同的观点是错误的，

然而它们确有某些相似处.图2-1所示的气体压力控制回路，表示一个典型系统的一般原理。

图27典型的气体压力控制回路

每一个控制回路都有几个被控制的过程。过程的内容必须包括容器的几何条件，流体特

性、流体作用的动态特性和容器与其外界之间的关系。在图2T的情况下，用包含在调节阀

和负荷阀之间的管内的气体压力表示过程。说明该过程的一些重要参数是连接管的长度与口

径，内含气体的种类、温度、比热容和流量，调节阀特性。

回路中的另一些元件用来测量被控变量，将其与整定值进行比较，并为校正任何偏差提

供某种预定的控制作用。最常用的一种元件是能够完成上述三种功能的控制器。当然还要有

几种独立的器件来完成这些功能，例如传感器、发送器和接收-控制器。

控制器的输出信号被输送到为操作调节阀提供机械动力的驱动装置内。有时，控制器要

用辅助装置，例如增压器或定位器与驱动装置连接。增压器是一个不常用的专用阻抗配套装

置，它与阀门的特性有关。定位器应用非常广泛，其动力特性与驱动装置的性能密切相关。

回路中最主要的控制元件是调节阀。驱动装置调节调节阀内的节流元件以供给由控制器确定

的流量。现在市场上的阀门种类很多，每一种都有自己的独特性能。但是在这里所研究的最

有意义的特性是节流元件的运动或位移与由此产生的流量之间的关系，这种关系叫做阀门的

特性。回路里任何元件的特性取决于正确的选择或设计该特性。它只涉及到建立各种元件的

输出和输入之间的特殊关系，而阀门的流量特性是指建立阀门流量与阀门开度之间的关系。

图2-2的程序图中简单地表明了控制回路中规定的4种基本元件。

图2-2一般控制回路程序

二、回路放大系数

控制回路中的任何元件都接收某种输入信号，并提供按图2-2的箭头所表示的某种输出

信号。输出量的变化与输入量变化之比率叫做放大系数。对于一个给定的输入来说，放大系

数越高输出变化就越大。放大系数仅仅是一种表达输入变化灵敏度的方法。一台具有高放大

系数的装置，对输入变化一定具有很高的灵敏度。

图2-2所示的控制回路的作用是在任何时候，不管负荷如何变化都能使被控制量保持在

理想值内。如果被控量发生偏差，那么控制器不仅会把它检测出来，并能在回路里提供一个

校正的反馈作用。即，被测量通过控制器、定位器一驱动装置、阀门再返回到被控量。很明

显，控制回路越灵敏，被控量的校正就越迅速，回路的性能也就越好。这正好从另一种途径

说明，好的回路性能需要有高的回路放大系数。所以，如果回路放大系数变化，那么回路性

能也会跟着发生变化。

回路灵敏度取决于回路里每个元件的灵敏度。任何元件灵敏度发生变化，都会使回路灵

敏度以同样的系数发生变化。回路放大系数由回路中全都元件的放大系数相乘来求得。

稳态精度、动态特性、和其它重要性能参数都直接与回路放大系数有关。因此采用高放

大系数能改善回路的所有性能参数，并使系统保持稳定。

三、过程放大系数

有许多不同型式的工业工艺过程，每种工艺过程均有其特性。研究工艺过程的放大系数

变化与负荷条件有关，可以用一实例加以很好的说明。

设想一个具有平均流量为1000ft7h的气体压力系统（标准状态下）。在该系统中流量增

加500ft3/h,就可以看出明显的变化，系统中的压力当然也会有较大的变化；现在再来看具

有平均流量为10000ft7h的同一系统，如果流量同样变化500f//h,那么引起压力的变化很

小，因此，由于系统流量增大，会使系统压力对相同流量变化的灵敏度减小，也就是说工艺

过程放大系数的减小与负荷流量有关。

不用求助于严格的数学证明，上例直观地结出了工艺过程放大系数随系统负荷变化的现

象，根据工艺过程的种类，其放大系数可以随负荷增加、减小，或保持不变。

如果工艺过程放大系数随负荷一起变化，那么回路放大系数也随负荷变化，结果使系统

性能发生变化。在系统初始调谐的基础上，如果放大系数增加得太大，那么系统就会变成不

稳定状态，如果放大系数变得太小。那么系统灵敏度就可能变得非常小。

当随负荷变化的工艺过程放大系数引起回路放大系数变化时，有必要对这种变化进行校

正，使回路性能与负荷保持不变。图2-2表明，这种校正只能由控制器、定位器-驱动装置或

阀门来完成。因此对控制器的设计，要求具有多方面的适应性。然而，要使控制器同时具备

另一种特性，不但与控制器的原有特性相矛盾，而已在经济上也很不合理。

不带定位器的驱动装置经济上比较合理。而驱动装置带定位器可以简化设计。不管怎样,

其结果总无法全令人满意。定位器的性能通常由定位器的反馈凸轮来实现。在基本上是静态

的条件下，定位器的性能才充分发挥。在较高频率下，由于定位器的动态局限性使它的性能

无法发挥效能。不过，只要按照“安装说明书”的要求正确地使用它，问题就不会很大。

