船舶冷却水系统设计指导.docx

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船舶冷却水系统设计指导

船舶冷却水系统设计指导

编制大纲：

需要补充的内容：

1，水泵（定速离心泵，变频泵）；2，温控阀；3，节流孔板；4，热平衡计算的理论公式，温升热量水量公式；5，特殊案例的区分（温控阀，板冷，变频泵对整个冷却系统形式选定的影响；分离封闭式，高低温混流式，配置变频海水泵没有温控阀的中央式。

）6，利用目前的实船进行计算公式的验证，还有一些经验系数的反推导（特别是一些厂家自己的经验系数）7，膨胀水箱；8，补充开发设计需要的部分，参考《船舶管舾装设计工艺实用手册》

前言（目的）

以《船舶设计实用手册---轮机分册》---国防工业出版社为蓝本，将其中的冷却水系统做了进一步内容扩展和深化描述，提供给详细设计人员参考。

参考《船舶管舾装设计工艺实用手册》，补充一部分工程计算公式；

系统发展核心：

1，稳定调节；

2，节省能源，余热循环利用；

3，节省成本，替代方案的方式；

关键词：

将冷却水稳定可靠的输送到需要冷却的设备中：

这个可靠和稳定来源于几个参数：

稳定的压力，稳定的流量，稳定的温度，稳定的水质（这个水质包含化学成分稳定不结垢，物理成分稳定，极少气泡，气泡会影响热交换器的效率）

冷却水系统

1，冷却水系统的基本形式

冷却水系统的基本形式见表1，

冷却水系统

开式冷却水系统

闭式冷却水系统

常规冷却水系统

中央冷却水系统

混合式中央冷却水系统

独立式中央冷却水系统

自流式中央冷却水系统

混合式冷却水系统

注解：

（1），所谓开式和闭式冷却水系统是指柴油机本身冷却水系统而言。

开式系统是指柴油机本身直接用舷外海水或者江水冷却。

如今除江河小船之外，基本不采用开式系统。

海拖（海洋港口拖轮）还在使用海水直接冷却柴油机。

（潜在问题：

船内海水泄露，在与柴油机连接的弹性管配置不正确时容易出现，已有其他公司的海拖因为这个弹性管破裂造成沉船）

（2），在闭式系统中，柴油机是用淡水冷却，而淡水在经过热交换器用舷外水冷却。

这减少了对柴油机的腐蚀和对环境的污染，并提高了可靠性。

（3），为使主机以外的其他机械设备均用淡水，且用一个系统进行冷却，就形成中央冷却系统。

同时，若有部分设备单独用海水冷却，则称混合式冷却水系统。

（蒸汽货泵系统的真空冷凝器还在独立使用海水直接冷却）

（4），在柴油机的淡水冷却系统中，有高温水回路和低温水回路。

如采用高低温水的混合来调节参数，则属于混流式。

如高低温回路各自分开，则为独立式。

（5），在独立式中央冷却水系统中，高温水热交换器可以用低温淡水冷却（称为独立I型），高温水热交换器用海水冷却（称为独立II型）。

（6），在独立式中央冷却系统（I型）中，对某些船舶，他的中央冷却器也可以设计为用自流海水冷却（利用船舶航行的速度），这种称为自流式中央冷却系统。

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2，系统形式的选择；

对柴油机的冷却水系统形式，各柴油机制造厂都有规定和推荐（MAN和瓦锡兰机型多数在GUIDE指导文件内），设计时应按照厂商推荐的系统并考虑下列因素进行选择。

（1）低速柴油机的冷却水系统；

1）常规冷却水系统和中央冷却水系统均可选用，两种系统的优缺点对比见表2，船东，特别是大型航运公司，毫无例外选用中央冷却水系统。

出于效率，长期航运费用，常规维护都是极为有利的。

2）中央冷却系统中，基本推荐采用独立式中央冷却水系统（瓦锡兰的苏尔寿柴油机也有推荐采用混流式中央冷却水系统）。

独立式中央冷却水系统必须设置高温水冷却器，对高温水的调节比混流式稳定可靠。

3）对航速较高的集装箱船，船东提出或者经过与船东协商，可选用自流式中央冷却水系统，以进一步提高航行的经济性。

（2）中速柴油机的冷却系统

通常按照柴油制造厂的推荐系统进行设计。

大同小异，各个系列的柴油冷却系统各有特色。

大部分中速柴油机制造厂推荐的系统均为主机的中央冷却系统，同时为保证该系统完全符合预定要求，制造厂还能供应系统的附属设备（包含水泵，冷却器等）。

所推荐的系统中有混流式中央冷却水系统，也有独立式中央冷却水系统。

设计时必须符合柴油机制造厂的推荐系统。

（3）全船动力装置冷却水系统；

1）低速机动力装置：

a，常规冷却系统，除了为主机设置缸套淡水冷却泵，海水冷却泵；另外需要为辅助柴油机、空压机、空调、冷藏、大气冷凝器、真空冷凝器等装置配置海水泵；b，中央冷却系统，应设计成包括主机在内的整个动力装置的中央冷却水系统，所有设备均用淡水冷却，包括辅助柴油机、空压机、空调、冷藏、大气冷凝器、真空冷凝器等装置；（如今因为真空冷凝器只是在装货卸货时开启，使用频率较低，故设置真空冷凝器为独立的海水冷却，降低淡水冷却的系统负荷和成本）

