管路水力計(jì)算PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計(jì)學(xué)1管路水力計(jì)算管路水力計(jì)算本章是應(yīng)用能量方程和阻力計(jì)算來確定流速本章是應(yīng)用能量方程和阻力計(jì)算來確定流速、流量，或已知管徑、流量，確定阻力，即、流量，或已知管徑、流量，確定阻力，即qv、p。工程中，一般是設(shè)計(jì)時(shí)，。工程中，一般是設(shè)計(jì)時(shí)，qv已知，已知，預(yù)知結(jié)構(gòu)，計(jì)算預(yù)知結(jié)構(gòu)，計(jì)算p阻力。選擇機(jī)械如泵、風(fēng)阻力。選擇機(jī)械如泵、風(fēng)機(jī)。機(jī)。在計(jì)算中，要用到連續(xù)方程，動(dòng)量方程在計(jì)算中，要用到連續(xù)方程，動(dòng)量方程，能量方程，阻力計(jì)算公式。，能量方程，阻力計(jì)算公式。第1頁/共48頁 長管只計(jì)算沿程損失而忽略局阻損失和出長管只計(jì)算沿程損失而忽略局阻損失和出流速度頭。是工程上的簡化。流速度頭。是工程上的簡化。

2、1、幾個(gè)概念：幾個(gè)概念：按能量損失型式將管路分為長管和短管：按能量損失型式將管路分為長管和短管：（1）管路系統(tǒng)管路系統(tǒng)：構(gòu)成流體流動(dòng)限制，：構(gòu)成流體流動(dòng)限制，并保并保證流體流動(dòng)暢通的管件組合，簡稱管路。證流體流動(dòng)暢通的管件組合，簡稱管路。（2）長管）長管 ：凡局部損失和出流速度水頭：凡局部損失和出流速度水頭之和與管路的沿程阻力的和比較小，一般之和與管路的沿程阻力的和比較小，一般小于小于5，這樣的管路稱，這樣的管路稱長管或水力長管長管或水力長管。第2頁/共48頁（）并聯(lián)管路：有分支，但有共同的匯合和（）并聯(lián)管路：有分支，但有共同的匯合和 起始點(diǎn)。起始點(diǎn)。（3）短管：各項(xiàng)損失和出流速度頭均需）短管

3、：各項(xiàng)損失和出流速度頭均需計(jì)及的管路，也稱計(jì)及的管路，也稱水力短管水力短管。管路也可按結(jié)構(gòu)分為管路也可按結(jié)構(gòu)分為簡單管路簡單管路和和復(fù)雜管路復(fù)雜管路：（4）簡單管路：等徑，無分支。）簡單管路：等徑，無分支。（5）復(fù)雜管路：簡單管路以外的管路，即）復(fù)雜管路：簡單管路以外的管路，即 不等徑，或有分支或二者兼之。不等徑，或有分支或二者兼之。（）串聯(lián)管路：首尾相連管徑不同，無分支（）串聯(lián)管路：首尾相連管徑不同，無分支 的管路。的管路。第3頁/共48頁盡量減少動(dòng)消耗，即能耗，節(jié)約能源，節(jié)約盡量減少動(dòng)消耗，即能耗，節(jié)約能源，節(jié)約原材料，降低成本。原材料，降低成本。為達(dá)到上述目的，需計(jì)算確定為達(dá)到上述目的，

4、需計(jì)算確定qv，尺寸（，尺寸（、d），損失），損失p。（）枝狀管路：枝狀管路起始點(diǎn)不同，（）枝狀管路：枝狀管路起始點(diǎn)不同，而匯合點(diǎn)相同。而匯合點(diǎn)相同。（）網(wǎng)狀管路：起始和匯合均不同的（）網(wǎng)狀管路：起始和匯合均不同的不規(guī)則管路。不規(guī)則管路。2、設(shè)計(jì)管路的目的、設(shè)計(jì)管路的目的第4頁/共48頁（1）已知）已知qv和和、d，求，求p（外力流動(dòng)）或（外力流動(dòng)）或供液水頭供液水頭（自身流動(dòng)）（自身流動(dòng)）（2）已知）已知、d，或允許，或允許p，求，求qv（3）已知）已知qv 、，確定，確定d3、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)方法前兩種為校核計(jì)算，后一種為設(shè)計(jì)計(jì)算前兩種為校核計(jì)算，后一種為設(shè)計(jì)計(jì)算第5頁/共48頁以等徑管路為

