阀门的流体力学教学课件PPT阀门的流体密封力计算、阀门的汽蚀和水击.ppt

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 流体力学基流体力学基础v5-2 阀门的汽的汽蚀v5-3 阀门的水的水击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流体：是一种受任何微小剪切力都能连续变形形的物的物质它是气体和液体的通称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微观分子排列分子排列紧密密分子排列松散分子排列松散流流动性性易流易流动，只受，只受压力，不受拉力和切力，没有固定形状，受到微小的力，不受拉力和切力，没有固定形状，受到微小的剪切力就剪切力就产生生变形或流形或流动有固定的体有固定的体积没有固定的体没有固定的体积压缩性性不易不易压缩易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温度温度对粘性的影响，粘性的影响，产生粘性的主要因素不同：生粘性的主要因素不同：vＡＡ.气体：气体：T升高升高 ，，µ变大大    分子分子间动量交量交换为主主vＢＢ.液体：液体：T升高升高 ，，µ变小小    内聚力内聚力为主主3.表面表面张力特性力特性ＡＡ.表面表面张力力现象象ＢＢ.液体表面由于分子引力大于斥力而在表液体表面由于分子引力大于斥力而在表层沿表面方向沿表面方向产生生的拉力。

的拉力5-1 5-1 流体力学基础流体力学基础二、二、研究流体运研究流体运动的两种方法的两种方法 流体流体质点：物理点点：物理点 空空间点：几何点，表示空点：几何点，表示空间位置 1.1.拉格朗日法（跟踪法、拉格朗日法（跟踪法、质点法）　ＣＭ点法）　ＣＭ 2.2.欧拉法（站欧拉法（站岗法、流法、流场法）法） 　　　ＣＶＣＶ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5-1 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利方程5-1 5-1 流体力学基础流体力学基础五、动量方程五、动量方程5-1 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5-1 5-1 流体力学基础流体力学基础六、水头损失六、水头损失1.1.1.1.沿程水头损失沿程水头损失沿程水头损失沿程水头损失5-1 5-1 流体力学基础流体力学基础六、水头损失六、水头损失2.2.2.2.局部水头损失局部水头损失局部水头损失局部水头损失5-2 5-2 阀门的汽蚀阀门的汽蚀一、一、汽化与凝汽化与凝结1.1.汽化汽化　　物　　物质由由液液态转变为汽汽态的的过程程2.2.汽化方式汽化方式ü蒸蒸发：汽化：汽化过程在程在液体表面液体表面发生生ü沸沸腾：汽化：汽化过程在程在液体表面和液体内部液体表面和液体内部同同时发生生3.3.凝凝结　　物　　物质由由汽汽态转变为液液态的的过程。

程Ø凝凝结的速度取决于空的速度取决于空间蒸汽的蒸汽的压力二、二、饱和状和状态Ø饱和状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饱和温度和和温度和饱和和压力力　　　　 处于于饱和状和状态的汽、液温度相同，称的汽、液温度相同，称为饱和温度和温度t ts s，，对应蒸汽的蒸汽的压力称力称为饱和和压力力p ps s　　 　　　一定的一定的饱和温度和温度对应于一定的于一定的饱和和压力，力，反之也成立，即两者反之也成立，即两者间存在存在单值关系关系5-2 5-2 阀门的汽蚀阀门的汽蚀三、三、汽汽蚀现象象　液体在一定温度下，　液体在一定温度下，压力降低至力降低至该温度下的温度下的饱和和压力力时，液体便，液体便产生汽泡，生汽泡，产生的气泡，生的气泡，流流动到到压力高于力高于饱和和压力力时，其体，其体积减小最减小最后破后破灭在气泡破在气泡破灭的瞬的瞬间，液体，液体质点以很点以很高的速度填充空穴，在此瞬高的速度填充空穴，在此瞬间产生很生很强烈的烈的水水击作用，把作用，把这种种现象称象称为汽汽蚀。