2）中速机动力装置：

a，主机采用制造厂推荐的独立的中央冷却水系统，而辅助柴油机和其他机械设备用各自的冷却系统（案例：

半潜船，主机独立一套，辅助设备独立一套，各自分开）b，包括主机在内的所有机械设备设计成整套中央冷却水系统，（案例：

目前凝析油轮，所有设备采用统一的中央板冷，并且高低温混流，要点是平衡主机和辅助设备之间的水量和出口水压）

表2

常规冷却系统

中央冷却系统

优点

（1）主机仅需设置两套冷却水泵，海水冷却泵，缸套水冷却泵；

（2）管路系统简单；

（3）初始投资较低

（1）用海水冷却的冷却器仅需一套（1只，或者2只）

（2）其他冷却器均用淡水冷却，材料要求低，因而价格低；

（3）需要耐腐蚀的海水管路短；

（4）、冷却器维修量小；

（5）传热效果好；

缺点

（1）所有冷却器都用海水冷却，因此维修量大；

（2）需要另外配置其他机械设备用的海水冷却泵；

（3）需要耐腐蚀的海水管路长；

（1）有3个冷却回路，因而需要设置3套冷却水泵；海水冷却泵，低温水冷却泵，高温水冷却泵；

（2）初始投资高；

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3，冷却水系统实例；

手上的实船案例：

同样的系统有细微的差别

TORM11.4万吨：

独立式中央冷却水系统；OK

凝析油船：

混流式中央冷却水系统OK

5万吨半潜船：

分别独立式中央冷却水系统OK

HAFNIA75000（有发电机缸套水为主机停车暖缸）：

独立式中央冷却水系统

海工拖船：

直接海水冷却的系统；OK

海工船，中央冷却水系统OK

集装箱船；自流式冷却水系统

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4，中央冷却系统热平衡计算；

在初步热平衡计算之后，在中央板冷热交换功率和中央冷却水泵排量，主冷却海水泵排量理论值的基础上，按照规格书要求百分比的量进行订货。

（1）热平衡计算的基本公式（用于理论计算足够，这个阶段不用考虑系统的自然损失，把整个系统当成对外完全热绝缘）；

其中：

温升/温降

-度（℃）

热交换量H–千卡（kcal）

介质流量Q–千克/小时（kg/h）

介质比热C–千卡/千克*开（kcal/kg*k）

单位换算常数：

1kW=860kcal/h

淡水密度1000kg/m3

海水密度1025kg/m3

这个公式用于热平衡计算的总表格，属于理论计算。

（2）计算步骤，冷却系统形式确定后，需要进行热平衡计算。

步骤如下：

1）确定流程图；（或者是冷却系统流向图）

2）将主机及其他设备的已知参数输入流程图；

3）输入环境参数；（通常规格书定义的参数）

4）进行第一次预算，初步确定其余参数；

5）初步确定配套设备的规格；

6）由中央冷却制造厂进行详细设计（通常是板冷厂家计算），最终确定冷却器等配套设备的规格；对于中央板冷的污垢系数看规格书要求，通常设置在15%；

7）注意：

因为海水在温度上升时，盐析现象加重，为避免过快的盐析，板冷的海水出口计算温度通常选在44℃及以下。

（3）计算实例；（计划采用现有船型：

凝析油船）

（4）计算要点；

1）各个关键点的温度值选择：

需要控制中央板冷海水出口的温度防止盐析发生，盐析温度范围在50℃到55℃。

另，为了机械部件冷却热应力正常，柴油机的淡水进出口温差控制在10℃到15℃之间，具体以厂家指导文件为准。

2）主机及各机械设备的热交换量及冷却水流量可按照设备厂家规定。

3）轴系中间轴承的热交换量取主机功率的0.5%-1.0%。

4）海水温度32℃（除非规格书另外指定，或者有专门的冬季工况要求），低温冷却淡水温度为36℃（除非主机厂家有特殊要求，MAN机指导文件建议实际调试尽可能低）。

5）中央冷却器，海水冷却泵及低温淡水冷却泵的配置有几种方案，见表：

中央冷却器

海水冷却泵

低温淡水冷却泵

常用方案I

2X50%

3X50%

3X50%

常用方案II

2X100%

2X100%

2X100%

常用方案III

2X50%，或者1X100%

2X100%+1X停泊

或2X100%变速

或2X50%+1X50/100%变速

2X100%+1X停泊

注意：

变速泵因价格问题较贵，除非船东指定，船厂一般不做推荐。

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5，冷却水系统的主要设备配置要点

（1）冷却器

通常，在常规冷却系统中多采用管壳式冷却器（也有部分采用板式冷却器），而在中央冷却系统中则采用板式冷却器，但是自流式冷却器为管壳式。

其他设备中的冷却器（如齿轮箱滑油冷却器，大气冷凝器，制冷机组冷凝器等）均采用管壳式。

1）板式冷却器

船舶设计时通常由板式冷却器厂家对其进行计算和选型（板数，流动形式，阻力，液泵所需功率等）。

由于所选的板数，流动形式与液流阻力、所需液泵的功率有密切关系，而板数多少与价格相关，阻力大小影响营运费用，故此用户向板冷制造厂家提供有关参数（发热交换量，进出口参数，介质流量）后，制造厂有责任进行计算并作出最佳选择，然后交给设计部门和船厂认可。

对冷却介质为海水的板式冷却器，板材为钛合金。

而非海水则用不锈钢AISI316（AmericanIronandSteelInstitute）.

