閥門(mén)的流體密封力計(jì)算、閥門(mén)的汽蝕和水擊

1、第四章第四章 閥門(mén)的流體力學(xué)閥門(mén)的流體力學(xué)基本內(nèi)容基本內(nèi)容v5-1 流體力學(xué)基礎(chǔ)流體力學(xué)基礎(chǔ)v5-2 閥門(mén)的汽蝕閥門(mén)的汽蝕v5-3 閥門(mén)的水擊閥門(mén)的水擊5-1 5-1 流體力學(xué)基礎(chǔ)流體力學(xué)基礎(chǔ)一、一、流體流體1.1.流體：是一種受任何微小剪切力都能連續(xù)變形流體：是一種受任何微小剪切力都能連續(xù)變形的物質(zhì)。它是氣體和液體的通稱。的物質(zhì)。它是氣體和液體的通稱。2.2.特點(diǎn)：特點(diǎn)：液體液體氣體氣體微觀微觀分子排列緊密分子排列緊密分子排列松散分子排列松散流動(dòng)性流動(dòng)性易流動(dòng)，只受壓力，不受拉力和切力，沒(méi)有固定形狀，受到微小的易流動(dòng)，只受壓力，不受拉力和切力，沒(méi)有固定形狀，受到微小的剪切力就產(chǎn)生變形或流動(dòng)剪

2、切力就產(chǎn)生變形或流動(dòng)有固定的體積有固定的體積沒(méi)有固定的體積沒(méi)有固定的體積壓縮性壓縮性不易壓縮不易壓縮易壓縮易壓縮粘性粘性粘性大，隨溫度增加粘性下降粘性大，隨溫度增加粘性下降粘性小，隨溫度增加粘性上升粘性小，隨溫度增加粘性上升v溫度對(duì)粘性的影響，產(chǎn)生粘性的主要因素不同：溫度對(duì)粘性的影響，產(chǎn)生粘性的主要因素不同：v.氣體：氣體：T升高升高 ，變大變大 分子間動(dòng)量交換為主分子間動(dòng)量交換為主v.液體：液體：T升高升高 ，變小變小 內(nèi)聚力為主內(nèi)聚力為主3.表面張力特性表面張力特性.表面張力現(xiàn)象表面張力現(xiàn)象.液體表面由于分子引力大于斥力而在表層沿表面方向產(chǎn)生液體表面由于分子引力大于斥力而在表層沿表面方向產(chǎn)

3、生的拉力。的拉力。5-1 5-1 流體力學(xué)基礎(chǔ)流體力學(xué)基礎(chǔ)二、二、研究流體運(yùn)動(dòng)的兩種方法研究流體運(yùn)動(dòng)的兩種方法 流體質(zhì)點(diǎn)：物理點(diǎn)。流體質(zhì)點(diǎn)：物理點(diǎn)。 空間點(diǎn)：幾何點(diǎn)，表示空間位置?？臻g點(diǎn)：幾何點(diǎn)，表示空間位置。 1.1.拉格朗日法（跟蹤法、質(zhì)點(diǎn)法）拉格朗日法（跟蹤法、質(zhì)點(diǎn)法） 2.2.歐拉法（站崗法、流場(chǎng)法）歐拉法（站崗法、流場(chǎng)法） 5-1 5-1 流體力學(xué)基礎(chǔ)流體力學(xué)基礎(chǔ)三、流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)方程三、流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)方程0)()(zuyuxutzyx0zuyuxuzyx0ddVVAnAutV2211qAVAV5-1 5-1 流體力學(xué)基礎(chǔ)流體力學(xué)基礎(chǔ)四、流體恒定總流的伯努利方程四、流體恒定總流的伯努

4、利方程tpdd1uf2gz222222111ugpgugpzWhgpzgpz2v2v22222211115-1 5-1 流體力學(xué)基礎(chǔ)流體力學(xué)基礎(chǔ)五、動(dòng)量方程五、動(dòng)量方程AtAddVVuuF1122ddd2AuAuAuAA12uuuF12VVF12Vq5-1 5-1 流體力學(xué)基礎(chǔ)流體力學(xué)基礎(chǔ)六、粘性流體的流動(dòng)型態(tài)六、粘性流體的流動(dòng)型態(tài))(2300)(2300Re紊流層流Vd2300RedVcc5-1 5-1 流體力學(xué)基礎(chǔ)流體力學(xué)基礎(chǔ)六、水頭損失六、水頭損失gVdlhf22)/(Re,df)()(2211pzpzhf5-1 5-1 流體力學(xué)基礎(chǔ)流體力學(xué)基礎(chǔ)六、水頭損失六、水頭損失gVVrpzrpz

