管道水力學原理

1、第四章第四章 管道水力學原理管道水力學原理第一節(jié)第一節(jié) 管道水流及其能量管道水流及其能量管道水流管道水流 在水力學中，指管道橫斷面為圓形、水完全充滿管道在水力學中，指管道橫斷面為圓形、水完全充滿管道并具有一定壓力的管道水流。并具有一定壓力的管道水流。 管道橫斷面上的平均流速：管道橫斷面上的平均流速：二二. 管道水流流態(tài)管道水流流態(tài)管道中流動的水分為管道中流動的水分為層流層流和和紊流紊流兩種流態(tài)。兩種流態(tài)。層流層流：當管道流速較小時，流體中液體質點彼此互不混雜，：當管道流速較小時，流體中液體質點彼此互不混雜，質點運動軌跡呈有條不紊的線狀形態(tài)的流動。流體質點沿質點運動軌跡呈有條不紊的線狀形態(tài)的流動

2、。流體質點沿著與管軸平行的方向作平滑直線運動。著與管軸平行的方向作平滑直線運動。紊流：紊流：速度、壓強等流動要素隨時間和空間作隨機變化，質速度、壓強等流動要素隨時間和空間作隨機變化，質點軌跡曲折雜亂、互相混摻的流體運動。點軌跡曲折雜亂、互相混摻的流體運動。 由層流過渡到紊流與管道直徑、管內流速、液體密度和液體由層流過渡到紊流與管道直徑、管內流速、液體密度和液體黏滯性有關。黏滯性越小，越容易發(fā)生紊流。黏滯性有關。黏滯性越小，越容易發(fā)生紊流。黏滯性：黏滯性：流體企圖阻止外力作用下流體流動的特性。雷諾數（雷諾數（renolds number) re: 用來表征流體流動情況的無量綱數黏滯系數 與密度、

3、溫度有關管道內徑平均流速層流時，管道橫斷面上各點的流速分布是拋物面，斷面平均流速是最大點流速的一半。紊流時，管道橫斷面上各點的流速分布趨于均勻，呈對數曲線的旋轉曲面。管道中流動水流產生能量損失：管道中流動水流產生能量損失： 水流與管壁摩擦水流與管壁摩擦 管壁粗糙度、管壁附近的流速管壁粗糙度、管壁附近的流速變化梯度。相同流量條件下，紊流的流速梯度比變化梯度。相同流量條件下，紊流的流速梯度比層流大。層流大。 水流內部作用的黏性水流內部作用的黏性。三三. 管道水流的基本規(guī)律管道水流的基本規(guī)律連續(xù)性原理連續(xù)性原理 在單位時間內通過通道上任何截面的流體質量都是相等的。在單位時間內通過通道上任何截面的流體

4、質量都是相等的。 根據質量守恒原理得到的。根據質量守恒原理得到的。截面窄，流體的流速快，截面寬，流體的流速慢。窄水流快，路面窄風速大。2. 能量守恒原理能量守恒原理 兩個斷面之間流入的能量一定等于流出的能量。兩個斷面之間流入的能量一定等于流出的能量。 管道中流動的水流有：動能、勢能（重力勢能）和壓管道中流動的水流有：動能、勢能（重力勢能）和壓能（壓力勢能）。能（壓力勢能）。 水頭水頭：能頭，用幾何高度表示能量的大小。：能頭，用幾何高度表示能量的大小。 具有長度單位。具有長度單位。 動能動能 水流運動；勢能水流運動；勢能 位置高度；位置高度； 壓能壓能 管道斷面壓強管道斷面壓強 斷面總水頭：斷面

5、總水頭：總機械能，總機械能，3種能量水頭的和。種能量水頭的和。摩擦和紊動消耗部分能量，導致能量損失 水頭損失水頭第1斷面 第2斷面水流 能量高的斷面 低的斷面能量方程（伯努利方程）：能量方程（伯努利方程）：第二節(jié)第二節(jié) 水頭損失與計算水頭損失與計算水頭損失及分類水頭損失及分類 單位重量液體機械能的損失。單位重量液體機械能的損失。水頭損失水頭損失沿程水頭損失沿程水頭損失 水流邊界形狀和大小沿程不變，水流在長且直的流段中發(fā)生的水頭損失。hf表示。單位長度上損失相等，與管道長度成正比。局部水頭損失局部水頭損失 水流邊界形狀或大小沿流程急劇變化所產生的水頭損失。hj水流流經整個流程的水頭損失：水流流經