5-2 5-2 阀门的汽蚀阀门的汽蚀四、四、汽汽蚀和和闪蒸蒸 n分分为闪蒸和空化两个蒸和空化两个阶段 n闪蒸是一种非常快速的蒸是一种非常快速的转变过程由于压力降低，部分流体力降低，部分流体汽化成气体，汽化成气体，产生气泡，形成气液两相共存生气泡，形成气液两相共存现象，称象，称为闪蒸蒸阶段段5-2 5-2 阀门的汽蚀阀门的汽蚀四、四、汽汽蚀和和闪蒸蒸 n当当阀门中液体的下游中液体的下游压力又升回来，且高于力又升回来，且高于饱和和压力力时，升高的，升高的压力力压缩气泡，使之突然破裂，称气泡，使之突然破裂，称为空化空化阶段 5-2 5-2 阀门的汽蚀阀门的汽蚀五、五、汽汽蚀的危害的危害 n汽汽蚀是材料在液体的是材料在液体的压力和温度达到力和温度达到临界界值时产生的一种破生的一种破坏形式 n闪蒸蒸对阀门的的阀芯会芯会产生生严重的冲刷破坏，其特点是受冲刷重的冲刷破坏，其特点是受冲刷的表面有的表面有平滑抛光的外形平滑抛光的外形n汽汽蚀过程中气泡破裂程中气泡破裂时，，产生生几千牛几千牛顿的冲的冲击力，力，将零件表将零件表层撕裂，形成撕裂，形成蜂蜂窝状的小孔状的小孔 并产生一种生一种类似于砂石流似于砂石流过阀门的噪音。

的噪音5-2 5-2 阀门的汽蚀阀门的汽蚀六、六、防止汽防止汽蚀破坏的方法破坏的方法n1.阀门结构 n2.材料材料选择 n3.系系统设计n4.曲折路径曲折路径n5.多孔多孔节流流设计 5-3 5-3 阀门的水击阀门的水击v２００３年威２００３年威钢电厂在厂在对机机组实施停机施停机过程中，当停运程中，当停运两台循两台循泵中的一台中的一台时，另一台突然跳，另一台突然跳闸（原因不明），（原因不明），为防止汽缸排汽温度防止汽缸排汽温度过高而引起缸体高而引起缸体热应力的力的变化，运化，运行人行人员立即做出反立即做出反应，开启两台循，开启两台循环泵此时高高压水冲水冲击并通并通过开启的出口开启的出口阀，瞬，瞬间击中凝汽器，中凝汽器，导致了致了“水水锤”事故v随着高随着高层写字楼及高写字楼及高层住宅的迅速增住宅的迅速增长，中央空，中央空调系系统及高及高层建筑建筑扬水水泵站水站水锤问题越来越引起了人越来越引起了人们的重的重视由于水由于水锤产生的增生的增压可能达到管中原来正常可能达到管中原来正常压强的几十的几十倍、甚至几百倍，因而水倍、甚至几百倍，因而水锤产生的危害是很大的生的危害是很大的5-3 5-3 阀门的水击阀门的水击一、一、水水锤1.1.定定义：：ü由于由于压力管道内液体的流速急力管道内液体的流速急剧变化，而引起管道化，而引起管道中液体中液体压力的突然升高或降低，力的突然升高或降低，这种种现象称之象称之为水水锤。

ü在有在有压管道系管道系统中，由于某一管路元件（如中，由于某一管路元件（如阀门））工作状工作状态的突然改的突然改变，，导致液体的流速致液体的流速发生急生急剧变化，同化，同时引起管内液体引起管内液体压强大幅度波大幅度波动，，这种种压强波波动在管道中交替升降来回在管道中交替升降来回传播的播的现象称象称为水水击现象由于发生水生水击现象的同象的同时，可能伴随着，可能伴随着发生生锤击管壁般的响声，故水管壁般的响声，故水击又称水又称水锤5-3 5-3 阀门的水击阀门的水击二、研究水二、研究水锤现象的目的象的目的n研究水研究水锤现象的目的可象的目的可归纳为以下四种：以下四种：Ø1.计算最大内水算最大内水压强，作，作为设计或校核或校核压力管道、力管道、蜗壳和水壳和水轮机机强度的依据度的依据Ø2.计算最小内水算最小内水压强，作，作为布置布置压力管道的路力管道的路线（防止（防止压力水管内力水管内发生真空）和生真空）和检验尾水管内真空尾水管内真空度的依据度的依据Ø3.研究水研究水锤现象与机象与机组运行（如机运行（如机组转速速变化和运化和运行的行的稳定性等）的关系定性等）的关系Ø4.研究减小水研究减小水锤压强的措施。