5、例，說明計(jì)算方法。以等徑管路為例，說明計(jì)算方法。H (H)100221第6頁/共48頁由于等徑，連續(xù)，由于等徑，連續(xù)，V不變，不變，假設(shè)液體自管端流入大氣，即假設(shè)液體自管端流入大氣，即自由出流自由出流。以以00為基準(zhǔn)，對自由液面為基準(zhǔn)，對自由液面11和出流斷和出流斷面面22列能量方程列能量方程第7頁/共48頁 令或第8頁/共48頁若流入大容器，作用水頭若流入大容器，作用水頭H為二液面高度為二液面高度差，阻力應(yīng)加上出口阻力。差，阻力應(yīng)加上出口阻力。若不等徑，只需將各處阻力系數(shù)（包括沿若不等徑，只需將各處阻力系數(shù)（包括沿程）換算至同一速度。程）換算至同一速度。包括管路入口、轉(zhuǎn)彎、閥門阻力和沿程。包

6、括管路入口、轉(zhuǎn)彎、閥門阻力和沿程。第9頁/共48頁以等徑水平長管為例：以等徑水平長管為例：第10頁/共48頁列能量方程列能量方程:長管出流長管出流 : 即全部能頭即全部能頭H被阻力消耗。被阻力消耗。第11頁/共48頁以以qv為例為例 :或 為流量模數(shù)為流量模數(shù)第12頁/共48頁稱單位長度作用水頭，稱水力坡度。稱單位長度作用水頭，稱水力坡度。 K相當(dāng)于水力坡度為相當(dāng)于水力坡度為1時(shí)的流量。時(shí)的流量。 由于流動(dòng)為阻力平方區(qū)。由于流動(dòng)為阻力平方區(qū)。 故故 在一般工程手冊上可以查到在一般工程手冊上可以查到 通常通常 一定一定。 第13頁/共48頁因各段管路均按長管計(jì)算，只有沿程損失，故因各段管路均按長

7、管計(jì)算，只有沿程損失，故 H第14頁/共48頁在無泄漏時(shí)：在無泄漏時(shí)： （忽略出流速度頭）（忽略出流速度頭） (1)第15頁/共48頁可列（可列（i-1）個(gè)方程，與個(gè)方程，與（1）式聯(lián)立可解。式聯(lián)立可解。 當(dāng)有泄漏時(shí)，當(dāng)有泄漏時(shí)， 第16頁/共48頁第四節(jié)第四節(jié) 并聯(lián)長管的水力計(jì)算并聯(lián)長管的水力計(jì)算分流前流量為分流前流量為qv1，合流后為，合流后為qv5 內(nèi)部流量為內(nèi)部流量為qv2 ， qv3 ， qv4 AB第17頁/共48頁并聯(lián)特點(diǎn)：（并聯(lián)特點(diǎn)：（1）阻力相等）阻力相等i=2、3、4（2）流量）流量 ：在支線上分流：在支線上分流第18頁/共48頁如圖，不能在總管路與支管如圖，不能在總管路與

8、支管之間列方程之間列方程 ，應(yīng)對某一分支，應(yīng)對某一分支列（按并聯(lián)）。如列（按并聯(lián)）。如2、3、4線線第19頁/共48頁67882443,ffffffffhhhhhhhh第20頁/共48頁各節(jié)點(diǎn)，根據(jù)連續(xù)性各節(jié)點(diǎn)，根據(jù)連續(xù)性，流入，流入qvi=流出流出qvo若以流入為正，流若以流入為正，流出為負(fù)則節(jié)點(diǎn)方程出為負(fù)則節(jié)點(diǎn)方程：通常網(wǎng)絡(luò)布局已知。即各管的長度通常網(wǎng)絡(luò)布局已知。即各管的長度 li 已已知，知，qvi 已知，求各管段的流量和設(shè)計(jì)各已知，求各管段的流量和設(shè)計(jì)各管的直徑管的直徑d 。如圖。如圖。第21頁/共48頁按阻力：兩節(jié)點(diǎn)間阻力相等。若已順時(shí)針為按阻力：兩節(jié)點(diǎn)間阻力相等。若已順時(shí)針為正，逆

9、時(shí)針為負(fù)，則節(jié)點(diǎn)間。正，逆時(shí)針為負(fù)，則節(jié)點(diǎn)間。計(jì)算時(shí)一般采用逼近方法，即予先取，分配計(jì)算時(shí)一般采用逼近方法，即予先取，分配流量及流向，選擇管徑，求各段阻力，驗(yàn)證流量及流向，選擇管徑，求各段阻力，驗(yàn)證，否則重分配流量。一般是管路長，流量大，否則重分配流量。一般是管路長，流量大。阻力小，流量小。阻力小，流量小。若精度要求高，則用電子計(jì)算機(jī)編程計(jì)算。若精度要求高，則用電子計(jì)算機(jī)編程計(jì)算。第22頁/共48頁一般是在主干上，沿程泄流，把沿程流量均一般是在主干上，沿程泄流，把沿程流量均勻泄出的流動(dòng)程均勻泄流。如蔬菜大棚中心勻泄出的流動(dòng)程均勻泄流。如蔬菜大棚中心的灌溉等。若單位長度上泄流量的灌溉等。若單位長

