调节阀的流体特性-流体运动的阻力

流体介质流过管路系统时，由于沿程摩擦产生能量损失，又由于局部阻力(阀门、三通、弯头、管径突然扩大与缩小)产生附加的能量损失。

在一个直径为DN的导管中，其压力损失△ρ_N的计算式如下：

如果液体介质流过简单的管路，压力损失值可按实验确定的系数λ久进行理论计算，见图1。对于局部阻力，仅仅在简单的情况下进行理论计算，因为在大多数情况下，系数ζ是不同的，必须按不同情况通过实验来确定。实际上，系数ζ表示流体沿程阻力的动能损失。对于两个不同的结构或两种不同的工艺条件，除了偶然的情况外，水力阻力是不相等的，系数ζ也是不同的。

如果仅仅涉及到局部阻力，压力降的计算公式如下：

式中 v_N——在局部阻力件之前或之后，按管径DN计算的流体平均速度，在某些情况下是指特定区的流速。

注意：在大多数情况下，ζ是对圆截面管道讲的。

1．局部阻力系数ζ_k

局部阻力分为阀门阻力和其他局部阻力。这样划分的目的，是便于深入研究通过阀门的介质流动。

(1)导管的流人和流出当容器与导管连接的时候，导管被安装在容器的出口或入口上，或者把导管的一头插入罐内引出导管，见图2和图3。图中已给出各种情况下的ζ值。

ζ值也可以查表1。

2)渐扩管。图5为介质通过渐扩管的简图。压力损失产生于介质对管壁的摩擦和流线的扩大。△p是几何尺寸Dl、D2、L和Φ的函数。

ζ可从图6中查得。这是对中等粗糙度管子的试验结果。

3)突然收缩。如图7所示，如果已知介质的收缩截面是A2，在这种情况下，压力损失的确定与突然扩大时相似。

计算压力损失△p时，可用式(5)，而流阻系数ζ的计算如下:

因为在大多数情况下，截面A2是不知道的，所以ζ是A2／A1的函数，如图8所示。它对应于进口处为锐边的突然收缩管中流动时的ζ值。

4)渐缩管。如图9所示的渐缩管，其压力损失比突然收缩的要小，其压力损失△p的计算如下：

渐缩管的角度Φ=4°～10°时，ζ值可查表2，它是管子直径比的函数。

2．通过阀门的流阻系数

阀门可以切断、调节或者分配流过的介质。应对阀门进行下列分析：

1)确定阀门全开时产生的流阻或压力损失。

2)不同开度时的流阻系数或压力损失(主要是指调节阀)。

下面仅讨论切断阀。从经济的观点来看，希望阀的全开时阻力越小越好。因此，阀门的ζ值是一个非常重要的指标，也是分级的依据。

进一步研究阀门的特性，可以得出以下结论：

1)阀门的流阻影响系统性能。因为流阻存在，要求增高起点压力，或是降低用户的使用压力。

2)阀门的流体阻力值是介质参数和阀门结构的函数。

3)在较短的管路系统中，能量的总损失主要是由阀门压降引起的。

4)阀门结构的选择，不能仅考虑阀门起到启闭的作用，还必须使阀门的局部阻力尽可能地小。

通过式(1)可得出阀门压力损失的计算公式：

由上式可以看出，ζNj的量纲为1。它表示介质通过阀门时的能量损失程度。能量损失的原因是多种多样的，如方向的改变、流通面积的扩张或收缩、管壁的摩擦等。

图10示出几种调节阀的简图和介质能量损失的情况。要知道，即使对于一个构造简单的调节阀，要想通过理论计算得出ζNj值也是不可能的。ζNj值要通过试验确定。

下面介绍试验结果，以便为计算阀门的能量损失提供方便有用的数据。

显然，应研究每种流动状态(层流、过渡流、湍流)下的ζ_Nj值。但实际上，大多是湍流，故通常仅介绍湍流情况下的ζ_Nj值。在雷诺数Re的函数中，ζ_Nj值是个常数。