閥門的流體密封力計算、閥門的汽蝕和水擊

1、第四章第四章 閥門的流體力學(xué)閥門的流體力學(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 閥門的汽蝕閥門的汽蝕v5-3 閥門的水擊閥門的水擊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：特點：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性流動性易流動，只受壓力，不受拉力和切力，沒有固定形狀，受到微小的易流動，只受壓力，不受拉力和切力，沒有固定形狀，受到微小的剪切力就產(chǎn)生變形或流動剪

2、切力就產(chǎn)生變形或流動有固定的體積有固定的體積沒有固定的體積沒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溫度對粘性的影響，產(chǎn)生粘性的主要因素不同：溫度對粘性的影響，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 分子間動量交換為主分子間動量交換為主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、研究流體運動的兩種方法研究流體運動的兩種方法 流體質(zhì)點：物理點。流體質(zhì)點：物理點。 空間點：幾何點，表示空間位置?？臻g點：幾何點，表示空間位置。 1.1.拉格朗日法（跟蹤法、質(zhì)點法）拉格朗日法（跟蹤法、質(zhì)點法） 2.2.歐拉法（站崗法、流場法）歐拉法（站崗法、流場法） 5-1 5-1 流體力學(xué)基礎(chǔ)流體力學(xué)基礎(chǔ)三、流體運動的連續(xù)方程三、流體運動的連續(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、動量方程五、動量方程AtAddVVuuF1122ddd2AuAuAuAA12uuuF12VVF12Vq5-1 5-1 流體力學(xué)基礎(chǔ)流體力學(xué)基礎(chǔ)六、粘性流體的流動型態(tài)六、粘性流體的流動型態(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 閥門的汽蝕閥門的汽蝕一、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)的過程的過程2.2.汽化方式汽化方式蒸發(fā)：汽化過程在蒸發(fā)：汽化過程在液體表面液體表面發(fā)生發(fā)生沸騰：汽化過程在沸騰：汽化過程在液體表面和液體內(nèi)部液體表面和液體內(nèi)部同時發(fā)生同時發(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)的過程。的過程。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)速度這時液體與蒸汽處于動態(tài)這時液體與蒸汽處于動態(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，對應(yīng)蒸汽的壓力稱為飽和壓力，對應(yīng)蒸汽的壓力稱為飽和壓力p ps s 一定的飽和溫度對應(yīng)于一定的飽和壓力，一定的飽和溫度對應(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 閥門的汽蝕閥門的汽蝕三、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，液體便產(chǎn)生汽泡，產(chǎn)生的氣泡，飽和壓力時，液體便產(chǎn)生汽泡，產(chǎn)生的氣泡，流動到壓力高于飽和壓力時，其體積減小最流動到壓力高于飽和壓力時，其體積減小最后破滅。在氣泡破滅的瞬間，液體質(zhì)點以很后破滅。在氣泡破滅的瞬間，液體質(zhì)點以很高的速度填充空穴，在此瞬間產(chǎn)生很強烈的高的速度填充空穴，在此瞬間產(chǎn)生很強烈的水擊作用，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 閥門的汽蝕閥門的汽蝕四、四、汽蝕和閃蒸汽蝕和閃蒸 n分為閃蒸和空化兩個階段。分為閃蒸和空化兩個階段。 n閃蒸是一種非?？焖俚霓D(zhuǎn)變過程。由于壓力降低，部分流閃蒸是一種非?？焖?/p>

8、的轉(zhuǎn)變過程。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 閥門的汽蝕閥門的汽蝕四、四、汽蝕和閃蒸汽蝕和閃蒸 n當(dāng)閥門中液體的下游壓力又升回來，且高于飽和壓當(dāng)閥門中液體的下游壓力又升回來，且高于飽和壓力時，升高的壓力壓縮氣泡，使之突然破裂，稱為力時，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 閥門的汽蝕閥門的汽蝕五、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到臨界值時產(chǎn)生的一種汽蝕是材料在液體的壓力和溫度達到臨界值時產(chǎn)生的一種破壞形式。破壞形

9、式。 n閃蒸對閥門的閥芯會產(chǎn)生嚴(yán)重的沖刷破壞，其特點是受沖閃蒸對閥門的閥芯會產(chǎn)生嚴(yán)重的沖刷破壞，其特點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汽蝕過程中氣泡破裂時，產(chǎn)生汽蝕過程中氣泡破裂時，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閥門的噪音。過閥門的噪音。5-2 5-2 閥門的汽蝕閥門的汽蝕六、六、防止汽蝕破壞的方法防止汽蝕破壞的方法n1.閥門結(jié)構(gòu)。閥門結(jié)構(gòu)。 n2.材料選擇材料選擇 。n3.系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計。n4.曲折路徑。曲折路徑。n5.多孔節(jié)流設(shè)計多孔節(jié)