实践证明理想的阀门特征应该是在所有操作条件下，能够提供一种有效的放大系数校正

方法，通过修正阀门主要内部零件的形状，可以实现阀门的这种特性，以使流量与位移建立

适当的关系。

四、阀门的特性

调节阀的流量特性是通过阀门的流量与在0〜100%范围内变化的阀瓣位移之间的关

系。

阀门流量特性主要有四种。即，快速开启流量特性、线性流量特性、等百分率流量特性

和改进抛物线流量特性。

在阀门低开度范围内，快速开启流量特性可以提供很大的流量，并且有令人满意的线性

关系。在阀门开度继续增加时，流量的增加开始急剧下降。当阀门开度接近全开位置时，流

量变化接近于零。

在调节阀中，快开特性主要用于阀门开始开启时就必须迅速形成流量的通-断操作。在

泄放阀里的应用就是最好的例子.由于快开特性在最大流量70%范围内基本上呈线性关系,

所以通常在许多操作中规定用线性特性的地方，可以采用快开特性。

线性流量特性曲线表示流量与阀门开度成正比。这种比例关系具有斜率不变的特征。因

此不但具有恒定的压力降，而且在所有流量下都具有相同的放大系数。

对于液位控制或需要放大系数恒定的流量控制操作，通常规定用线性阀。由上所述，在

推荐线性特性的场所，可以使用快开特性。假如驱动装置里没有非线性区域，那么尽管控制

器必须在较宽的比例范围里调节操作，但仍然可以得到相同的控制器精度。

在等百分率流量特性的情况下，相同的阀门开度增量会引起流量变化的百分率相同。该

流量变化始终与阀门位置改变前的流量正好成正比。在阀瓣靠近阀座位置时，流量很小；在

大流量的情况下，流量变化很大。

图2-3流量特性曲线

具有等百分率流量特性的阀门，一般用于压力控制操作和其它应用场合，在这种场合，

压降的大部分由系统吸收，在控制阀内只相对地用到了很小的百分率。等百分率阀的特性也

可用于压力降变化很大的场所。

改进抛物线流量特性曲线位于线性与等百分率之间。考虑到经济性，这种流量特性平常

用得不多。它能代替线性或等百分率特性，但性能稍有变化。

下面研究这四种流量特性的最后一个问题。我们把阀门的特性定义为通过阀门的流量和

在0-100%变化的阀门开度之间存在的关系。通过阀门的流量又是通过阀门的压力降的函数。

由于在一种预定的操作系统中压力降是不变的，但对不同的操作系统它又是不同的。因此，

只有在不改变压力降的同样条件下才能将一个阀门同另一个阀门进行比较。当压力降保持不

变时，流量与阀门开度之间的关系称为固有流量特性。但是，我们必须记住还有一个实际安

装中所得到的安装流量特性。固有流量特性与安装流量特性的相互比较将在后面件细讨论。

五、快开流量特性

具有快开流量特性的阀门有几种结构，但出现最早的是圆形的平板，在平板升高离开阔

座环后，可以开启一个圆柱形的流体通道。其典型结构加图2-4所示。

阀瓣开度即使很小也能得到相当大的阀座阀瓣之间的环形圆柱通道面积，这就是“快开”

名称的由来，也是图2-3里的流量曲线造成开始部分斜度很大的原因。

我们很容易看出，这种阀门对于每一相同的开度增量会增加相同的通道面积。这就是流

量曲线的初始部分是线性的原因。随着阀门开度的增加，其通道面积将持续增加。然而该圆

柱形流道不是影响通道面积的唯一因素。因为流体必须通过阀门的通道，并且在阀门的通道

区域内停留，这些都与阀门的开度无关。当由阀门开度而产生的阀座处的流道面积大于阀门

通道面积时，阀门通道对流动的限制大于环形圆柱面积对流动的影响»

图2-4典型的快开阀

简单的几何学问题表明，在阀门开度等于1/4的阀门通道直径时，由阀门开度产生的

流道面积等于阀门通道面积。这就是流量曲线上斜率开始迅速减小的那一点。此后，从图2-3

中可以看到，随着阀门的开度进一步增加，尽管流量增加很少，但它还是继续增大。

为了了解这种流动状态，有必要把通道面积和由阀门开度产生的流道面积看作是阀门内

的两处流动阻碍。由于阀门开度小，所产生的流动面积是对流动的主要阻碍，因此随着位移

增加，流量随开度呈线性增加。这种关系一直持续到阀门开度达到阀门通道直径的1/4。

这时，通道面积等于产生的流道面积，同时通道面积变成了总流动阻力中的一项重要因素。

阀门开度增加到超过这一点后，所增加的流道面积与通道面积相比，其阻力影响变得很小。

因此，流量的增加就不太取决于位移了。

六、线性流量特性

阀门内部零件特有的外形，能够使阀门在整个开度范围内保持线性流量特性。这种外形

改变了快开阀门的特性，使之在低流量区域内的单位开度所得到的通道面积较小，这就是图

2-3的线性流量曲线的斜率比快开曲线的斜率小的原因。值得注意的是，不管怎样，在整个

开度范围内，线性流量曲线的斜率都是相同的。相同的开度引起相同的流量增量。表示线性

流量特性的方程是：

Q=kx

式中。一流量，

X—网口开度;