6、整個流程的水頭損失：沿程水頭損失計算理論沿程水頭損失計算理論管道沿程水頭損失計算基本公式管道沿程水頭損失計算基本公式 （達西（達西-威斯巴赫公式）威斯巴赫公式）計算管流的雷諾數 流態(tài) 選用沿程阻力系數計算公式。2. 層流的沿程阻力系數層流的沿程阻力系數re 2000時時 紊流：速度和雷諾數變化范圍大，紊流：速度和雷諾數變化范圍大，較小雷諾數和較大雷諾數時的沿程阻力系數不同，較小雷諾數和較大雷諾數時的沿程阻力系數不同，需分區(qū)計算。需分區(qū)計算。根據管壁粗糙度是否對水流影響，將紊流分為根據管壁粗糙度是否對水流影響，將紊流分為紊紊流光滑區(qū)流光滑區(qū)、紊流過渡區(qū)紊流過渡區(qū)、紊流粗糙區(qū)紊流粗糙區(qū)（阻力平方（

7、阻力平方區(qū)）。區(qū)）。 紊流光滑區(qū)紊流光滑區(qū)re 2000后，管道水流流態(tài)為后，管道水流流態(tài)為 紊流，但靠近管紊流，但靠近管壁極薄的一層水仍為層流，該層稱壁極薄的一層水仍為層流，該層稱黏性底層黏性底層，其，其厚度隨雷諾數的增大而減少。厚度隨雷諾數的增大而減少。 2000 4000 時，層流向紊流過渡，沿程阻時，層流向紊流過渡，沿程阻力系數僅與雷諾數有關，與相對光滑度無關。力系數僅與雷諾數有關，與相對光滑度無關。re 4000 時，時， 流態(tài)進入紊流，但雷諾數相對較流態(tài)進入紊流，但雷諾數相對較小，黏性底層較厚，足夠淹沒管壁粗糙度。小，黏性底層較厚，足夠淹沒管壁粗糙度。此時的水流實際上是在水光滑的館

8、內流動。沿程此時的水流實際上是在水光滑的館內流動。沿程阻力系數僅與雷諾數有關，與管壁粗糙度無關。阻力系數僅與雷諾數有關，與管壁粗糙度無關。紊流平滑區(qū)的沿程阻力系數計算公式：紊流平滑區(qū)的沿程阻力系數計算公式：適用于適用于re105的紊流平滑區(qū)的紊流平滑區(qū)紊流過渡區(qū)紊流過渡區(qū) 隨著雷諾數的增大，黏性底層厚度相對減薄，隨著雷諾數的增大，黏性底層厚度相對減薄，以致不能淹沒管壁粗糙度。沿程阻力系數不僅與雷以致不能淹沒管壁粗糙度。沿程阻力系數不僅與雷諾數有關，而且與管壁粗糙度有關。用可里布魯克諾數有關，而且與管壁粗糙度有關。用可里布魯克(colebrook)公式計算：公式計算：紊流粗糙區(qū)紊流粗糙區(qū) 當雷諾

9、數繼續(xù)增大，黏性底層繼續(xù)變薄，紊流當雷諾數繼續(xù)增大，黏性底層繼續(xù)變薄，紊流繞過壁面突出高度時已形成小漩渦，此時管壁粗糙繞過壁面突出高度時已形成小漩渦，此時管壁粗糙度對沿程阻力系數起主要作用，與雷諾數無關。度對沿程阻力系數起主要作用，與雷諾數無關。三. 沿程水頭損失計算經驗公式沿程水頭損失計算經驗公式 布拉休斯公式計算塑料管道沿程水頭損失布拉休斯公式計算塑料管道沿程水頭損失 多數塑料管道的流態(tài)屬于紊流光滑區(qū)多數塑料管道的流態(tài)屬于紊流光滑區(qū)：s管道的比阻率或比阻抗2. 哈森哈森-威廉斯公式計算沿程水頭損失威廉斯公式計算沿程水頭損失 適于較大的管道適于較大的管道(d5cm)，適中的流速（，適中的流速