10、流設(shè)計 5-3 5-3 閥門的水擊閥門的水擊v年威鋼電廠在對機組實施停機過程中，當(dāng)停年威鋼電廠在對機組實施停機過程中，當(dāng)停運兩臺循泵中的一臺時，另一臺突然跳閘（原因不運兩臺循泵中的一臺時，另一臺突然跳閘（原因不明），為防止汽缸排汽溫度過高而引起缸體熱應(yīng)力的明），為防止汽缸排汽溫度過高而引起缸體熱應(yīng)力的變化，運行人員立即做出反應(yīng)，開啟兩臺循環(huán)泵。此變化，運行人員立即做出反應(yīng)，開啟兩臺循環(huán)泵。此時高壓水沖擊并通過開啟的出口閥，瞬間擊中凝汽器，時高壓水沖擊并通過開啟的出口閥，瞬間擊中凝汽器，導(dǎo)致了導(dǎo)致了“水錘水錘”事故。事故。v隨著高層寫字樓及高層住宅的迅速增長，中央空調(diào)系隨著高層寫字樓及高層住宅的

11、迅速增長，中央空調(diào)系統(tǒng)及高層建筑揚水泵站水錘問題越來越引起了人們的統(tǒng)及高層建筑揚水泵站水錘問題越來越引起了人們的重視。由于水錘產(chǎn)生的增壓可能達到管中原來正常壓重視。由于水錘產(chǎn)生的增壓可能達到管中原來正常壓強的幾十倍、甚至幾百倍，因而水錘產(chǎn)生的危害是很強的幾十倍、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 閥門的水擊閥門的水擊一、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）在有壓管道系統(tǒng)中，由于某一管路元件（如閥門）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，同時引起管內(nèi)液體壓強大幅度波動，這種壓強化，同時引起管內(nèi)液體壓強大幅度波動，這種壓強波動在管道中交替升降來回傳播的現(xiàn)象稱為水擊現(xiàn)波動在管道中交替升降來回傳播的現(xiàn)象稱為水擊現(xiàn)象。由于發(fā)生水擊現(xiàn)象的同時，可能伴隨著發(fā)生錘象。由于發(fā)生水擊現(xiàn)象的同時，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 閥門的水擊閥門的水擊二、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.計算最大內(nèi)水壓強，作為設(shè)計或校核壓力管道、計算最大內(nèi)水壓強，作為設(shè)計或校核壓力管道、蝸殼和水輪機強度的依據(jù)。蝸殼和水輪機強度的依據(jù)。2.計算最小內(nèi)水壓強，作為布置壓力管道的路線計算最小內(nèi)水壓強，作為布置壓力管道的路線（防止壓力水管內(nèi)發(fā)生真空）和檢驗尾水管內(nèi)真空（防止壓力水管內(nèi)發(fā)生真空）和檢驗尾水管內(nèi)真空度的依據(jù)。度的依據(jù)。3.研究水錘現(xiàn)象與機組運行（如機組轉(zhuǎn)速變化和運研究水錘現(xiàn)象與機組運行（如機組轉(zhuǎn)速變化和運行的穩(wěn)定性等）的關(guān)系。行的穩(wěn)定性等）的關(guān)系。4.研究減小水錘壓強的措施。研究減小水錘壓強的措施。 5-3 5-3 閥門的水擊閥門的水擊三、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水錘、關(guān)閥水起動水錘、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)閥門關(guān)閉歷時（當(dāng)閥門關(guān)閉歷時（T Ts s）一個水錘相（一個水錘相（M M）時稱瞬）時稱瞬間關(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)閥門關(guān)閉歷時（當(dāng)閥門關(guān)閉歷時（T Ts s ) )一個水錘相（一個水錘相（M M）時稱緩）時稱緩慢關(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 閥門的水擊閥門

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，其水錘波在管道中往返當(dāng)壓力管道中發(fā)生水錘時，其水錘波在管道中往返傳播一次所需的時間，稱為水錘相。傳播一次所需的時間，稱為水錘相。v計算公式為：計算公式為：v其中其中M水錘相，水錘相，s；L管道長度，管道長度，m；c水錘波傳播速度，水錘波傳播速度，m/s。 2LMc5-3 5-3 閥門的水擊閥門的水擊四、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，公式為：時，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：單位：GPaGPav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 閥門的水擊閥門的水擊四、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、時切斷最大水錘升壓，由下列方程式?jīng)Q定：瞬時切斷最大水錘升壓，由下列方程式?jīng)Q定：v對于突然關(guān)閉管路的閥門對于突然關(guān)閉管路的閥門式中：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 閥門關(guān)閉后的速度，閥門關(guān)閉后的速度，m/s。v對于突然停止的水泵，由下式?jīng)Q定：對于突然停止的水泵，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 閥門的水擊閥門的水擊四、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.切斷時間為切斷時間為Ts的實際水錘升壓的實際水錘升壓 ，由下列方程式

18、，由下列方程式?jīng)Q定：決定： v式中：式中：實際水錘升壓，實際水錘升壓，Pa；Ts水流被切斷，實際所花的時間，稱作閉閥水流被切斷，實際所花的時間，稱作閉閥歷時，歷時，s。 (/)mshhM T h5-3 5-3 閥門的水擊閥門的水擊五、閥門突然關(guān)閉時如何減小水錘升壓五、閥門突然關(guān)閉時如何減小水錘升壓v增加管路閥門關(guān)閉增加管路閥門關(guān)閉( (或開啟或開啟) )時間時間T T，使水擊過程，使水擊過程延長。有資料指出，只要確保水流被切斷的實際操延長。有資料指出，只要確保水流被切斷的實際操作時間作時間T Ts s( (即閉閥歷時即閉閥歷時) )是水錘相是水錘相M M的的5 51010倍，就可倍，就可以使實際水錘升壓被限定在安全值以內(nèi)，從而消除以使實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