，一取决于Q和工的使用单位的比例常也

七、等百分率流量特性

许多压力控制过程要求阀门的流量随开度呈指数规律增长，这就叫做等百分率流量特性,

因为每一等量开度所产生的流量增量是原有流量的等百分比。因此，随着开度的增加，流量

的实际变化变得越来越大。但它始终保持着原有流量的相同百分率。表示等百分率流量特性

的公式是：

Q=。吠

式中Q---流量；

Q0——最小的可控制流量；

工---阀门开度；

m——特定阀门常数，m=InA/T,

其中R—阀门的流量变化范围，R=QJQ。；

T—阀门最大开度；

Qc---最大流量。

用各种方法将这些参数加以旧纳，可以得到几个改型后的等百分率流量方程式：

Q

Q=Q,R＜，e

Q

图2-3清楚地表明了等百分率流量曲线的指数特性。由公式可看出：流量永远不可能完

全变为零，而在开度为零时，它将减小为Q。。但是，经验证明，等百分率阀同其它阀门一样,

能够关严，这就说明零开度时，流量为零。

仔细研究图2-3所示的等百分率曲线可以看到，在靠近原点的区域内有一段明显的下凹。

这部分曲线不是等百分率方程预期的结果，而是一种更真实地表示实际流动状态的实际修正。

在完全超过最小流量Q”以后，等百分率方程才真正描述流量特性。

等百分率流量曲线的斜率是一个相同的常数与每一点开度所对应的流量之比值。这正好

从另一方面说明，一个给定的阀门的开度变化量始终产生百分率相等的流量变化。

八、改进抛物线流量特性

具有改进抛物线流量特性的阀门有时亦叫做节流阀。图2-3表明，在开度很小时，流量

增加得非常缓慢。但当开度增加较快时，流量增大的速度渐渐加快。因此，改进抛物线流量

特性类似于等百分率流量特性。但是它的流量增加速率比较适中。

把阀门内部零件的外形加以修整，使之产生的通道面积变化与阀门开度成抛物线的函数

关系。假定流量与通道面积成正比，那么流量方程可由下式表示：

Q=kx2

该流量曲线的斜率在每一流量状况下与开度保持-相同的比例常数。

这种阀的阀辩可以做成使之产生的通道面积是开度的抛物线函数。但在实际生产中，流

量不是必须与面积成正比。因此，实际流量特性是由真正的抛物线关系改变而来的。这也是

“改进抛物线”名称的由来。改进抛物线流量特性现在应用得不太广泛。

九、阀门放大系数

阀门流量特性的作用是通过改变阀门的放大系数来校正工艺过程中随着负荷变化而变化

的放大系数。阀门的放大系数代表其输出流量对输入变化的灵敏度。输入变化就是阀门的开

度变化。高放大系数的阀门，在阀门开度变化较小的情况下会产生较大的流量变化。

图2-3所示流动曲线的斜率表示流量对阀门开度变化的灵敏度。斜率越大，对一个给定

开度增量的流量变化也越大。因此陡峭的斜率所具有的放大系数高，角度小的斜率所具有的

放大系数低。

通过观察流量曲线可以明显地看到，对大多数曲线来说，放大系数是开度的函数。这当

然表明了阀门特性的全部含义。只有线性阀门的流量特性，其放大系数在整个流量范围间保

持不变。快速开启阀在低流量区域内的放大系数较大，但到曲线的高流量区域时，成为非线

性关系，其放大系数急剧减小。

在低流量区域内，等百分率曲线和改进抛物线曲线都呈现低的阀门放大系数。但当负荷

增加时，放大系数明显增大。这两种曲线初始时的差异是阀门放大系数增加的速率不同。等

百分率曲线，在低流量时的放大系数较小，但到高流量时放大系数迅速变大。

十、固有特性与安装特性的比较

通过改变阀门内部零件的外形，可得到上述流量关系，使流量与阀门开度保持-•种预定

的关系。也就是说，这种特殊的流量关系是由阀门设计所特定的固有关系。但是，通过阀门

的流量不仅与通道面积有关。尽管阀门通道面积是不变值，但使流体经过阀门的压力降变化

也会引起流量的波动。

一般来说，通过阀门的流量是压力降和开度的函数。因此，在实验室里试验阀门时，只

有使压力降保持稳定，才能使流量与阀门开度保持精确的函数关系。依靠压力降保持稳定所

得到的流量曲线叫做固有流量特性。图2-3所示的流动曲线完全是用稳定的压力降得到的固

有流量特性。

图2-5随着4P变化的阀门放大系数变化，点（a）是低

△P的流动条件，点（b）是高4P的流动条件

图2-64P增加时,线性阀门的安装流量特性

在实际操作中，阀门当然是安装在容许压力降有变化的系统中。因此，流量与开度的关

系不同于固有流动特性。在这种条件下得到的流量与开度的关系叫做安装流量特性。

安装流量特性取决于阀门的固有流量特性和安装阀门的系统的流量特性。可以举例帮助

我们搞清这个问题。实际上可以任何阀门特性为例，但为了方便起见这里仅以线性阀门为例。

图2-3的流量曲线是用等分率表示流量和开度而绘成的。在用这种方法使流量曲线规范

化时，具有相同流量特性的每个阀门都会有相同的结果。也就是说，所有线性阀将会出现完

全相同的斜率。如果用实际流量单位(Gal/1)与实际开度单位(in)来绘制这些相同的线性

阀，那么每个不同的阀将会有不同的斜率，因为每单位开度的流量变化对于每个阀门来说都

是不同的。

图2-74P减小时，线性阀门的安装流量特性

通过阀门的压力降也会影响由开度变化而发生的流量变化。在流体通过阀门时，保持稳

定的大压力降条件下比保持稳定的小压力降条件下所产生的单位开度的流量变化大。图2-5

中的一组线性流量曲线表明了上述关系。图中说明最陡的斜率与最高的压力降有关。

假定把一个线性阀门安装在一个通过阀门的压力降随负荷流量增大而增高的系统里，那

么在低负荷流量和相应的小开度下，压力降也是低的。这种流量条件用图2-5里的较低流量

曲线上的点(a)表示。

随着负荷流量增大，开度增加，通过阀门的4P也增高，图2-5中，因为一条曲线都表

示一个稳定的压力降，所以很明显，必须把这种新的流量条件绘在较高压力降曲线上的点

(b

由于流量连续增大，4P也连续增高，因此流量的数据点将连续地向越来越陡的方向漂

移。在图2-6中，将这些数据点全部连接起来，所得到的新曲线就是这种线性阀门的安装流

量特性曲线。

尽管这种阀门的固有流量特性是一条直线，但是，把它安装在通过它的压力降随负荷流

量增大而增高的特定系统里时，其安装流量特性很接近于等百分率特性。如果用不同的方法,

使压力降随流量一起变化，那么所得到的安装流量特性也将不同。图2-7表示把同一种阀安

装在通过它的压力降随负荷流量增大而降低的系统里时，所呈现出的快速开启式特性曲线。

在这里，必须着重指出的是，对任何给定的阀门，可能会有许多不同的安装流量特性。

为了真正弄清各种阀在系统里所呈现的这种流量特性，必须了解整个系统的流量与压力降特

性。如果系统条件已知，Lloyd和Anderson为给定的固有流量特性的阀门推荐了一种确定安

装流量特性的简单图解法。更重要的是，我们可以用这种方法，来选择需要产生理想的安装

特性所要求的固有特性。所需要的安装特性应由系统的动态分析来确定，以便使阀门的放大

系数准确地校正工艺过程中的放大系数变化。

许多工艺过程的放大系数是随着负荷的变化而变化的。这种放大系数的变化能够使回路

性能产生不同的变化，甚至于使系统发生不稳定状态。为了保持系统性能的稳定，必须对工

艺过程的放大系数变量进行校正。控制阀是完成这种校正任务的最有效的设备。

综上所述，阀门特性研究的复杂程度是可以想象的，但是本章所讨论的基本原理能够大

大地有助于选择正确的阀门特性。

第三章调节阀的调节和控制

输油管道控制仪表是输油生产过程自动化的重要工具之一。在输油过程的自动化系统中，

由检测仪表将过程变量变为电的信息信号（或气压信息信号），不单由显示仪表指示或记录,

让操作人员了解输油过程的情况，而且还需要将信号传送给过程控制仪表，以便自动地控制

输油生产正常进行，使过程变量符合预期的要求。

过程控制仪表按所用能源的不同，可分为电动、气动、液动和混合式等儿类。其中气动

和液动调节仪表已有几十年的发展历史；电动调节仪表的发展则是近四十年的事。气动调节

仪表具有结构简单，易于掌握；性能稳定，可靠性高，维护方便；本质安全防爆等特点，使

用历史悠久。但是，气动仪表的信号传送距离短，响应速度慢，灵活性差，精确度低（只能

达到0.5%）,需要有•整套压缩空气源与净化装置以及难于与计算机控制系统连接使用等缺

点，在许多场合已不能满足要求。电动调节仪表具有信号传送距离不受限制，可无滞后地远

距离集中显示和操作。安装使用方便，精确度高等特点。因此，目前，输油输气过程控制中

绝大多数采用电动调节仪表及电动执行器。

一、调节器的调节规律

调节器的调节规律就是调节器的输出信号随输入信号（偏差）变化的规律。这个规律常

称为调节器的特性。调节器的种类很多，基本的调节规律有位式、比例（P）、比例积分（PI）、

比例微分（PD）、比例积分微分（PID）等。

1、位式调节规律

位式调节包括两位和三位调节。其动作特征是，当被测量超过给定范围时，调节器输出

两种或三种固定的信号，使调节机构处于两种或三种位置上。

位式调节的优点是结构简单、使用方便，对配用的调节机构无任何特别要求。其主要缺

点是被调量总是在波动。一般应用于被调对象惯性较大、纯滞后较小、控制要求不高、允许

有持续小幅度波动的场合。

2、线性调节规律

线性调节规律一般指比例、积分、微分调节规律（简称PID调节规律），是目前应用最广

的基本调节规律。

比例（P）、比例积分（PI）、比例积分微分（PID）的调节规律的微分方移式如下：

比例规律：m-K.e

比例积分规律，m=K.a.