10、（3m/s）c沿程摩擦系數四四. 局部水頭損失計算局部水頭損失計算計算原理計算原理 在管道系統(tǒng)中通常裝有閥門、彎管、變截面管等局在管道系統(tǒng)中通常裝有閥門、彎管、變截面管等局部裝置。流體流經這些局部裝置時流速將重新分布，部裝置。流體流經這些局部裝置時流速將重新分布，流體質點與質點及與局部裝置之間發(fā)生碰撞、產生流體質點與質點及與局部裝置之間發(fā)生碰撞、產生漩渦，使流體的流動受到阻礙，由于這種阻礙是發(fā)漩渦，使流體的流動受到阻礙，由于這種阻礙是發(fā)生在局部的急變流動區(qū)段，所以稱為生在局部的急變流動區(qū)段，所以稱為局部阻力局部阻力。流。流體為克服局部阻力所損失的能量，稱為體為克服局部阻力所損失的能量，稱為局部

11、損失局部損失。邊界與水流流線越吻合,對水流干擾越小局部損失與流速水頭成正比局部損失與流速水頭成正比: :在工程實際中，絕大多數管道系統(tǒng)是由許多等直管段和在工程實際中，絕大多數管道系統(tǒng)是由許多等直管段和一些管道附件連接在一起所組成的，所以在一個管道系一些管道附件連接在一起所組成的，所以在一個管道系統(tǒng)中，統(tǒng)中，既有沿程損失又有局部損失既有沿程損失又有局部損失。沿程阻力和局部阻。沿程阻力和局部阻力二者之和稱為力二者之和稱為總阻力總阻力，沿程損失和局部損失二者之和，沿程損失和局部損失二者之和稱為稱為總能量損失總能量損失。總能量損失應等于各段沿程損失和局。總能量損失應等于各段沿程損失和局部損失的總和部損

12、失的總和 能量損失的疊加原理能量損失的疊加原理2. 部分管道連接部位的局部阻力系數部分管道連接部位的局部阻力系數 絕大多數的局部水頭損失要通過實驗確定，絕大多數的局部水頭損失要通過實驗確定，因此計算中必須參照現有的局部水頭損失計因此計算中必須參照現有的局部水頭損失計算圖表。算圖表。 不同管道進口形式的局部阻力系數不同管道進口形式的局部阻力系數0.51.0=0.5+033cosa + 0.2cos2a0.04管道斷面突然減少與擴大管道斷面突然減少與擴大管道斷面突然減少或擴大：管道斷面突然減少或擴大：突然擴大的局部水頭損失等于兩個斷面流速差的流速水頭。管道斷面漸變小或擴大：管道斷面漸變小或擴大：管

13、道轉彎管道轉彎轉彎角度為轉彎角度為90并光滑地轉并光滑地轉彎，局部阻力系數與管道轉彎，局部阻力系數與管道轉彎半徑與管道直徑的比值有彎半徑與管道直徑的比值有關關管道分叉管道分叉管道閘閥管道閘閥閘閥的局部損失比較大，取決于閘閥類型和開度。閘閥的局部損失比較大，取決于閘閥類型和開度。d0閘閥內徑， h開度第三節(jié)第三節(jié) 串聯(lián)和分支管道水力計算串聯(lián)和分支管道水力計算一一. 串聯(lián)管道水力計算串聯(lián)管道水力計算 管道流量管道流量串聯(lián)管道串聯(lián)管道: 具有不同管徑具有不同管徑、不同流量和不同管長的管段不同流量和不同管長的管段相互串聯(lián)起來的管道。相互連接點為節(jié)點，節(jié)點上相互串聯(lián)起來的管道。相互連接點為節(jié)點，節(jié)點上可

14、以有分流。草坪灌溉系統(tǒng)中比較典型的串聯(lián)灌溉可以有分流。草坪灌溉系統(tǒng)中比較典型的串聯(lián)灌溉單元如下，一個節(jié)點就是一個噴頭。單元如下，一個節(jié)點就是一個噴頭。2 管道直徑管道直徑確定噴灌系統(tǒng)中各級管道的直徑確定噴灌系統(tǒng)中各級管道的直徑 管網設計的主要管網設計的主要任務任務. 根據確定的管道材料和相應的管道規(guī)格標準，參考根據確定的管道材料和相應的管道規(guī)格標準，參考各種管材和管徑的適宜流速，初步擬定管道直徑；各種管材和管徑的適宜流速，初步擬定管道直徑； 通過水頭損失計算校驗初步擬定直徑的合理性；通過水頭損失計算校驗初步擬定直徑的合理性； 存在明顯不合理，反復調整計算。存在明顯不合理，反復調整計算。pvc塑