5、hm2)()(2222112211gVhm225-2 5-2 閥門(mén)的汽蝕閥門(mén)的汽蝕一、一、汽化與凝結(jié)汽化與凝結(jié)1.1.汽化汽化物質(zhì)由物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠麘B(tài)液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠麘B(tài)的過(guò)程的過(guò)程2.2.汽化方式汽化方式蒸發(fā)：汽化過(guò)程在蒸發(fā)：汽化過(guò)程在液體表面液體表面發(fā)生發(fā)生沸騰：汽化過(guò)程在沸騰：汽化過(guò)程在液體表面和液體內(nèi)部液體表面和液體內(nèi)部同時(shí)發(fā)生同時(shí)發(fā)生3.3.凝結(jié)凝結(jié)物質(zhì)由物質(zhì)由汽態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)汽態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的過(guò)程。的過(guò)程。凝結(jié)的速度取決于空間蒸汽的壓力。凝結(jié)的速度取決于空間蒸汽的壓力。二、飽和狀態(tài)二、飽和狀態(tài)飽和狀態(tài)飽和狀態(tài)液體分子脫離其液體分子脫離其表面的汽化速度表面的汽化速度汽體分子回到液汽體分子回到

6、液體中的凝結(jié)速度體中的凝結(jié)速度這時(shí)液體與蒸汽處于動(dòng)態(tài)這時(shí)液體與蒸汽處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，稱為平衡狀態(tài)，稱為飽和狀態(tài)飽和狀態(tài)飽和液體飽和液體飽和蒸汽飽和蒸汽n飽和溫度和飽和壓力飽和溫度和飽和壓力 處于飽和狀態(tài)的汽、液溫度相同，稱為飽處于飽和狀態(tài)的汽、液溫度相同，稱為飽和溫度和溫度t ts s，對(duì)應(yīng)蒸汽的壓力稱為飽和壓力，對(duì)應(yīng)蒸汽的壓力稱為飽和壓力p ps s 一定的飽和溫度對(duì)應(yīng)于一定的飽和壓力，一定的飽和溫度對(duì)應(yīng)于一定的飽和壓力，反之也成立，即兩者間存在單值關(guān)系反之也成立，即兩者間存在單值關(guān)系。 sstfp 5-2 5-2 閥門(mén)的汽蝕閥門(mén)的汽蝕三、三、汽蝕現(xiàn)象汽蝕現(xiàn)象液體在一定溫度下，壓力降低至該溫

7、度下的液體在一定溫度下，壓力降低至該溫度下的飽和壓力時(shí)，液體便產(chǎn)生汽泡，產(chǎn)生的氣泡，飽和壓力時(shí)，液體便產(chǎn)生汽泡，產(chǎn)生的氣泡，流動(dòng)到壓力高于飽和壓力時(shí)，其體積減小最流動(dòng)到壓力高于飽和壓力時(shí)，其體積減小最后破滅。在氣泡破滅的瞬間，液體質(zhì)點(diǎn)以很后破滅。在氣泡破滅的瞬間，液體質(zhì)點(diǎn)以很高的速度填充空穴，在此瞬間產(chǎn)生很強(qiáng)烈的高的速度填充空穴，在此瞬間產(chǎn)生很強(qiáng)烈的水擊作用，把這種現(xiàn)象稱為汽蝕。水擊作用，把這種現(xiàn)象稱為汽蝕。5-2 5-2 閥門(mén)的汽蝕閥門(mén)的汽蝕四、四、汽蝕和閃蒸汽蝕和閃蒸 n分為閃蒸和空化兩個(gè)階段。分為閃蒸和空化兩個(gè)階段。 n閃蒸是一種非?？焖俚霓D(zhuǎn)變過(guò)程。由于壓力降低，部分流閃蒸是一種非?？焖?/p>

8、的轉(zhuǎn)變過(guò)程。由于壓力降低，部分流體汽化成氣體，產(chǎn)生氣泡，形成氣液兩相共存現(xiàn)象，稱為體汽化成氣體，產(chǎn)生氣泡，形成氣液兩相共存現(xiàn)象，稱為閃蒸階段閃蒸階段。5-2 5-2 閥門(mén)的汽蝕閥門(mén)的汽蝕四、四、汽蝕和閃蒸汽蝕和閃蒸 n當(dāng)閥門(mén)中液體的下游壓力又升回來(lái)，且高于飽和壓當(dāng)閥門(mén)中液體的下游壓力又升回來(lái)，且高于飽和壓力時(shí)，升高的壓力壓縮氣泡，使之突然破裂，稱為力時(shí)，升高的壓力壓縮氣泡，使之突然破裂，稱為空化階段?？栈A段。 5-2 5-2 閥門(mén)的汽蝕閥門(mén)的汽蝕五、五、汽蝕的危害汽蝕的危害 n汽蝕是材料在液體的壓力和溫度達(dá)到臨界值時(shí)產(chǎn)生的一種汽蝕是材料在液體的壓力和溫度達(dá)到臨界值時(shí)產(chǎn)生的一種破壞形式。破壞形