比例积分微分规律，m=^.（e+/edf+亢器）

式中m——调节器的输出信号,

e——设定值与被调量的偏差，蠲节爨输入信号,

K.——调节器的比例增益（放大系数）/,'

T,——调节器的再调（积分）时间,

7,——调节㈱的预调（微分）时间。

调节器的比例作用通常用比例带（或称比例度）6表示，比例带与比例增益的关系为：

g京

（1）比例调节规律：比例调节规律是最基本的调节规律，应用范围较广。其特点是调节

器的输出与输入（偏差）成比例，反应迅速；调节结果有静差（静态偏差）。

（2）积分调节规律：积分调节规律的特点是调节器的输出与输入（偏差）的积分成比例;

调节结果无静差.在这种调节规律中，常用再调时间来表示积分作用的强弱。无自衡对象不

能采用。

(3)比例积分调节规律：比例积分调节规律用于一般的调节系统。其特点是调节结果无

静差，对输入(偏差)的反应速度比积分调节规律快，但易引起积分饱和。

(4)比例微分调节规律：微分调节规律的特点是依据被调量变化的趋势来发出信号，起

到超前调节的作用。微分规律不能单独使用。比例微分调节规律的特点是对输入(偏差)变

化反应速度较比例规律快，适用于惯性大的对象，系统的稳定性增强，能减少静差，但不能

消除。

(5)比例积分微分规律：在一般过程控制中，常常采用比例、积分、微分三作用的调

节器，简称PID调节器，如DDZ-HI仪表中的DTZ、DTT调节器。由PID调节器组成的调节系

统中，当被控对象受到扰动以后，微分作用立即动作，同时比例作用也起作用，调节器输出

较大的信号，使执行器以较大的幅度动作，迅速减少偏差，接着积分作用慢慢地克服静差。

只要PID参数的3、Ti、Td选择得合适，便可充分发挥三种调节作用的优点，使调节周期短、

超调量小、无静差，从而得到一种理想的调节效果。

3.输油过程调节规律的选取

选取调节规律，主要应考虑如下的因素：被控对象的动态特性及负荷变化状况，主要干

扰对控制品质的要求，投运方便及维护工作量小等。根据输油过程被控对象的动态特性与被

控变量性质的关系，可根据经验选取如下：

(1)流量调节：通常选用比例积分调节规律。

(2)温度调节：加热炉容量滞后较大，过程反应比较慢；常选取比例积分微分调节规律，

甚至串级调节系统等，例如根据炉出口原油温度对炉瞠温度的串级调节。

(3)液位调节：储油罐、污油罐的液位调节，通常选取位式、比例或比例积分调节规律。

(4)压力调节：通常选用比例积分或比例积分微分调节规律。

二、执行器(调节阀)