15、料管道的適宜流速為塑料管道的適宜流速為0.5-2.0m/s，管徑初步計，管徑初步計算：算：根據管道流量選擇適宜的管徑pvc管道直徑、流量與流速的關系管道直徑、流量與流速的關系3 水頭損失水頭損失 管道長度依據管道布置確定。確定了管段流量、管道管道長度依據管道布置確定。確定了管段流量、管道直徑后，應用管道水頭損失計算公式可以計算噴灌單直徑后，應用管道水頭損失計算公式可以計算噴灌單元的水頭損失。不同類型的噴灌單元，沿程水頭損失元的水頭損失。不同類型的噴灌單元，沿程水頭損失的計算有所不同。對于串聯(lián)管道，從進口到末端的沿的計算有所不同。對于串聯(lián)管道，從進口到末端的沿程水頭損失是各段沿程損失的和。程水頭

16、損失是各段沿程損失的和。局部損失計算局部損失計算 可根據管道布置情況進行逐個計算，包括可根據管道布置情況進行逐個計算，包括 閘閥閘閥、三通三通、彎道彎道、噴頭噴頭、提升管的管件處的局部損失。提升管的管件處的局部損失。 也可根據管道布置和特點，按局部損失占沿程也可根據管道布置和特點，按局部損失占沿程損損失的一個百分比估算，一般為失的一個百分比估算，一般為10%-15%。4 壓力分布壓力分布 計算了噴灌單元總水頭損失后，水平鋪設的單元進口計算了噴灌單元總水頭損失后，水平鋪設的單元進口所需要的工作壓力就是：所需要的工作壓力就是：管道上任意一點的壓力水頭為：管道上任意一點的壓力水頭為：各點的壓力水頭數

17、據繪在管線圖上并連接起來各點的壓力水頭數據繪在管線圖上并連接起來 管道的壓力水頭分布圖管道的壓力水頭分布圖5 壓力變化與流量變化的關系壓力變化與流量變化的關系 噴頭位置影響噴頭的實際工作壓力，離進口近則大。噴頭位置影響噴頭的實際工作壓力，離進口近則大。一個噴灌系統(tǒng)中，盡可能要求各個噴頭的出流量相同，一個噴灌系統(tǒng)中，盡可能要求各個噴頭的出流量相同，以便草坪得到均勻的灌水量。需了解壓力變化與流量以便草坪得到均勻的灌水量。需了解壓力變化與流量變化的關系。變化的關系。距管道進口最近的一個噴頭與最遠的一個距管道進口最近的一個噴頭與最遠的一個噴頭之間的流量變化與壓力變化可用流量噴頭之間的流量變化與壓力變化

18、可用流量變化率表示：變化率表示：二二. 分支管道水力計算分支管道水力計算 水頭損失水頭損失確定了管道布置后確定了管道布置后 與串聯(lián)管道相同，從各分支的末與串聯(lián)管道相同，從各分支的末端或總進口端逐段推算管道流量端或總進口端逐段推算管道流量 根據管段流量根據管段流量和適宜流速擬定各管段管徑和適宜流速擬定各管段管徑 水頭損失計算。水頭損失計算。選擇管線最長和流量最大的分支或距管道進口最遠的選擇管線最長和流量最大的分支或距管道進口最遠的分支計算，其他分支水頭損失較小，工作壓力能滿分支計算，其他分支水頭損失較小，工作壓力能滿足要求。如果分支管網比較復雜，無法判斷哪個分足要求。如果分支管網比較復雜，無法判

19、斷哪個分支水頭損失最大，可分別計算各分支，然后選取其支水頭損失最大，可分別計算各分支，然后選取其中的最大值作為確定管網進口壓力或選擇加壓水泵中的最大值作為確定管網進口壓力或選擇加壓水泵的依據。的依據。管線最長1-2-5-7由1-2，2-5， 5-7串聯(lián)分別計算 1-2-5-7，3-2-5-7， 4-5-7， 6-5-7四個分支，確定最大值2 壓力分布壓力分布 分支管道壓力分布計算：分支管道壓力分布計算：（1）確定各個支管末端需要的工作壓力）確定各個支管末端需要的工作壓力 選水頭損失最選水頭損失最大的分支末端作為端點，確定其最小工作壓力；大的分支末端作為端點，確定其最小工作壓力； （2） 在此工