2）管壳式冷却器

通常，由该设备制造厂进行计算，选型（流向）。

但在估算冷却面积时可用下述公式

其中A–管壳式冷却器冷却面积（m2）

QW–热交换量（KW）

η–清洁系数（另称污垢系数）0.85-0.9

h–传热系数（W/m2*K）

对淡水冷却器h=3500-4000

对滑油冷却器h=256-410

对各个管壳式冷却器厂家来说，h的数值不同，可以用最终结果和系统参数反推厂家的h系数。

△t–对数平均温差（K），计算公式如下：

多数管壳式热交换器按照混合流设计，上述公式中：

t’1–被冷却介质出口温度（℃）

t’2–被冷却介质进口温度（℃）

t2–冷却介质出口温度（℃）

t1–冷却介质进口温度（℃）

△t也可以用其他公式计算：

t’1–被冷却介质进口温度（℃）

t’2–被冷却介质出口温度（℃）

t2–冷却介质进口温度（℃）

t1–冷却介质出口温度（℃）

（2）冷却水泵

1）对常规冷却系统，不论海水冷却泵，低温淡水冷却泵，高温淡水冷却泵均以1+1形式配置，即一台常用，一台备用。

2）对中央冷却系统，冷却水泵的配置见前表格。

（3）缸套水预热器

缸套水预热器可用蒸汽（有辅助锅炉），热水（可以用发电机缸套水），电等方式。

1）MAN低速机

要求缸套水出口温度最低为50℃，预热水量最少是10%缸套水冷却泵排量，加热器加热能力是主机L1点功率的1%。

在这种情况下能使主机缸套水在12H内升温35℃。

2）SULZER低速级

要求缸套水出口温度最少为60℃，预热水量为5%缸套水冷却泵排量。

对加热器的加热能力则与加热时间和环境温度有关。

预热时间一般为6H，环境温度40℃，加热能力为每缸9KW。

（4）膨胀水箱

闭式冷却系统均应设置膨胀水箱，安装在一定高度，用以保持冷却淡水泵吸入口正压头以及补充管路淡水泄露损失和热膨胀。

柴油机制造厂对各型柴油机所需要的膨胀水箱的容量和安装高度均有具体规定，设计系统时注意查阅厂家最新的指导书。

（5）海水箱（海底门）

1）至少需要设置两只海水箱，布置于两舷，且尽可能低；

2）对需要进入浅水道的船舶可增加一个高位海水箱；

3）仅用一个海水箱就能满足所有用水需求；

4）每个海水箱应设置空气管（根部安装截止阀），空气管口应伸出舱壁甲板，海水箱进水格栅上下的船体外板可开4个流沙和透气的小孔；

5）每只海水箱需要装设蒸汽和压缩空气冲洗管，对准格栅，压缩空气压力可为2-4bar；

6）海水箱内部应装置防腐蚀锌块；

7）有冰区加强入籍符号的船舶，海水箱要求见冰区的特殊要求；

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6，制淡装置（造水机）

（1）MAN低速机

1）实际可用热量计算

其中QJW–实际可用热量（KW）

QL1–L1点的缸套水热交换量（见主机说明书）（KW）

qJW%-SMCR点或优化点O的缸套水热交换量修正系数（见主机说明书）；

Kp–CSR时缸套水热交换量的修正系数（见主机说明书）；

