壓力管路的水力計(jì)算

1、第5章 壓力管路的水力計(jì)算,壓力管路的水力計(jì)算,2,引 言,壓力管路：在一定壓差下，液流充滿全管的流動(dòng)管路。 壓力管路按照管路結(jié)構(gòu)可以分為： 簡(jiǎn)單管路：等徑無(wú)分支管路 復(fù)雜管路：串聯(lián)、并聯(lián)、分支及管網(wǎng)等 壓力管路按照能量比例大小分為：長(zhǎng)管和短管,壓力管路的水力計(jì)算,3,長(zhǎng)管：長(zhǎng)輸管線輸送距離比較遠(yuǎn)，兩端壓差比較大，局部阻力和流速水頭所占能量比例較小。和沿程水頭損失相比，流速水頭和局部水頭損失可以忽略的管路稱為長(zhǎng)管。有時(shí)近似取 。 能量方程變?yōu)椋o(wú)泵）： 記H0為作用水頭： 則有： 。表示了能量供給與能量損耗之間的平衡。 對(duì)于有泵情況：,壓力管路的水力計(jì)算,4,短管：泵站、庫(kù)內(nèi)管線總距離比較短，

2、分支較多，兩端壓差較小，并且有大量管子連接部件。和沿程水頭損失相比，流速水頭和局部水頭損失不可以忽略，稱之為短管。 作用水頭： i長(zhǎng)管、短管的劃分并不僅僅是由于管線的長(zhǎng)短，更重要在于從能量的角度考察比動(dòng)能和局部水頭損失的比例。,壓力管路的水力計(jì)算,5,主要內(nèi)容,長(zhǎng)管水力計(jì)算,短管水力計(jì)算,孔口管嘴出流,第5章 壓力管路的水力計(jì)算,管路特性曲線,壓力管路的水力計(jì)算,6,定義：水頭損失與流量的關(guān)系曲線稱為管路的特性曲線。 其中： 把 代入上式得： 可見(jiàn)：水頭損失與流量成平方指數(shù)關(guān)系。,5.1 管路特性曲線,壓力管路的水力計(jì)算,7,管路特性曲線是管路能量平衡（能量供給=能量消耗）的直觀反映。 對(duì)于給

3、定管路，其特性曲線一定。 如：對(duì)于長(zhǎng)管無(wú)泵和有泵兩種情況，管路特性曲線如下圖： 管路特性曲線對(duì)于確定泵的工況以及自由泄流工況有重要應(yīng)用價(jià)值。,壓力管路的水力計(jì)算,8,5.2 長(zhǎng)管的水力計(jì)算,一、簡(jiǎn)單長(zhǎng)管 定義：由許多管徑相同的管子組成的長(zhǎng)輸管路，且沿程損失較大、局部損失較小，計(jì)算時(shí)可忽略局部損失和流速水頭。 計(jì)算公式：簡(jiǎn)單長(zhǎng)管計(jì)算一般涉及公式：,壓力管路的水力計(jì)算,9,為計(jì)算方便，將 代入hf 的計(jì)算公式 ，得到一種更常用的公式： 。 層流流態(tài)： 即： 4.15，m1 紊流流態(tài)水力光滑區(qū)： 即： 0.0246，m0.25,壓力管路的水力計(jì)算,10,紊流流態(tài)混合摩擦區(qū)（大慶設(shè)計(jì)院推薦公式）： 其

4、中： 即： 0.0802A，m0.123 紊流流態(tài)水力粗糙區(qū)： 即： 0.0826，m0,壓力管路的水力計(jì)算,11,長(zhǎng)輸管道沿程阻力的計(jì)算公式為： 對(duì)于不同的流態(tài)， 和 m 的取值見(jiàn)下表：,壓力管路的水力計(jì)算,12,3、簡(jiǎn)單長(zhǎng)管的三類計(jì)算問(wèn)題 第一類問(wèn)題： 已知：Q ，z ，d，L，求：hf ，p 分析：,Q,V,確定流態(tài),掌握,用于管線初步或正式設(shè)計(jì)計(jì)算。常需要計(jì)算幾種不同油品或幾種不同輸量時(shí)的壓降或水頭損失，繪成管路特性曲線，為選泵做準(zhǔn)備。,壓力管路的水力計(jì)算,13,第二類問(wèn)題： 已知： p ，z ，d，L，求：Q 分析：,Q,V,確定流態(tài),？,？,？,假設(shè)流態(tài)法、試算法或繪圖法,在既有設(shè)