9、式。 n閃蒸對(duì)閥門(mén)的閥芯會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的沖刷破壞，其特點(diǎn)是受沖閃蒸對(duì)閥門(mén)的閥芯會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的沖刷破壞，其特點(diǎn)是受沖刷的表面有刷的表面有平滑拋光的外形平滑拋光的外形。n汽蝕過(guò)程中氣泡破裂時(shí)，產(chǎn)生汽蝕過(guò)程中氣泡破裂時(shí)，產(chǎn)生幾千牛頓幾千牛頓的沖擊力，的沖擊力，將零件將零件表層撕裂，形成表層撕裂，形成蜂窩狀的小孔蜂窩狀的小孔 。并產(chǎn)生一種類似于砂石流。并產(chǎn)生一種類似于砂石流過(guò)閥門(mén)的噪音。過(guò)閥門(mén)的噪音。5-2 5-2 閥門(mén)的汽蝕閥門(mén)的汽蝕六、六、防止汽蝕破壞的方法防止汽蝕破壞的方法n1.閥門(mén)結(jié)構(gòu)。閥門(mén)結(jié)構(gòu)。 n2.材料選擇材料選擇 。n3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)。n4.曲折路徑。曲折路徑。n5.多孔節(jié)流設(shè)計(jì)多孔節(jié)

10、流設(shè)計(jì) 5-3 5-3 閥門(mén)的水擊閥門(mén)的水擊v年威鋼電廠在對(duì)機(jī)組實(shí)施停機(jī)過(guò)程中，當(dāng)停年威鋼電廠在對(duì)機(jī)組實(shí)施停機(jī)過(guò)程中，當(dāng)停運(yùn)兩臺(tái)循泵中的一臺(tái)時(shí)，另一臺(tái)突然跳閘（原因不運(yùn)兩臺(tái)循泵中的一臺(tái)時(shí)，另一臺(tái)突然跳閘（原因不明），為防止汽缸排汽溫度過(guò)高而引起缸體熱應(yīng)力的明），為防止汽缸排汽溫度過(guò)高而引起缸體熱應(yīng)力的變化，運(yùn)行人員立即做出反應(yīng)，開(kāi)啟兩臺(tái)循環(huán)泵。此變化，運(yùn)行人員立即做出反應(yīng)，開(kāi)啟兩臺(tái)循環(huán)泵。此時(shí)高壓水沖擊并通過(guò)開(kāi)啟的出口閥，瞬間擊中凝汽器，時(shí)高壓水沖擊并通過(guò)開(kāi)啟的出口閥，瞬間擊中凝汽器，導(dǎo)致了導(dǎo)致了“水錘水錘”事故。事故。v隨著高層寫(xiě)字樓及高層住宅的迅速增長(zhǎng)，中央空調(diào)系隨著高層寫(xiě)字樓及高層住宅的

11、迅速增長(zhǎng)，中央空調(diào)系統(tǒng)及高層建筑揚(yáng)水泵站水錘問(wèn)題越來(lái)越引起了人們的統(tǒng)及高層建筑揚(yáng)水泵站水錘問(wèn)題越來(lái)越引起了人們的重視。由于水錘產(chǎn)生的增壓可能達(dá)到管中原來(lái)正常壓重視。由于水錘產(chǎn)生的增壓可能達(dá)到管中原來(lái)正常壓強(qiáng)的幾十倍、甚至幾百倍，因而水錘產(chǎn)生的危害是很強(qiáng)的幾十倍、甚至幾百倍，因而水錘產(chǎn)生的危害是很大的。大的。5-3 5-3 閥門(mén)的水擊閥門(mén)的水擊一、一、水錘水錘1.1.定義：定義：由于壓力管道內(nèi)液體的流速急劇變化，而引起管道由于壓力管道內(nèi)液體的流速急劇變化，而引起管道中液體壓力的突然升高或降低，這種現(xiàn)象稱之為水中液體壓力的突然升高或降低，這種現(xiàn)象稱之為水錘。錘。在有壓管道系統(tǒng)中，由于某一管路元件（