执行器是输油过程控制系统中一个重要的、必不可少的组成部分。它一般由执行机构和

调节机构组成一体。在输油管道上，调节机构主要是各种类型的调节阀、挡板或风门等。其

作用是接受来自调节器的控制信号(或其它调节、控制信号)，转换成角位移或直线位移输出，

并通过调节机构(如调节阀)改变管道中介质的流量，使输油过程满足预定要求。

执行器按照采用驱动能源形式的不同，可分为电动调书阀、气动调节阀、电动液压调节

阀与电磁阀等。按照调节机构结构型式的不同又分为调节球阀，单座或双座调节阀、蝶阀等。

气动执行机构除具有气动仪表的特点外，还有动作可靠稳定、输出力矩大、安装维修方便、

价格便宜和防火防爆等优点。其缺点是滞后大，不适于远传(传送距离限制在150m以内)。

为了克服此缺点，可采用电/气转换器或电/气阀门定位器，把控制室来的4〜20mADC

或0〜10mADC信号转换为0.02-0.IMPa(0.2〜Ikgf/cm2)的气动标准统一信号，使传输信

号为电信号，现场操作为气动信号。电动执行机构能源取用方便，安装简单，信号传送速度

快，适于近距离的信号传送，便于和工业控制计算机配合使用。但其推力小，响应速度慢，

价格比气动的贵，在易爆易燃场所中检修困难。电动液压式执行机构具有非常快的响应速度，

电信号传送距离不受限制，能产生很大的驱动功率和能保证精确地定位等优点。其缺点是价

格昂贵，液压系统要求非常清洁和过滤良好的管路系统以及维修较困难等。

在输油管道上，常采用电动液压式调节球阀来调节原油流量、压力；在有气源的现场，

也采用气动调节阀。加热炉上大多采用电动调节阀、电动调节蝶阀、挡板等；采用电磁阀来

开通或关断燃油流量。

1.调节机构

节流式调节阀是一种主要的调节机构。从流体力学的观点看,它是一种局都阻力可以变

化的节流元件。它安装在工艺管道上直接与被测介质接触，往往使用条件比较恶劣，例如在

输送原油管道上，要经受高粘度、高压力原油的作用。它接受执行机构的操纵，改变阀芯与

阀座间的流通面积，调节原油的流量。

调节阀有正作用和反作用两种。

调节阀的品种很多，根据阀芯的动作方式，分为直行程式和角行程式两大类。直行程式

的阀有直通单座阀、直通双座阀、三通阀、小流量阀、笼式（套筒阀）等；角行程式的阀有

蝶阀、凸轮挠曲阀、球阀（0型、V型）等。按调节型式又分为调节型、切断型、调节切断型。

在输油管道上，常采用的调节阀有直通单座阀、直通双座阀、三通阀及蝶阀、凸轮挠曲

阀、球阀等。

单座阀适用于阀两端压差较小，对泄漏量要求严格的场合（其泄漏量为0.01%,是双座

阀的1/10）。对于压差较高，就应适当地选用推力大的执行机构或配用阀门定位器。缺点是

介质对阀芯的不平衡力大。双座阀的流通能力比同口径的单座阀大，介质对阀芯的不平衡力

小，适用于阀两端压差较大，泄漏量要求不高的场合。不适用于高粘度和含纤维的场合。

蝶阀结构紧凑，体积小，流通能力大（约为同口径直通单，双座阀的2倍以上），价格低,

特别适用于低压差、大口径、大流量的流体流量的调节。蝶阀的流量特性为近似等百分比。

凸轮挠曲阀又称偏心旋转阀，是一种新型结构的调节阀，其流量特性为线性或等百分比

特性，主要特点是体积小，重量轻，使用可靠，流通能力大.流体阻力小及密封性能好等。

球阀作为调节机构得到了广泛的应用。在常用的调节阀中，球阀的流通能力是最高的。

球阀结构简单，维护方便，开关迅速，可以在压降很大的情况下工作，其转角为0—90度。

球阀按阀芯型式可分为0型和V型球阀。0型球阀是在球体上开有一个直径等于管道内径的

通孔。其流量特性为快开特性，一般作两位（开、关）调节用，可单方向旋转，亦可双方向

旋转。为了得到调节特性，通常采用在球体上开有“V”形缺口或抛物线口，使球体通径直径

小于管道直径，通道形成“双节流孔”作用，以获得近似（改良）等百分比特性。前者称为

赚予流量特性的球阀：后者称为全球阀。

（1）流量特性：从自动控制的角度看，一个调节阀最重要的特性之一是它的流量特性。

调节阀的固有流量特性是由阀内件的结构决定的。大多数输油控制过程都是使用线性、等百

分比或者近似等百分地流量特性的调节阀。

图3-1示出快开、线性、等百分比、平方根、双曲线等基本的流量特性曲线。近似等百

分比流量特性一般介于线性和等百分比特性之间.图3-2示出几种调节阀的特性曲线。

图3T阀门的固有流量特性曲线

100%

iiiiii

9相对行程

图3-2各种类型阀门的流量特世曲线

快开特性能在阀芯刚离开阀座时提供一个大的通道，但随着阀芯的进一步开启，流量却

增加得很少。快开阀在一般的调节控制中不能使用，而只限于开、关场合使用。上面提及的

0型球阀就是这样的快开阀。

线性特性是指流量变化与阀门开度成线性关系。从表面上着，这似乎是最理想的调节特

性。然而，从阀门到连接有配管、设备和控制回路的系统来考虑，通常最为广泛使用的是等

百分比特性。

等百分比特性又称对数特性，是指当阀杆行程变化同样的值时，流量按等百分比变化。

因此，等百分比特性的阀就具有这样的特性：即当阀的开度小时，流量非常小；而对于较大

的开度，流量增加的非常快，所以流量的可调范围大。

很显然，所有阀门都有流量特性，图3-2示出了蝶阀、球阀、闸阀的流量特性。它们都

具有介于线性和等百分比之间的特性。

（2）调节阀口径的过择：流通能力Cv是选择调节阀口径的主要依据。其计算及调节阀

口径选择详见有关文献，这里不再赘述。

2.电动执行器

电动执行器通常由电动执行机构和调节机构两部分组成，分为电动调节阀、电磁阀、电

动调速泵、电功率调整器等。

（1）电动调节阀：电动调节阀由电动执行机构和调节阀组成，通常连结成一个整体.以

便于选择与使用。

电动执行机构按功能分为角行程、直行程和多转式执行机构；按动作特性可分为比例式

和积分式执行机构，按结构型式可分为普通型和特殊结构型（如防爆、防潮、热带用等）输

油管道大多采用比例式和防爆型。

比例式电动执行机构的输出位移与输入信号成比例关系。积分式电动执行机构接受断续