0.87–考虑各种环境温度及主机设计的综合修正系数。

2）实际需要热量计算

当指定制淡量后，可求出实际需要的热量Q’JW

其中Q’JW–实际需要热量（KW）

M’jw–船舶建造规格书规定的制淡量（t/24H，吨每天）

0.03-转化系数。

实例：

5万吨半潜船，

主发电机2X8L32,3840X2=7680KW

造水18t/24h，实际需求热量540KW，对比功率占比540/7680=7.03%

估算数值是30KW产生一吨水，在设备订货估算时可用30KW到33KW产生1吨水来估算造水机。

（这个经验数值对于低速机和中速机一样适用，用于订货快速计算适用，当然还是需要公式来校验和厂家依据设备本身的性能进行校准）

3）制淡系统的设计

按照MAN的推荐，当Q’jw≤50%*QL1*qjw%时，制淡装置仅能在主机负荷50%以上时使用，当Q’jw＞50%*QL1*qjw%时，应在制淡装置缸套水出口处设置一温度控制阀。

（2）SULZER低速机设置

1）实际可用热量计算

其中Qjw–实际可用热量（KW）

QRX–在CMCR（即RX）点的缸套水热交换比率（见主机说明书）（W/kW）

NRX–CMCR点的功率（kW）

2）实际需要热量计算

依据指定的制淡量，可求出实际需要的热量Q’jw,

其中Q’JW–实际需要热量（KW）

M’jw–船舶建造规格书规定的制淡量（t/24H，吨每天）

0.032-转化系数。

3）制淡系统的设计

按照SELZER推荐，当Q’JW≤40%QJW时，仅能在主机负荷50%以上时使用；当Q’JW在实际可用热量的40%以上（最高只能到85%）时，应在缸套水进制淡装置处装设温度控制阀。

（3）造水机的安装问题：

设备厂家对造水机的安装，特别是将喷射泵组合在机体内的造水机的安装高度有范围限制，主要考虑喷射泵的排放背压问题。

如果机舱布置确实存在困难，需要在订货时向厂家提出，让厂家修改设备满足较高的排放背压。

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7，具有冰区航行船级符号船舶的冷却水系统特殊要求

（1）对具有漂流浮冰区加强符号的船舶（CCS/IceClassB,GL/E,LR/ID,DNV/ICE-C等）一般无特殊要求，但是：

1）入GL级的E级冰区加强应做到：

a.一只海水箱的进水口应尽可能位于船中心线上，并尽可能靠后；

b.机器装置的海水排出管，也应以同样管径接一路到海水箱顶部。

2）入DNV级的ICE-C级冰区加强的船舶，应做到：

a.一只海水箱应位于接近船中心线处，并尽量靠后；

b.至少一只海水箱有足够高度，以使冰积聚在泵吸口以上；

c.冷却海水排出管，也应以同样管径接一路到至少一只海水箱；

（2）对具有按照1985年芬兰-瑞典冰级规则的IC符号以上的船舶（CCS/IceClassB3以上，GL/E1以上，LR/IC以上，DNV/ICE-C以上），至少一只海水箱应符合以下要求；