12、如閥門(mén)）在有壓管道系統(tǒng)中，由于某一管路元件（如閥門(mén)）工作狀態(tài)的突然改變，導(dǎo)致液體的流速發(fā)生急劇變工作狀態(tài)的突然改變，導(dǎo)致液體的流速發(fā)生急劇變化，同時(shí)引起管內(nèi)液體壓強(qiáng)大幅度波動(dòng)，這種壓強(qiáng)化，同時(shí)引起管內(nèi)液體壓強(qiáng)大幅度波動(dòng)，這種壓強(qiáng)波動(dòng)在管道中交替升降來(lái)回傳播的現(xiàn)象稱為水擊現(xiàn)波動(dòng)在管道中交替升降來(lái)回傳播的現(xiàn)象稱為水擊現(xiàn)象。由于發(fā)生水擊現(xiàn)象的同時(shí)，可能伴隨著發(fā)生錘象。由于發(fā)生水擊現(xiàn)象的同時(shí)，可能伴隨著發(fā)生錘擊管壁般的響聲，故水擊又稱水錘擊管壁般的響聲，故水擊又稱水錘。5-3 5-3 閥門(mén)的水擊閥門(mén)的水擊二、研究水錘現(xiàn)象的目的二、研究水錘現(xiàn)象的目的n研究水錘現(xiàn)象的目的可歸納為以下四種：研究水錘現(xiàn)象的目

13、的可歸納為以下四種：1.計(jì)算最大內(nèi)水壓強(qiáng)，作為設(shè)計(jì)或校核壓力管道、計(jì)算最大內(nèi)水壓強(qiáng)，作為設(shè)計(jì)或校核壓力管道、蝸殼和水輪機(jī)強(qiáng)度的依據(jù)。蝸殼和水輪機(jī)強(qiáng)度的依據(jù)。2.計(jì)算最小內(nèi)水壓強(qiáng)，作為布置壓力管道的路線計(jì)算最小內(nèi)水壓強(qiáng)，作為布置壓力管道的路線（防止壓力水管內(nèi)發(fā)生真空）和檢驗(yàn)尾水管內(nèi)真空（防止壓力水管內(nèi)發(fā)生真空）和檢驗(yàn)尾水管內(nèi)真空度的依據(jù)。度的依據(jù)。3.研究水錘現(xiàn)象與機(jī)組運(yùn)行（如機(jī)組轉(zhuǎn)速變化和運(yùn)研究水錘現(xiàn)象與機(jī)組運(yùn)行（如機(jī)組轉(zhuǎn)速變化和運(yùn)行的穩(wěn)定性等）的關(guān)系。行的穩(wěn)定性等）的關(guān)系。4.研究減小水錘壓強(qiáng)的措施。研究減小水錘壓強(qiáng)的措施。 5-3 5-3 閥門(mén)的水擊閥門(mén)的水擊三、水錘的種類三、水錘的種類n

14、按水錘產(chǎn)生的原因可分為按水錘產(chǎn)生的原因可分為起動(dòng)水錘、關(guān)閥水起動(dòng)水錘、關(guān)閥水錘和停泵水錘錘和停泵水錘，其中以停泵水錘的危害最為，其中以停泵水錘的危害最為嚴(yán)重，往往造成管道破裂。嚴(yán)重，往往造成管道破裂。v1.1.當(dāng)閥門(mén)關(guān)閉歷時(shí)（當(dāng)閥門(mén)關(guān)閉歷時(shí)（T Ts s）一個(gè)水錘相（一個(gè)水錘相（M M）時(shí)稱瞬）時(shí)稱瞬間關(guān)閉，瞬間關(guān)閉產(chǎn)生的水錘稱之為間關(guān)閉，瞬間關(guān)閉產(chǎn)生的水錘稱之為直接水錘直接水錘。v2.2.當(dāng)閥門(mén)關(guān)閉歷時(shí)（當(dāng)閥門(mén)關(guān)閉歷時(shí)（T Ts s ) )一個(gè)水錘相（一個(gè)水錘相（M M）時(shí)稱緩）時(shí)稱緩慢關(guān)閉，緩慢關(guān)閉產(chǎn)生的水錘稱為慢關(guān)閉，緩慢關(guān)閉產(chǎn)生的水錘稱為間接水錘間接水錘。5-3 5-3 閥門(mén)的水擊閥門(mén)