5、備能力下，做管線設(shè)計(jì)或校核。,壓力管路的水力計(jì)算,14,假設(shè)流態(tài)法： 先假設(shè)一流態(tài)，取， m值，計(jì)算： 驗(yàn)證假設(shè)： 如由 Q 及Re 得出的流態(tài)和假設(shè)流態(tài)一致，則 Q 為所求Q； 如由 Q 及Re 得出的流態(tài)和假設(shè)流態(tài)不一致，則重新假設(shè)流態(tài)，重復(fù)計(jì)算。,Q ,V ,校核流態(tài),壓力管路的水力計(jì)算,15,試算法： 設(shè)定Q1，解得hf1。判斷：若hf1 hf，則減小流量，取Q2 Q1，重新計(jì)算。循環(huán)往復(fù)，直至hfnhf，停止計(jì)算。,繪圖法： 按第一類問(wèn)題的計(jì)算方法，選取足夠多Q，算出 hf值，然后繪制圖形。使用時(shí)由 hf 查找 Q 即可。,壓力管路的水力計(jì)算,16,第三類問(wèn)題： 已知： Q，p，z，

6、L，求： 經(jīng)濟(jì)管徑d 經(jīng)濟(jì)管徑計(jì)算：其一，d，材料費(fèi)，施工費(fèi)；其二，d，動(dòng)力費(fèi)用，設(shè)備（泵）費(fèi)。如何解決這一矛盾，正是一個(gè)管徑優(yōu)選問(wèn)題。 分析：,Q,V,確定流態(tài),？,？,？,一般用于管道初步設(shè)計(jì)。,壓力管路的水力計(jì)算,17,二、長(zhǎng)管的串聯(lián)和并聯(lián),1、串聯(lián)管路 定義：由不同管徑的管道依次連接而成的管路。 應(yīng)用實(shí)例：輸水干線、集油干線,壓力管路的水力計(jì)算,18,水力特性： a、各聯(lián)結(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)）處流量出入平衡，即進(jìn)入節(jié)點(diǎn)的總流量等于流出節(jié)點(diǎn)的總流量: （設(shè)流量流進(jìn)節(jié)點(diǎn)為正，流出為負(fù)）。它反映了質(zhì)量守恒的連續(xù)性原理。 b、全線水頭損失為各分段水頭損失之和，即： 它反映了能量守恒原理。,壓力管路的水力

7、計(jì)算,19,2、并聯(lián)管路 定義：兩條以上的管路在同一處分離，后又在同一處匯合。,壓力管路的水力計(jì)算,20,水力特征： a、進(jìn)入各并聯(lián)管的總流量等于流出各并聯(lián)管的總流量之和，即： b、不同并聯(lián)管段AB，單位重量液體的能量損失相同，即：,壓力管路的水力計(jì)算,21,3、串、并聯(lián)管路的水力計(jì)算 串聯(lián)管路通常屬于長(zhǎng)管計(jì)算的第一類問(wèn)題，例如： 已知：Q，求：hf 分析：根據(jù)串聯(lián)管路水力特性求解全管路的沿程水頭損失hf。 并聯(lián)管路通常屬于長(zhǎng)管計(jì)算第二類問(wèn)題，例如： 已知：hf，求：各管路Q 分析：根據(jù)并聯(lián)管路水力特性解決流量Q的分配問(wèn)題。,掌握,壓力管路的水力計(jì)算,22,4、串、并聯(lián)管路的水力意義在長(zhǎng)輸管線