1）海水箱的进口应尽可能位于接近船中心线处，且尽可能靠近船尾；

2）海水箱应有足够的高度，以使冰块积聚在泵吸口以上。

推荐为公式：

其中Hmin–海水箱最小高度（m）

Vs-海水箱容积，见以下表述“3）”（m3）

吸水口的位置应位于离海水箱顶1/3高度下。

3）海水箱应有足够大容积；每750KW发动机功率应配约1m3的海水箱容积（此处发动机功率为主机功率加上船舶营运所必须的副发动机功率）

4）海水箱海水进口格栅的流通面积不小于进水管截面积的4倍；

5）发动机冷却海水排出管也应以同样管径也应以同样管径接至海水箱顶部；

6）根据需要，海水箱上部可设有融冰加热盘管或蒸汽；

7）根据需要，可利用压载水作为冷却水；

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8，海水进水阀操纵位置的要求

依据SOLAS的要求，对周期无人值班的机器处所，海水进水阀的操纵位置应位于一定的高度。

其位置应使机舱因海水总管破损，而浸水后轮机员有足够的时间达到操纵位置进行海水阀的关闭操作。

为符合这个要求，需进行浸水计算，以确定操纵位置的高度。

此项要求已列入各船级社的审查范围。

各船级社具体要求是：

（1）浸水时间，DNV等船级社可以接受以10min进行计算，而LR等船级社则要求30min。

（2）浸水速率按照海水总管最大横截面的重力浸水；

（3）海水进水阀的操纵形式可以是手动式，也可以是电动式，液动式，气动式。

（4）具体的计算方法和步骤如下：

1）简单计算法；

a.先算出船级社要求的10min或30min的浸水量；

其中W–海水浸水量（m3）

T–浸水时间（10min或者30min）

A–海水总管最大横截面积（m2）

H0–夏季载重水线与海水总管的位差（m）

K–阀的流量系数（蝶阀为0.3）

b.按照机舱容积高度曲线，查出10min或者30min浸水量W的高度h

c.海水进水阀操纵位置的高度只需要等于大于h，一般在某个平台甲板上。

2）详细计算法

a.计算公式；

其中T–浸水时间（s秒）

W–在浸水时间T内的浸水量（m3）

S–海水总管最大横截面积（m2）

F–无因子浸水系数（0.62）

hf–在浸水时间T内机舱中浸水的高度（m）

H0–夏季载重水线与海水总管的位差（m）

b.根据上述公式，用逐次计算法算出时间，时间T与浸水量的关系曲线；

c.根据机舱的容积-高度曲线，查出10min或30min浸水的高度；

d.海水进水阀操纵位置的高度，应等于或大于上述计算高度；

上述两个公式均被船级社认可。

第一公式较为保守，在于简单。

第二公式较为正确。

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9，冷却水系统的温控阀；

对于整个冷却系统的方案考虑，系统动力源，热交换源头，还有调节手段对设备的配置影响很大。

例如：

在海水冷却泵是变频泵的时候，淡水侧的中央温控阀就可以不采用，因为同时布置两种温度调节措施对淡水侧的温度稳定不利。

如果在海水泵是定速离心泵时，淡水侧的中央需要配置三通温控阀。

在系统局部热量交换和调节方案需要参考主机厂家的推荐，MAN与瓦锡兰各有特色。

（1）MAN低速主机和中速机的组合方案大多是高低温物理分离的独立冷却方案，高低温各自有循环泵，热交换器，还有温控阀，好处在于易于调节和运行稳定。

（2）瓦锡兰的中速机组会采用高低温水混流调节的方案，没有专门的缸套水冷却器，高温水通过高低温混流阀来进行热量交换，属于物理混流手段，在混流点，部分低温水混入高温水，混流后降低温度的高温水回到机组缸套继续冷却，在混流点调节出去的高温水混入低温水经过热交换器冷却。

高低温混流调节的难点：

在于进入混流点之前的高低温水的压力对比，个人建议混流点之前的低温水压力要高出高温水压力，调节手段通过设置节流孔板产生压降，建议从0.1bar的压力降开始逐步调节。