输入信号，其输出位移与输入信号成积分关系。

具有角位移输出的比例式执行机构称为DKJ型角行程电动执行机构。它接受调节器来的

4-20mADC或。〜10mADC电流信号，并变成0-90度角位移输出，可带动风门、挡板、

蝶阀等调节机构。在输油管道上，常用这种执行机构来带动加热炉烟道挡板、风门挡板（蝶

阀），分别控制炉膛负压和烟气中的含氧量、送风量等，提高加热炉的热效率。

具有直行程位移输出的比例式执行机构称为DKZ型直行程电动执行机构。它同样接受调

节器来的4〜20mADC或0-10mADC电流信号，并变成相应的位移输出，可直接操纵调

节机构。在输油管道上，常用这种执行机构配调节阀去控制加热炉的燃油压力、流量，保证

加热炉燃烧稳定、高效。

DKJ型与DKZ型电动执行机构若与D型电动操作器配合，可实现控制系统的自动调节与

手动操作的相互切换。当操作器的切换开关处于手动操作位置时，可利用正、反操作按钮直

接控制电机的电源，以实现执行机构输出轴的正转或反转，进行遥控手动操作。当操作器的

切换开关处于自动位置时，执行机构则依据调节器的调节信号而改变输出轴的位移，即进行

自动调节。在执行机构断电成操作器的切换开关置于手动位置时，可在现场摇动手柄或手轮

对执行机构进行手动操作。

3.气动执行器

气动执行器由气动执行机构和调节机构（调节阀）两部分组成，习惯上称为气动调节阀。

它是以压缩空气作为动力源。气动执行机构按气动信号0.02-0.IMPa（0.2-lkgf/cm2）的大

小产生相应的输出力，通过执行机构的推杆，带动调节阀阀芯，产生相应的位移或转角，改

变阀芯与阀座门的流通面积，从而达到控制流量的目的。气动执行器可根据需要配上阀门定

位器和手轮机构等附件，增加操作功能。

气动执行机构主要有弹簧薄膜式和活塞式（或气缸式）两种。前者是最为常见的执行机

构，它结构简单，便宜，比较可靠，维修容易，但其响应速度在某些应用场合还不能满足要

求。活塞式其气缸允许操作压力大，可达0.6MPa（6kgf/cm2）,而且没有弹簧抵消推力，故

具有较大的输出力。它适用于高静压，高压差以及需要较大推力的工艺场合。

输油管道上，在有气源的现场，可采用气动调节阀。调节球阀是常采用的一种气动比例

式调节阀。

带气动阀门定位器的活塞执行机构的工作原理如图3-3所示。从调节器来的气压信号输

入定位器的传感器波纹管内。如果信号压力增加，波纹管膨胀，挡板绕固定支点0顺时针方

向转动，挡板H离开继动器B的喷嘴；指板I靠近继动器A的喷嘴。这样，继动器B的喷嘴

背压减少；继动器A的喷嘴背压增加。通过继动器的作用，输入气缸活塞上方的气压增加；

而活塞下方的气压下降。由此在活塞上产生了•个向下的作用力，活塞向下移动，通过活塞

杆，曲柄，推动旋转轴动作，球芯也随之转动，从而改变了阀芯的位置，达到调节流量的目

的。与此同时，反馈弹簧也随着活塞下降而拉伸，使得挡板H靠近继动器B的喷嘴。由此,

气缸活塞下方的气压上升，活塞上方的压力减少。从而使活塞重新平衡在所需要的位置上，

使球芯能精确定位。同样地，如果调节器的输出信号压力减少，活塞向上运动。

上述为正作用的比例式执行机构，即活塞的位移与信号大小成正比。需要反作用时，只

要把定位器中的波纹管装在挡板II的上方即可。

如果不带阀门定位器，那就成为两位式。活塞由高压侧推到低压侧，阀只有开或关两种

状态。

V型调节球阀的流量特性为近似等百分比特性。具有流通能力大（相当于现有的双座阀

流通能力的2-2.5倍），可调范围大（可达到300:1）,密封效果好，控制特性好等特点，适

合于控制各种液体、气体和蒸气的调节场合。并且由于球芯和阀座之间具有剪切作用，尤其

适用于含有纤维性和微小固体颗粒的悬浊液介质的调节场合。

国产的气动V型调节球阀有比例式，两位式两种控制方式。其规格及技术数据详见有关

图表。

对电动调节仪表来说，在构成自动控制系统时，若选用气动调节球阀，必须配用电一气

转换器或电一气阀门定位器。

图3-3带气动阀门定位器的活塞执行机构的工作原理图

1一调整弹簧；2反馈弹簧；3—继动器B；4一波纹管;

5一挡板II；6一挡板I；7一继动器A；

4.电动液压式调节球阀

电动液压式调节球阀由电动液压式执行机构和调节球阀组成。电动液压式执行机构具有

推力大，快速响应速度，动作可靠及能精确地定位等特点。它接收4-20mADC电流信号来操

纵比例式或两位式调节球阀，达到调节介质流量的目的。

在输油管道上，常用它作为输油泵站的出站压力调节阀，用来控制泵站的进泵压力不低

于允许的最低吸入压力，出站压力不高于管线的最高允许操作压力。以及当管道发生水击时,

通过提前改变调节阀的压力设定值，确保压力不会超过最高允许操作压力。此外，也可以作

为开、关型阀门。

电动液压式执行机构和单纯的电动执行机构通过电动机及减速器来使调节阀定位不一

样。它是利用一自成体系的液压传输系统作媒介来使调节阀定位。典型的工作原理见图3-4。

这种执行机构仅需要电动机电源以及来自调节器的电控制信号就可工作。如图示，电流

信号馈送至一个移动线圈6中。当输入信号增大时，线圈周围产生磁场，向力马达7方向移

动，并转动挡板，使之贴近喷嘴A而离开喷嘴B。同时，在波纹管内的不平衡压力转动挡板,

贴近喷嘴D而离开喷嘴C。这样，由于喷嘴D被挡板盖住，输入油缸活塞上方的压力增加，

推动活塞向下移动，从而带动活塞杆同样下移。活塞下方的液压油通过喷嘴C排入到油箱里。

在活塞下移时，反馈凸轮的斜面使反馈杠杆顺时针轮动，减少反馈弹簧8的拉力。直到反馈

弹簧的拉力与力马达产生的力相平衡时，活塞的移动才停止下来。平衡时，挡板处于稳定状

态。阀杆的位置由输入信号大小决定。

同样地，当输入信号减少时，线圈离开力马达，活塞向上移动，带动阀杆同样向上移动。

图3-4电动液压式执行机构工作原理图

1-吸入过滤器；2-泵（包括溢流阀）；3-电动机；4-调整弹簧.5-插入信号、

6-线圈；7-力马达；8-反馈弹簧；9-柱型关闭阀；10-排气口：11-反馈杠杆;