8、上的應(yīng)用 在已建成的長(zhǎng)輸管線上，增設(shè)串聯(lián)變徑管或者并聯(lián)副管可以增加管路輸送量、延長(zhǎng)管路輸送距離，或者爬過(guò)地形的翻越高點(diǎn)。 通常，副管與主管的直徑相同，變徑管直徑大于主管。 下面以自由泄流情況為例，通過(guò)繪制管路總水頭線分別進(jìn)行說(shuō)明。,壓力管路的水力計(jì)算,23,1). 給定管路流量Q，在已建成的長(zhǎng)輸管線AB段增設(shè)并聯(lián)副管可以延長(zhǎng)管路的輸送距離。 并聯(lián)副管后，主管AB段Q （） ，v （） ，hf （） ， 即：hfO-B hf。則：作用水頭H仍有部分能量剩余，可供給管中水流繼續(xù)前進(jìn)一段距離至C點(diǎn)。,未設(shè)副管前,A,B,hf,hfO-B,C,hfO-A,增設(shè)副管后,O,壓力管路的水力計(jì)算,24,2)

9、. 在已建成的長(zhǎng)輸管線AB段增設(shè)并聯(lián)副管可以增加管路輸送量。 并聯(lián)副管且增加流量后，主管OA段Q（），hfO-A（）；主管AB段經(jīng)過(guò)副管分流，可能Q（）， hfA-B（） 。最終仍可能滿足hfO-B =hf。確保管路正常運(yùn)行。,未增流量前,A,B,hf,hfO-A,增加流量后,hfO-B,O,壓力管路的水力計(jì)算,25,3). 給定管路流量Q，在已建成的長(zhǎng)輸管線AB段改設(shè)串聯(lián)變徑管可以延長(zhǎng)管路的輸送距離。 串聯(lián)變徑管后，主管AB段d（），v （） ，hf （） ， 即：hfO-B hf。則：作用水頭H仍有部分能量剩余，可供給管中水流繼續(xù)前進(jìn)一段距離至C點(diǎn)。,hf,hfO-B,C,O,A,B,未設(shè)

10、變徑管前,hfO-A,設(shè)變徑管后,壓力管路的水力計(jì)算,26,4). 在已建成的長(zhǎng)輸管線AB段改設(shè)串聯(lián)變徑管可以增加管路輸送量。 串聯(lián)變徑管且增加流量后，主管OA段Q（），hfO-A（）；主管AB段經(jīng)過(guò)變徑管， d（），v （），hfA-B（） 。最終仍可能滿足hfO-B=hf。確保管路正常運(yùn)行。,hf,O,A,B,未增流量前,hfO-B,hfO-A,增加流量后,壓力管路的水力計(jì)算,27,5). 在已建成的長(zhǎng)輸管線上改設(shè)串聯(lián)變徑管或并聯(lián)副管以翻越高點(diǎn)。 串聯(lián)變徑或加副管后，Q（不變），OA段hfO-A（不變）；主管AB段經(jīng)過(guò)變徑管或加副管， d（），v （），hfA-B（） 。在所需壓頭不大的情

11、況下，采用此辦法可使管線內(nèi)液體具有翻閱高點(diǎn)的水頭。,H,O,C,A,B,壓力管路的水力計(jì)算,28,5、串、并聯(lián)管路的管路特性曲線 已知單管路1、2的管路特性曲線，根據(jù)串、并聯(lián)管路的水力特性有：,1,2,1,2,壓力管路的水力計(jì)算,29,水力特性： 各節(jié)點(diǎn)處流量平衡： 沿一條干線上總水頭損失為各點(diǎn)水頭損失之和：,三、分支管路,定義：各支管只在流體入口或出口處連接在一起，而另一端分開(kāi)不相連接的管路。,壓力管路的水力計(jì)算,30,5.3 短管的水力計(jì)算,掌握,許多室內(nèi)管線，集油站及壓水站內(nèi)管線管件較多，屬于短管。 在短管的水力計(jì)算中，必須考慮局部水頭損失以及流速水頭。 一、綜合阻力系數(shù) 根據(jù)伯努利方程