15、的水擊四、水錘的相關(guān)參數(shù)四、水錘的相關(guān)參數(shù)u1.1.水錘相水錘相(M)(M) v當(dāng)壓力管道中發(fā)生水錘時(shí)，其水錘波在管道中往返當(dāng)壓力管道中發(fā)生水錘時(shí)，其水錘波在管道中往返傳播一次所需的時(shí)間，稱為水錘相。傳播一次所需的時(shí)間，稱為水錘相。v計(jì)算公式為：計(jì)算公式為：v其中其中M水錘相，水錘相，s；L管道長(zhǎng)度，管道長(zhǎng)度，m；c水錘波傳播速度，水錘波傳播速度，m/s。 2LMc5-3 5-3 閥門(mén)的水擊閥門(mén)的水擊四、水錘的相關(guān)參數(shù)四、水錘的相關(guān)參數(shù)u2.水錘波傳播速度水錘波傳播速度 v水錘波的傳播速度與聲波在水中的傳播速度、管道水錘波的傳播速度與聲波在水中的傳播速度、管道材質(zhì)的彈性模數(shù)、水體的彈性模數(shù)、管

16、徑及管壁厚材質(zhì)的彈性模數(shù)、水體的彈性模數(shù)、管徑及管壁厚有關(guān)。有關(guān)。 v當(dāng)圓形均質(zhì)管的當(dāng)圓形均質(zhì)管的 /d1/20時(shí)，公式為：時(shí)，公式為：v其中其中K水體的彈性模數(shù)，水體的彈性模數(shù)，Pa，E管道材料的縱向彈性模數(shù)，管道材料的縱向彈性模數(shù)，Pa，d管徑，管徑，m；管壁厚，管壁厚，m。14251cK dEv不同材質(zhì)的不同材質(zhì)的E E值值 單位：?jiǎn)挝唬篏PaGPav注：注：1 1聲波在水中傳播速度近似聲波在水中傳播速度近似1425m/s1425m/s2 21GPa=101GPa=109 9PaPa5-3 5-3 閥門(mén)的水擊閥門(mén)的水擊四、水錘的相關(guān)參數(shù)四、水錘的相關(guān)參數(shù)u3.3.水錘升壓水錘升壓u. 瞬

17、時(shí)切斷最大水錘升壓，由下列方程式?jīng)Q定：瞬時(shí)切斷最大水錘升壓，由下列方程式?jīng)Q定：v對(duì)于突然關(guān)閉管路的閥門(mén)對(duì)于突然關(guān)閉管路的閥門(mén)式中：式中：V0水錘前管中的平均速度，水錘前管中的平均速度，m/s； V 閥門(mén)關(guān)閉后的速度，閥門(mén)關(guān)閉后的速度，m/s。v對(duì)于突然停止的水泵，由下式?jīng)Q定：對(duì)于突然停止的水泵，由下式?jīng)Q定：式中：式中：V止回閥完全關(guān)閉前產(chǎn)生的水流速度，止回閥完全關(guān)閉前產(chǎn)生的水流速度，m/s。/mhcV g0VVV 0VVV 5-3 5-3 閥門(mén)的水擊閥門(mén)的水擊四、水錘的相關(guān)參數(shù)四、水錘的相關(guān)參數(shù)u3.3.水錘升壓水錘升壓uB.切斷時(shí)間為切斷時(shí)間為T(mén)s的實(shí)際水錘升壓的實(shí)際水錘升壓 ，由下列方程式

18、，由下列方程式?jīng)Q定：決定： v式中：式中：實(shí)際水錘升壓，實(shí)際水錘升壓，Pa；Ts水流被切斷，實(shí)際所花的時(shí)間，稱作閉閥水流被切斷，實(shí)際所花的時(shí)間，稱作閉閥歷時(shí)，歷時(shí)，s。 (/)mshhM T h5-3 5-3 閥門(mén)的水擊閥門(mén)的水擊五、閥門(mén)突然關(guān)閉時(shí)如何減小水錘升壓五、閥門(mén)突然關(guān)閉時(shí)如何減小水錘升壓v增加管路閥門(mén)關(guān)閉增加管路閥門(mén)關(guān)閉( (或開(kāi)啟或開(kāi)啟) )時(shí)間時(shí)間T T，使水擊過(guò)程，使水擊過(guò)程延長(zhǎng)。有資料指出，只要確保水流被切斷的實(shí)際操延長(zhǎng)。有資料指出，只要確保水流被切斷的實(shí)際操作時(shí)間作時(shí)間T Ts s( (即閉閥歷時(shí)即閉閥歷時(shí)) )是水錘相是水錘相M M的的5 51010倍，就可倍，就可以使實(shí)際水錘升壓被限定在安全值以內(nèi)，從而消除以使實(shí)際水錘升壓被限定在安全值以內(nèi)，從而消除破壞性的水錘危害；破壞性的水錘危害；v在管路上安裝各種水錘消除器，這樣在水錘發(fā)生在管路上安裝