的措施   5-3 5-3 阀门的水击阀门的水击三、水三、水锤的种的种类n按水按水锤产生的原因可分生的原因可分为起起动水水锤、关、关阀水水锤和停和停泵水水锤，其中以停，其中以停泵水水锤的危害最的危害最为严重，往往造成管道破裂重，往往造成管道破裂v1.1.当当阀门关关闭历时（（T Ts s））≤≤一个水一个水锤相（相（M M））时称瞬称瞬间关关闭，瞬，瞬间关关闭产生的水生的水锤称之称之为直接水直接水锤v2.2.当当阀门关关闭历时（（T Ts s ) )＞一个水＞一个水锤相（相（M M））时称称缓慢关慢关闭，，缓慢关慢关闭产生的水生的水锤称称为间接水接水锤5-3 5-3 阀门的水击阀门的水击四、水四、水锤的相关参数的相关参数u1.1.水水锤相相(M)(M) v当当压力管道中力管道中发生水生水锤时，其水，其水锤波在管道中往返波在管道中往返传播一次所需的播一次所需的时间，称，称为水水锤相v计算公式算公式为：：v其中其中M—水水锤相，相，s；；　　　　　　L—管道管道长度，度，m；；　　　　　　c—水水锤波波传播速度，播速度，m/s 5-3 5-3 阀门的水击阀门的水击四、水四、水锤的相关参数的相关参数u2.水水锤波波传播速度播速度 v水水锤波的波的传播速度与声波在水中的播速度与声波在水中的传播速度、管道播速度、管道材材质的的弹性模数、水体的性模数、水体的弹性模数、管径及管壁厚性模数、管径及管壁厚有关。

有关 v当当圆形均形均质管的管的δ /d＜＜1/20时，公式，公式为：：v其中其中K—水体的水体的弹性模数，性模数，Pa，，　　　　　　E—管道材料的管道材料的纵向向弹性模数，性模数，Pa，，　　　　　　d—管径，管径，m；；δ—管壁厚，管壁厚，mv不同材不同材质的的E E值 单位：位：GPaGPav注：注：1 1．声波在水中．声波在水中传播速度近似播速度近似1425m/s1425m/s　　　　　　2 2．．1GPa=101GPa=109 9PaPa5-3 5-3 阀门的水击阀门的水击四、水四、水锤的相关参数的相关参数u3.3.水水锤升升压uＡＡ. 瞬瞬时切断最大水切断最大水锤升升压，由下列方程式决定：，由下列方程式决定：v对于突然关于突然关闭管路的管路的阀门　式中：　式中：V0—水水锤前管中的平均速度，前管中的平均速度，m/s；；　　　　　　　　 V— 阀门关关闭后的速度，后的速度，m/sv对于突然停止的水于突然停止的水泵，由下式决定：，由下式决定：　式中：　式中：V—止回止回阀完全关完全关闭前前产生的水流速度，生的水流速度，m/s 5-3 5-3 阀门的水击阀门的水击四、水四、水锤的相关参数的相关参数u3.3.水水锤升升压uB.切断切断时间为Ts的的实际水水锤升升压 ，由下列方程式，由下列方程式　　决定：　　决定： v式中：　式中：　—实际水水锤升升压，，Pa；；　　　　　　Ts—水流被切断，水流被切断，实际所花的所花的时间，称作，称作闭阀历时，，s。

5-3 5-3 阀门的水击阀门的水击五、五、阀门突然关突然关闭时如何减小水如何减小水锤升升压v①①增加管路增加管路阀门关关闭( (或开启或开启) )时间T Tｓｓ，使水，使水击过程程延延长有资料指出，只要确保水流被切断的料指出，只要确保水流被切断的实际操操作作时间T Ts s( (即即闭阀历时) )是水是水锤相相M M的的5 5—1010倍，就可倍，就可以使以使实际水水锤升升压被限定在安全被限定在安全值以内，从而消除以内，从而消除破坏性的水破坏性的水锤危害；危害；v②②在管路上安装各种水在管路上安装各种水锤消除器，消除器，这样在水在水锤发生生瞬瞬间，有水，有水锤消除器将部分水从管中放出，把部分消除器将部分水从管中放出，把部分空气引人管中空气引人管中5-3 5-3 阀门的水击阀门的水击六、防止水六、防止水锤破坏的几种措施破坏的几种措施 v1.1.采用恒采用恒压控制技控制技术v2.2.采用泄采用泄压保保护技技术Ø①①水水锤消除器消除器 Ø②②泄泄压保保护阀 v3.3.采用控制流速技采用控制流速技术Ø①①采用水力控制采用水力控制阀 Ø②②采用快采用快闭式止回式止回阀 v4.4.在在管管路路中中各各峰峰点点安安装装可可靠靠的的排排气气阀也也是是必必不不可可少少的措施的措施 。