12、，有： 其中管路水頭損失： 可記為： 。c 稱為綜合阻力系數(shù)。,壓力管路的水力計(jì)算,31,已知：如圖所示短管，大直徑管段：直徑d1，長(zhǎng)l1，小直徑管段：直徑d2，長(zhǎng)l2，孔板直徑d，各局部管件阻力系數(shù)如下： 大閘頭：1 孔板： 2 大小頭： 3 彎頭：4、5、6 小閘門(mén)： 7 求：全管路的總水頭損失,v w,例,壓力管路的水力計(jì)算,32,解：,以出口速度作為標(biāo)準(zhǔn)，把其它速度化成出口速度表示的形式。,（c 即為綜合阻力系數(shù)）,壓力管路的水力計(jì)算,33,二、短管實(shí)用計(jì)算通式 由1、2斷面的伯努利方程，有： 記作用水頭： 則有： 得： 為流量系數(shù)。,壓力管路的水力計(jì)算,34,5.4 孔口和管嘴泄流,

13、中心內(nèi)容： 孔口、管嘴流量計(jì)算公式 分析依據(jù)： 連續(xù)性方程 伯努利方程 基本概念 自流管路：完全靠自然位差獲得能量來(lái)源輸送或排泄液體的管路。 孔口：儲(chǔ)液罐壁或底部打開(kāi)的小孔。 管嘴：在孔口處接出短管。,掌握,壓力管路的水力計(jì)算,35,H,d,H,c,c,d,相同孔口直徑d、相同作用水頭H條件下，孔口、管嘴哪種方式泄流量大？,孔口 管嘴,0,0,壓力管路的水力計(jì)算,36,分類： 自由出流流體流經(jīng)孔口直接泄入大氣 淹沒(méi)出流流體流經(jīng)孔口進(jìn)入另一充滿流體的空間 界定條件： 定水頭固定作用水頭H，穩(wěn)定流（定常流） 薄壁孔口為銳緣，液體與孔口周圍只有線接觸 圓形小孔口孔口直徑 （自由）或 （淹沒(méi)）,一、孔

14、口泄流,壓力管路的水力計(jì)算,37,泄流特點(diǎn)： 孔口出流速度認(rèn)為均勻分布 由于流線具有不能折轉(zhuǎn)的特性，形成收縮斷面cc，收縮斷面距出口約為d/2。記： 為斷面收縮系數(shù)。,1、孔口自由出流,H,c,c,0,0,dc,p0,壓力管路的水力計(jì)算,38,流量計(jì)算公式： 取00 、 cc 斷面列伯努利方程，以表壓計(jì)算，則有： 作用水頭： 為流速系數(shù),壓力管路的水力計(jì)算,39,因此，孔口泄流計(jì)算公式如下： 其中： 為流量系數(shù) i 通常對(duì)于液池，有： i 若左端液池敞口于大氣中，則： 若液池封閉，則：,壓力管路的水力計(jì)算,40,i 為理論流速，孔口泄流的實(shí)際流量為： 。其中，流量系數(shù)： i實(shí)驗(yàn)證明： i對(duì)于理

15、想流體：,壓力管路的水力計(jì)算,41,2、孔口淹沒(méi)出流,H1,d,1,1,p1,H2,2,2,p2,壓力管路的水力計(jì)算,42,流量計(jì)算公式： 取11 、22 斷面列伯努利方程，以表壓計(jì)算，則有： i 通常對(duì)于液池，有： i 若兩端液池敞口于大氣中，則： 若液池封閉，則： i 流動(dòng)阻力包括孔口斷面收縮以及收縮后再擴(kuò)大兩部分局部阻力：,壓力管路的水力計(jì)算,43,因此，對(duì)于敞口淹沒(méi)孔口出流，有： 實(shí)驗(yàn)證明：各系數(shù)取值與自由出流相同。,壓力管路的水力計(jì)算,44,標(biāo)準(zhǔn)圓柱型管嘴：自孔口接出一短管，直徑與孔口直徑d相等，長(zhǎng)度 l（34）d。,二、管嘴泄流,c,c,l=(34) d,d,H,c,c,d,1,1