12-旁通阀；13-泄漏连接口

电动液压式执行机构的核心是电液伺服阀，电波伺服阀是以小的电信号控制并放大成功

率较大的液压能量输出。

喷嘴挡板式电波伺服阀输出液压较低，执行机构输出力或力矩较小。对于要求输出较大

力或力矩的执行机构，采用别的型式的电液伺服阀，如射流管式等。

这里必须注意的是，输油管道上用于压力、流量调节控制的执行机构应具有这样的功能,

即一旦能量供应中断或信号系统故障时，阀门的位置不动（锁定在最后位置），或者移向全开

的位置，以保证管道的安全和正常运行。

5.流量调节和压力调节

当需要保证出口压力时，压力调节阀将通过改变流量的方法改变压力；当需要保证出口

流量时，流量调节阀将通过阀的流量，这时进口端有适当的压力改变。

为了在适当的范围内调节流量，必须注意见个因素。首先，在设计调节阀或确定调节阀

尺寸时，要选择流量系数比所要求的有充分裕量的阀门，以便在流量万•发生波动或比预期

的流量大时，仍可保持调节。一般推荐流量系数取计算值的1.25〜2倍。这被从为是具有

线性或等百分比调节特性阀门的最佳范围。如果确定的阀门在预计的最大流量时开度很大，

继续增大开度就不会相应地增加流量，工艺流程将失去控制。

第二个需要考虑的因素是调节阀必须的或规定的压降值。通常应该把系统压降的尽可能

大的部分给予阀门。以下所述是一般原则：

①通常把系统压降的1/3到1/2分配给调节阀。

②把吸水管绝对压力的5%以上、或系统动压损失的50%以上分配给离心式压缩机吸

气管中的调节阀。

③液体依靠静压由一个容器流到另一个容器时，把较低容器压力的10%、或系统动压损

失的50%分配给调节阀。

④把设计压大的10%分配给通向容器的蒸汽管道中的调节阀。

第三个因素是选定能进行所需要的精密调节的阀瓣特性。一般指的是等百分比特性或线

性特性。快开特性的阀门，用于调节流程时会产生非常大的增量，应当专用于关闭。

第四个因素考虑流量范围，阀门必须在整个流量范围内保持有效的调节:这将在后面讨

论调节范围时加以说明。在有些情况下，需要在非常宽的范围内进行调节，可能要两个阀门

并联使用，一个用于大流量调节。一个用于小流量调节。

流量调节范围

在流量调节过程中，常常需要在一个大的流量值范围内保持精密调节。使阀门在整个流

量范围保持必要调节的能力，用一个参数来描述，叫做调节范围。阀门的调节范围，即所谓

固有调节范围，可以定又为最大流量与最小流量之比，在此范围内，与确定的固有流量特性

的偏差不超过某个规定的范围。换句话说，它是最大调节流量与最小调节流量的比值：Cmax

/Cmin„理论上，有些阀类，如v形通道球阀、快开截止阀等，其调节范围可能非常大，实

际上趋近于无穷大。这就是这些阀类可以用渗漏流量确定最小可调流量的原因。但是，非常

大的调节范围值，一般是无意义的。首先，因为任何实际的阀门操作机构都不可能随着调节

信号把阀瓣调到准确的位置上；其次，因为没有需要调节范围如此大的实际流程。这样大的

调节范围值叫做不可用调节范围。

阀门的固有调节范围完全依赖于阀门调节元件的特性和阀门类别：例如单座截止阀、双

座截止阀、蝶阀、或球阀。最小可调流量系数Cv被认为是：在此系数下，阀门的增益显著地

大于由阀瓣特性决定的值。因此，调节范围取决于阀门的增益（增益定义为流量的变化除以

阀瓣升程的变比）。调节范围也取决于阀门调节元件的特性。总之，调节范围取决于阀门类别、

阀门增益和阀门调节元件的特性。注意，这三个参数不是各自无关的.

还应注意的一个经验法则是：为具有良好的调节作用，阀门的调节范围应该大——至少

50：1o

各种阀类的一些常用调节范围如下（需要更大的特性值时，查阅制造厂的文件）：

截止型调节阀（快开调节件）:100

截止型调节阀（线性调节件）:30

截止型调节阀（抛物线调节件）：50

截止型调节阀（等百分比）30-60

蝶阀（开度60"）：33

蝶阀（低扭矩，开度90°）：100

球阀（等百分比）:50

特制的球阀：300

隔膜阀：5

仿形曲线调节件：50

可调闸板：100

应选定合适的阀门，以便产生需要的调节范围，推荐采用下列程序。苜先算出上述用途

需要的调节范围。第二步，查阅制造厂的文件选取需要的阀门，查看阀瓣升程90%的Cv

与阀瓣升程10%的Cv之比，是否等于或大于需要的调节范围，选定90%和10%的阀瓣

升程值以保证得到精确的调节。但这并不是绝对的。如果算出所选阀门的调节范围比要求的

小，可重新考虑，另选一只阀门，控制造厂给定的调节范围检验；需要的话，也可用两台阀

门并联。

在多数生产过程中，阀门的固有调节范围大于预期流量范围的实际需要。因此，需要用

另一个术语来描述实际的流量范围，叫做设备的调节度。调节度可以定义为额定最大流量与

最小可调流量之比。阀门的固有调节范围是一固定的参数，而调节度取决于系统参数，因而

是可变的。例如研究通过调节阀时的压降减小的情况，似乎这意味着有一较大的阀门升程，

从而意味着最小可调流量有一个较大的值。因而减小了调节度，但阀门的调节范围不变。

第四章管道中的流动理论

输送流体从一处到另一处最常用的方法是迫使流体通过管系。最常用的管子是圆形管，

因为圆形管不仅具有较大的结构强度，并且相应于每一单位管壁面积，提供比其它形状更大

的断面积。本章中如不特殊说明，则皆指圆形截面内径均匀的密闭导管。

在流体力学中仅有少数特殊问题，例如管道111的层流可用理论数学方法使其全部得到解

决，而所有其它问题则要依据实验测出一些系数的方法来解决。为了解决管道中的流体流动

问题，人们已提出了很多的经验公式，但是由于它们通常具有的极端局限性，因此只能适用

于与推导该公式的试验条件十分相似的一些问题的求解。

由于在近代工业过程中要有各种各样的流体被强行输送，能够采用单•公式来处理管道

中的任何流体运动，则是十分有利的，这一公式就是达西（Darcy）公式。该公式可以根据量

纲分析法从理论推导得出；然后公式中的一个变量——摩擦系数，则必须由实验测得。这个

公式广泛用于流体运动的领域中。

一、流体的物理性质

任何流动问题的求解均要求掌握所处理流体的物理性质。影响流体流动性质的准确数值,

诸如粘度和重量密度等。对于全部常用的流体来说已有很多人做了大量工作，这些数据可由

有关的各种图表中求得。

1.粘度：粘度表示在外力作用下流体的流动性能，它是外力作用在流动流体上的一种读

数表示。流体的绝对粘度系数（简称绝对粘度），是对流体内部变形力或剪切力阻力的一种测

量。糖浆是高粘度流体，相对而言水的粘度是很低的，气体的粘度同水比则是一种小得很多

的流体。

大多数流体的粘度是可预测的，仅有一少部份的粘度值是来自于以前的流体方面的工作。

油墨，木浆和番茄酱是典型的触变性粘度的流体。

目前粘度的表示单位是比较混乱的。因此，在公式代入粘度值时必用统一•的单位。在

C.G.S（厘米，克，秒）或公制单位制中绝对粘度单位是泊，一泊等于100厘泊。泊的量纲

是达因•秒/厘米平方，由于大多数手册和表格平均以厘泊作为粘度单位。本文粘度数据也用

厘泊表示。

水在68°F时的粘度是：

■O.oi泊

\=1厘泊。.01克/厘米♦秒

,0.01达因•秒/厘米'

=000672磅（质）/英尺•秒.

000672磅达•秒/英尺,

,=[0,000,0209斯格勒/英尺•秒

“'=10.000,0209磅（力）♦秒/英尺,

运动粘度是绝对粘度对质量密度之比值。在公制系统中，运动粘度单位是淹，它的量纲

是厘米/秒平方，相当于100厘渔。

v（厘.）=/（克/厘米.