（关于节流孔板的计算见后续章节）

（1）温控阀用到的一个基本计算公式：

热量，水量，温升/温降

公式

其中：

Q–吸收或交换的热量（J）

C–介质比热（J/kg）

M–介质质量（kg）

△T–温升/温降

注明；这个公式可以用于三通温控阀的水量分配计算；也可以用于冰区海底门的回水保温水量分配计算，此时将冰区海底门看做是一个大号的三通温控阀，通过控制回水的量来控制海底门的保温温度；

（2）温控阀的形式简介；（本节主要介绍三通型）

1）从动力形式分为：

电驱动和自力式

a．电力驱动：

驱动装置可以布置在阀体上部，或者下部；对于三通形式可以和厂家确认我们需要的阀盘初始位置，如果对于断电后的初始位置有强制归位要求，需要订货时和厂家明确，需要增加机械的蓄力装置帮助归位；

b．自力式：

阀盘是由温包内的液体的热胀冷缩来驱动的，因为温包初始容积较为固定，自力式的调节范围很窄，订货时需要和厂家确定温度调节的点来定上下浮动范围。

部分有独立温包探头厂家的产品在安装时对温包驱动装置的上下方位有严格要求，在生产设计时需要特别注意，例如舱柜加热的蒸汽二通温控阀，温包驱动头大多是在阀体下方，并且温包探头于阀体之间有长度要求，这个长度在确认图时需要注意选定。

有少数厂家的自力式三通温控阀，驱动温包和温包探头都集成在阀体内，例如瓦锡兰提供的高低温混流三通温控阀。

注意：

除非柴油机厂家坚持选用，在中央型系统中，在混流点的三通温控阀不选用全部内部集成形式的，它对温度调节的反应较为迟钝，而且受到中央系统内其他设备的工况影响。

但是可以用在分流点的三通温控阀选用，例如瓦锡兰机组内集成的分流三通温控阀。

（3）温控阀的流量和压力降：

因为各个厂家的专利形式不同，温控阀的内腔不同，所以各厂家的流量和压降曲线不同。

具体系统位置采用的温控阀对应的流量适用性和压降适用性需要向厂家询问，或者查询厂家提供的流量压降曲线。

但是基本确定的是随着阀体内流量的上升，温控阀产生的压力降也会上升。

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10，冷却水系统的节流孔板

（1）节流孔板的原理：

管道前后压差较大时，通常采用增加节流孔板的方式，原理是：

流体在管道中流动时，由于孔板的局部阻力，使得流体的压力降低，能量损耗，该现象在热力学上称为节流现象。

此方式比采用调节阀简单，但是必须选择得当，否则，液体容易产生汽蚀现象，影响管道的安全运行。

（2）汽蚀现象：

节流孔板的作用，就是在管道适当的地方将孔径变小，当液体流过缩口，流束会变细或收缩。

流束的最小横断面出现在实际缩口的下游，称为缩流断面。

在缩流断面处，流速是最大的，流速的增加伴随着缩流断面处压力的大大降低。

然后，当流束扩展进入更大的区域，流速下降，压力增加，但是下游的压力不会完全恢复到上游的压力，这是由于较大内部紊流和能量消耗的结果。

如果缩流断面处的压力pvc降到液体对应温度下的饱和蒸汽压力pv以下，流束中就有蒸汽和溶解在水中的气体逸出，形成蒸汽与气体混合的小气泡，压力越低气泡越多。

如果孔板下游的压力p2仍低于液体的饱和蒸汽压力，汽泡将在下游管道继续产生，液汽两相混合存在，这种现象就是闪蒸。

如果下游的压力恢复到高于液体的饱和蒸汽压力，汽泡在高压作用下，迅速凝结而破裂，在汽泡破裂的瞬间，产生局部空穴，高压水以极高的速度流向这些原本汽泡占有的空间，形成一个冲击力。

由于气泡中的气体和蒸汽来不及在瞬间全部溶解和凝结，在冲击力作用下又分成小汽泡，再被高压水压缩凝结，如此形成多次反复，并产生一种类似我们可以想象的砂石流过管道的噪音，此种现象称为空化。

管道材料表面在水击压力作用下，形成疲劳而遭到严重破坏。

我们把汽泡形成