16、,0,0,l,p0,壓力管路的水力計(jì)算,45,泄流特點(diǎn)： 流體在管嘴內(nèi)部先收縮，再擴(kuò)張充滿全管，最后封住管口均勻泄出。與孔口出流的流態(tài)不同。 管嘴出流過(guò)程中，應(yīng)考慮流體收縮后再擴(kuò)大的局部水頭損失以及l(fā)長(zhǎng)度管嘴的沿程水頭損失。 管嘴的分類： 圓柱型管嘴（內(nèi)伸或外伸） 圓錐型管嘴（收縮或擴(kuò)張） 流線型管嘴,壓力管路的水力計(jì)算,46,1、管嘴自由出流,流量計(jì)算公式： 取00 、11 斷面列伯努利方程，以表壓計(jì)算，則有： i 流動(dòng)阻力包括孔口斷面收縮、收縮后再擴(kuò)大兩部分局部水頭損失以及沿程水頭損失。記為： 則：,c,c,l,p0,壓力管路的水力計(jì)算,47,以上公式適用于所有類型管嘴，流速及流量系數(shù)查表

17、5-4。,壓力管路的水力計(jì)算,48,2、管嘴淹沒(méi)出流,流量計(jì)算公式：,損失增加一項(xiàng)：管嘴到液池?cái)嗝嫱蝗粩U(kuò)大的局部水頭損失 各系數(shù)取值與自由泄流相同。,壓力管路的水力計(jì)算,49,三、孔口、管嘴的流量比較,對(duì)于孔口、管嘴出流，相同作用水頭H0、相同孔口直徑d條件下，流量計(jì)算公式為： 對(duì)于孔口： 對(duì)于管嘴： 因此：,壓力管路的水力計(jì)算,50,在孔口處接上管嘴后，流體發(fā)生內(nèi)部收縮。在收縮斷面cc處， 液流帶走一部分氣體形成真空（負(fù)壓），產(chǎn)生抽吸作用。真空抽吸高度可達(dá) 。相當(dāng)于在 0c 斷面之間增加了一個(gè)0.75H的作用水頭，導(dǎo)致管嘴出流量增加。,管嘴流量大于孔口流量，為什么？,壓力管路的水力計(jì)算,51

18、,證明：,取0c 列伯努利方程，取絕對(duì)壓力計(jì)算： 由于： ，可得：,c,c,d,1,1,0,0,l,p0,壓力管路的水力計(jì)算,52,管嘴的正常工作條件： 為避免水體汽化（導(dǎo)致管路空化空蝕），要求管內(nèi)最大真空度不超過(guò)7mH2o。即： 管嘴長(zhǎng)度滿足： l（34）d 管嘴過(guò)短，液流收縮后不能充分?jǐn)U張，形不成滿管管嘴出流；另，真空點(diǎn)不宜距管嘴出口過(guò)近。 管嘴過(guò)長(zhǎng)，增加沿程水頭損失，達(dá)不到管嘴增加出流量的目的。,說(shuō)明：,壓力管路的水力計(jì)算,53,水從封閉水箱上部直徑d1=30mm的孔口流至下部，然后經(jīng)d2=20mm的圓柱形管嘴排向大氣。流動(dòng)恒定后，水深h1=2m，h2=3m，水箱上壓力計(jì)讀數(shù)為4.9MPa（表壓）。設(shè)為穩(wěn)定流，孔口、管嘴流量系數(shù)： 。 求流量Q和壓強(qiáng)p2。,v w,例,，,壓力管路的水力計(jì)算,54,解：對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)，應(yīng)滿足流量守恒：Q =Q1（孔口）=Q2（管嘴）,壓力管路的水力計(jì)算,55,水從封閉的立式容器