按定义,上式中的比重S是以4"C（39.2T）水为基准。

流体（特别是气体和蒸气）绝对粘度的测量要求有比较精密的设备和相当熟练的实验技

巧。另方面，测量油和其它一些粘性液体的运动粘度可以用比较简单的仪器。在美国作为标

准的粘度计算是赛波特（Saybolt）通用粘度计、用这个仪器测运动粘度时，只要测定出少量

液体通过一个孔口所需的时间。因此，液体的赛波特粘度用杪来表示。对于很粘的液体选用

赛波特福路仪。

与赛波特粘度计相类似的其他粘度计是恩氏（Engler）,欧洲赤松海军（Redwood

Admiralty）和欧洲赤松（Redwood）粘度计，它们在美国没有广泛被使用。由赛波特粘度和

运动粘度之间的关系可以得到运动粘度，赛波特通用粘度，赛波特福路粘度和绝对粘度的等

量换算。

通过查液体石油产品的AST标准粘度温度图。当已知某种油品在两种不同温度下的粘度

时，就可用该图求得该油品在任一温度下的赛波特通用粘度值。一些最常见流体的粘度可查

到。通过查粘度图可以发现：液体的粘度随温度升高而降低，而气体则增加，压力对液体和

理想气体粘度的影响很小，在很多实际流动问题上可以不加考虑。与之相反，饱和或稍微过

热蒸气的粘度随压力的变化而有显著变化。通常，对除了蒸汽之外的气体，由于缺乏可取的

适宜的数据，而采取了对压力影响忽略不计的作法。

2.重量密度，比容和比重：

物质的重量密度或比重是它的单位体积的重量，公制系统中用克/厘米,表示。重量密

度的倒数是比容V,在英制单位中以一磅物质所占体积的英尺3数表示。

在公制单位中，每克物质所占体积的立方厘米数，可以由重量密度的倒数表示。

不同温度下水的重量密度和其它性质的变化可查有关图表。在流动问题中压力不是很高，

它对液体重量密度的影响没有实际意义。

汽（气）体的重量密度受压力影响变化很大。称之谓“理想”气体的重量密度可由下式

计算得出：

N4P*

个别气体常数R等于通用气体常数.MR=1545

R值及其它常用气体常数及不同温度与压力条件下空气的重量密度可在有关的图表中查

到。在蒸汽流动的计算中，密度的倒数比容是最常用的，蒸汽的这些值可在有关的图表中查

到。

比重是重量密度的相对量度。由于压力对液体的重量密度影响不大，在选定比重的基准

时.，温度是唯一要考虑的条件。液体的比重是在给定温度下液体的重量密度同标准温度60"

F时水的重量密度之比：

£。（给定温度下的液体密度）

“―一p（6（TF时水的密度）

比重计可以用于直接测量液体的比重。在美国有三种刻度的比重计，用于油的为API

刻度比重计，和两种波美刻度比重计，一个用于比水重的液体，另一个用于比水轻的液体。

比重计刻度与比重间的关系，对油来说：

用于油类S（60°P/6。"）=而i.5+；PI度

用于轻于水的液体5（60叩/60。力=130+1美度

用于重于水的液体

-145

$（60*/6。°2=由凝皮

气体的比重是气体的分子量同空气的分子量之比，也可以是气体的气体常数同空气气体

常数之比：

,R（空气）M（气体）

2.层流和湍流

由简单的实验很容易看到在管道中存在着完全不同的两种流态。这个实验是把细小的有

色液流注入在玻璃管中流动的液体中，然后观察注入点向下方向，不同截面中这些色液的流

动变化过程。

开始时层流在水流中但未被水流扰乱色流线。

其次是介于层流和湍流区的边界流动，在临界流速下色流线消失了。这是湍流的象征。

最后，湍流色线在注入处的很短距离内就完全被分散了。这是一种全湍流的现象。

如果排放量或平均流速较小时，色液呈直线状流动；当流速逐渐增加时，这些色液条纹

将继续呈直线状滚动，直至达到一定流速，这些条纹开始抖动或者突然断裂而成混流状态。

发生这一现象时的速度称谓“临界速度”。在高于临界速度的情况下，色液无规则地完全扩散

到管道主流中。

低于临界速度的流动形态称谓层流，有时称之谓粘性流或线性流动。这种类型的流动特

点是同心圆柱形液层有序地相互滑动过去，流体速度在管中心处为最大，而在管壁处则急剧

地降到零。

流速大于临界速度的流动称之谓湍流。在湍流中存在着流体质点，在主流动方向的横截

面方向内无规则随机运动。在湍流中，横跨管直径的流速分布要较层流均匀得多，尽管湍流

运动出现于贯穿管径的较大部分处，但在管壁处总有一薄层称之谓边界层或次层流的流态存

在。

平均流速速度指在给定断面处的平均流速，它可由用于稳态流动的连续方程计算求得：

rrqwwV

U=Aa~^=~A-

雷诺数：OsborneReynolds的试验工作指出了在管道中流动类型一层流或湍流的确定，

与管径、流体的密度和粘度以及流速有关。由这四个变量所组合成的无固次数称为雷诺数。

它是质量流动动力同粘度产生的剪应力之比。雷诺数是：

如

在工程中，如管里流动的雷诺数小于2000,就被认为是层流；如果雷诺数大于4000,则

为湍流。在以上两值之间存在着“临界区”，在此区内流态究竟属层流还是湍流或者处于两者

转移过程，要取决于很多可能的变化条件，因此是不可能预测的。准确的实验结果表明；层

流的雷诺数可以低到1200,高值可以延伸至4000,但这些情况在一般实际问题中是不可能出

现的。

水力半径：有时会遇到非圆形截面的导管。在这种情况下计算雷诺数时。采用当量直径

（4倍水力半径）代替圆管直径。

R流动区的剖面

润湿的周边

上式适用于一般管道（未充满的圆管，椭圆管，正方形或矩形管）但不能用于特别狭窄形状,

如环形管或扁长的管子等那些宽度远小于长度的情况、在这些情况下时，水力半径大约等于

通过宽度的一半。

计算流通量的公式为：

q=Q.O438d贮

VfL

d，值按实际流通面积的当量直径，4R”代替D。

3.一般能量方程一伯努利定理

伯努利（Bernoulli）定理是能量守恒定律用于管道中流体运动的一种表达方式.在任一

高于随选基准面的特定点上的总能量，等于势能头、压力头和速度头之和，如下式所示：

图液体中两点间的能量平衡

如果摩擦损失忽略不计，并且没有外加入能最，也不向外输出能量（例如泵或透平）对

于管系上式中的总水头H对流体的任一点来说即为常数。但在实际中总要遇到压头损失或能

量的增减，这些也必须包括在柏努利方程中。液体内两点问的能量平衡可由此而写出，如上

图所示。

应指出的是从1点到2点的管线摩擦损失是hL英尺磅/磅流体，它有时被作为流体的压

头损（英尺）。方程可写成如下：

144P]7,144P%,v2,

+++玄2+皿

Pi2g

所有流体流动的实际用公式均由伯努利定理导出来，只是计及摩擦损失时要加以修正。

4.流体流动的通用公式——达西方程

流体在管道中的流动总是伴随着流体粒子之间的相互磨擦而造成有用能的损失，也就是

在流动方向上一定会产生压降。把普通的巴登管压力表如下图所示接装到有流体流动的管道

上，则Pl表指示的静压将会高于P2表的静压。

尸单

计算压力降的•般方法，为达西（Darcy）方程，当用英尺液拄表示时，可以写成: