1.2 阀门流阻特性

流阻特性是表征阀门流通能力的重要指标，也是阀门内部流动的外在表现。通过对阀门的流阻特性进行分析，可获知其调控性能，对阀门的设计以及选型具有重要的指导意义。阀门的流阻特性主要可以从以下三个方面进行表征：流量特性曲线、流量系数和阻力系数。

1.2.1 阀门流量特性

阀门的流量特性指流过阀门的流体的相对流量与开度的关系，它是选用阀门最重要的标准之一，其数学表达式为：

式中 Q——当前开度下阀门内部流通的流量；

Q_max——阀门内部流通的最大流量；

l——阀杆的当前行程；

l_max——阀杆的最大行程。

不同的流量特性曲线线型表示阀门具有不同的流体调控性能。为了更加简便地区分阀门的调控性能，目前普遍将阀门的特性曲线分为4类^[4]：快开流量特性、直线流量特性、抛物线流量特性和等百分比流量特性，如图1-4所示。

1．快开流量特性

图1-4中“曲线1”为快开流量特性曲线。由线型可知，具有该种流量特性的阀门在较小开度下具有较大的流量，即拥有较好的流通能力；而随着阀门开度的增大，流量值虽然在增加，但是增加幅度越来越小。一般具备快开特性的阀门的有效行程为1/4阀座直径。因此，该种类型阀门主要用于快速切断式流体控制场合。该特性曲线的数学表达式为：

式中 K——常数。

2．直线流量特性

图1-4中“曲线2”为直线流量特性曲线，它表示阀门的相对流量与阀杆的相对行程呈直线关系，即单位行程变化所导致的流量变化为常数。因此，在小开度时，该阀门的流量相对变化量较大，即灵敏度高；而在大开度时，该阀门的流量相对变化量较小，容易导致控制的滞后。该特性曲线的数学表达式为：

3．抛物线流量特性

图1-4中“曲线3”为抛物线流量特性，它表示阀杆单位行程所导致的相对流量变化量与此点相对流量值的平方根成正比。抛物线流量特性是一种介于直线流量特性与等百分比流量特性之间的调控特性，在实际中的应用相对较少。该特性曲线的数学表达式为：

4．等百分比流量特性

图1-4中“曲线4”为等百分比流量特性，也称为对数流量特性，它表示阀杆单位行程变化所导致的相对流量变化量与此点相对流量值成正比。具有该流量特性的阀门在小开度状态下，流量变化小，调节平稳缓和；而在大开度时，流量变化大，调节灵敏度高。因此，就调控性能进行对比，等百分比最优，也是调节阀中应用最广泛的一种特性。该特性曲线的数学表达式为：

1.2.2 阀门流量系数

流量系数为衡量阀门流通能力的关键参数，常用K_V表示，定义为阀门前后压差在10⁵Pa时，温度为5～40℃的水每小时通过阀门的立方米数，计算公式见式（1-6）。K_V值越大，表示流体的流通能力越好。国外也常采用C_V来表示流量系数，C_V和K_V所代表的含义完全相同，只是定义的单位上存在差别，在数值上C_V=1.16K_V。

式中 Q——体积流量（m³/h）；

ρ——流体密度（kg/m³）；

ΔP——阀门两端压差（10²Pa）。

上述流量系数的计算公式主要适用于不可压缩流体。然而，气体也是阀门内常出现的工作介质，一旦在阀门内流动的气体存在较大压缩性时，采用式（1-6）的计算公式就不合理了。为此，业界提出了基于膨胀系数法的可压缩气体流量系数计算公式^[5]。

当阀门的压差比X小于临界压差比X_T与比热比系数F_k的乘积时（X＜X_TF_k）即阀门内部流动为非阻塞流动，此时，流量系数计算公式为：

式中 Q_VN——气体标准体积流量（m³/h）；

p₁——阀门上游绝对压力（kPa）；

n_e——膨胀系数，用来校验气体流经阀门时密度变化的影响；

T_in——入口热力学温度（K）；

ρ_N——273.15K，1.013×10²kPa时的气体密度（kg/m³）；

Z——压缩系数；

X——压差比，大小为Δp/p₁；

当X≥X_TF_k时，阀门内部流动为阻塞流，即当阀前压力p₁保持不变，逐渐降低阀后压力，流量不会增加。在该状态下，流量系数计算公式为：

式中——气体的等熵指数。

1.2.3 阀门阻力系数

当流体流过阀门结构时，在阀门过流断面的节流作用下，阀门内部及其下游管道内部将存在一系列的涡流结构，进而引起流体流速的再分配，造成局部能量损失。工程上普遍采用阻力系数来描述流体在阀门处的损失情况^[5]，其数学表达式为：

式中 ζ——阻力系数；

γ——流体密度与基准流体（水）密度的比值，即相对密度；

——管道中流体介质的平均流速（m/s）。