20、作壓力的基礎上，分段加上該管段的水頭損在此工作壓力的基礎上，分段加上該管段的水頭損失失上一節(jié)點的壓力水頭；上一節(jié)點的壓力水頭； （3）依次類推，計算到管道進口）依次類推，計算到管道進口需要的進口壓力水頭。需要的進口壓力水頭。 具有坡度管道的具有坡度管道的 壓力分布壓力分布 當管道末端的工作壓力當管道末端的工作壓力he確定后，第確定后，第i個節(jié)點的壓力水頭：個節(jié)點的壓力水頭： 管道進口處需要的壓力水頭：管道進口處需要的壓力水頭：一般沿最大水頭損失分支上的總水頭損失不宜超一般沿最大水頭損失分支上的總水頭損失不宜超過進口壓力水頭的過進口壓力水頭的20%，否則各個分流點的灌水，否則各個分流點的灌水均勻

21、度得不到保證。均勻度得不到保證。三三. 沿程出流多孔管道水力計算沿程出流多孔管道水力計算沿程出流多孔管道主要作為安裝噴頭的支管以及具有沿程出流多孔管道主要作為安裝噴頭的支管以及具有微噴頭或滴頭的毛管，具以下的特點：微噴頭或滴頭的毛管，具以下的特點：（1）水流沿管道以一定間隔距離分流，且分流點較）水流沿管道以一定間隔距離分流，且分流點較多；多；（2）分流點的間隔距離一般等距，以便于田間管道）分流點的間隔距離一般等距，以便于田間管道布置；布置；（3）同一管道上安裝的噴頭）同一管道上安裝的噴頭、微噴頭或滴頭一般都是微噴頭或滴頭一般都是同一類型或相同的規(guī)格。同一類型或相同的規(guī)格。由此可假定：沿程出流間

22、隔距離相等；各個噴頭或滴由此可假定：沿程出流間隔距離相等；各個噴頭或滴頭出流量相同。頭出流量相同。1 管道流量管道流量若沿程各個孔口的流量為若沿程各個孔口的流量為q，總進口流量為，總進口流量為q0， 則沿管道任一孔口前管段流量為：則沿管道任一孔口前管段流量為：當當i = 1時，時， q1 = nq，即第一個孔前管段的流，即第一個孔前管段的流量；當量；當i = n時時, qn = q，即最末一個孔前管段，即最末一個孔前管段的流量。的流量。2 水頭損失水頭損失確定了沿程流量分布及管徑，管段長度已定，沿程水確定了沿程流量分布及管徑，管段長度已定，沿程水頭損失可逐段計算，累計后就是總沿程水頭損失：頭損

23、失可逐段計算，累計后就是總沿程水頭損失：為計算方便，適用中常用多孔系數法計算：為計算方便，適用中常用多孔系數法計算：x：從管道進口到第一個孔口的長度與孔口間距的比值3 壓力分布壓力分布沿程出流管道壓力水頭分布可按串聯(lián)管道的方法逐段沿程出流管道壓力水頭分布可按串聯(lián)管道的方法逐段計算，也可按近似的簡化方法計算：計算，也可按近似的簡化方法計算：在在dx管段上的沿程損失：管段上的沿程損失：當當x=l時時在多孔管道上約4/5的水頭損失發(fā)生在距管道進口一半的管段，只有1/5發(fā)生在較遠的一半。沿程泄流，末端流量很小第四節(jié)第四節(jié) 管網水力計算管網水力計算一一 環(huán)形管網環(huán)形管網 所有管段首末順序連接所有管段首末順序連接串聯(lián)管道（管線）串聯(lián)管道（管線） 其他連接其他連接管網管網管網越大，計算越復雜管網越大，計算越復雜當環(huán)形管網形狀已定，節(jié)點流量為已知時，各管段的流量有當環(huán)形管網形狀已定，節(jié)點流量為已知時，各管段的流量有許多分配方案，各管段的流量、管徑都是未知數，管內水許多分配方案，各管段的流量、管徑都是未知數，管內水流方向也無法直接確定。根據節(jié)點流方向也無法直接確定。根據節(jié)點流量平衡方程流量平衡方程和任一和任一閉閉合環(huán)內各管段水頭損失的代數和等于零合環(huán)內各管段水頭損失