10、度上泄流量q（m3/s），管徑為管徑為d，管長，管長L，末端出流，末端出流qvT ，總作用水，總作用水頭頭H。如圖，則由連續(xù)性：。如圖，則由連續(xù)性：xHdxVTqqLd,第23頁/共48頁在距管段起始處在距管段起始處x位置取微段位置取微段dx。則在。則在x處處截面的流量應(yīng)為末端出流量和余段泄流量截面的流量應(yīng)為末端出流量和余段泄流量之和，即：之和，即：上消耗水頭上消耗水頭 則則： 若流動(dòng)處于阻力平方區(qū)若流動(dòng)處于阻力平方區(qū)第24頁/共48頁積分上式得積分上式得 其中其中: 為泄流量。相當(dāng)于在同樣水頭為泄流量。相當(dāng)于在同樣水頭 H作用下，作用下，末端無泄流時(shí)末端無泄流時(shí):第25頁/共48頁當(dāng)當(dāng) 時(shí)，

11、時(shí)， 與無與無 泄流時(shí)泄流時(shí) 比較，比較， 即保證同樣流即保證同樣流 量，泄流所需作用壓頭是末端出流的量，泄流所需作用壓頭是末端出流的1/3。 原因是：阻力壓頭原因是：阻力壓頭 沿程（無泄流時(shí)不變，有沿程（無泄流時(shí)不變，有泄時(shí)連續(xù)減少）因而下降。泄時(shí)連續(xù)減少）因而下降。第26頁/共48頁當(dāng)管件中的閉門突然關(guān)閉或水泵突然停止當(dāng)管件中的閉門突然關(guān)閉或水泵突然停止工作，使液流速度突然改變，這種液體動(dòng)工作，使液流速度突然改變，這種液體動(dòng)量的變化而引起的壓強(qiáng)突變（急上或下）量的變化而引起的壓強(qiáng)突變（急上或下）的現(xiàn)象稱的現(xiàn)象稱水擊水擊。壓強(qiáng)的交替變化，對管壁或閥門儀表產(chǎn)生類壓強(qiáng)的交替變化，對管壁或閥門儀表

12、產(chǎn)生類似于錘擊的作用，因此，水擊也稱水似于錘擊的作用，因此，水擊也稱水“錘錘”。水擊使壓強(qiáng)升高達(dá)數(shù)倍或幾十倍，嚴(yán)重時(shí)水擊使壓強(qiáng)升高達(dá)數(shù)倍或幾十倍，嚴(yán)重時(shí)損害管路。損害管路。第27頁/共48頁 對恒定流，由于忽略可壓縮性，結(jié)果和對恒定流，由于忽略可壓縮性，結(jié)果和實(shí)際差不多。對非恒定流，水擊必須考實(shí)際差不多。對非恒定流，水擊必須考慮壓縮性，而且還要考慮管壁的膨脹。慮壓縮性，而且還要考慮管壁的膨脹。下面以圖示情況說明水擊過程下面以圖示情況說明水擊過程1.水擊及其物理過程水擊及其物理過程00, pV第28頁/共48頁 在在A處裝有足夠大的蓄能器，即認(rèn)為水擊處裝有足夠大的蓄能器，即認(rèn)為水擊波截止于波截止

13、于A處，處，A以前保持不變的以前保持不變的 。假定無粘性，。假定無粘性， 不變。假定不變。假定B處閥門處閥門突然關(guān)閉，時(shí)間突然關(guān)閉，時(shí)間 。并假設(shè)管中液體并假設(shè)管中液體由無數(shù)微段組成，彼此互挨并且互無聯(lián)由無數(shù)微段組成，彼此互挨并且互無聯(lián)系。系。當(dāng)當(dāng)B處閘門突然關(guān)閉時(shí)，緊靠處閘門突然關(guān)閉時(shí)，緊靠B處的液處的液體立即停止，接著緊挨它的前一段也體立即停止，接著緊挨它的前一段也停止，這樣自停止，這樣自BCA依次停下來，依次停下來， (1).減速、升壓過程減速、升壓過程第29頁/共48頁液體停止和由此造成的壓強(qiáng)升高以波的形式液體停止和由此造成的壓強(qiáng)升高以波的形式沿管路向沿管路向A處傳播，這一波稱處傳播，

14、這一波稱壓強(qiáng)升高波壓強(qiáng)升高波。設(shè)液體和管壁均勻，則波傳播速度為常數(shù)設(shè)液體和管壁均勻，則波傳播速度為常數(shù)a，設(shè)管長設(shè)管長l，經(jīng)過時(shí)間，經(jīng)過時(shí)間t0，升壓波達(dá)到，升壓波達(dá)到A處，使處，使AB全停，這時(shí)全停，這時(shí)A處壓強(qiáng)高于處壓強(qiáng)高于p0， 稱水擊壓強(qiáng)。當(dāng)經(jīng)過時(shí)間稱水擊壓強(qiáng)。當(dāng)經(jīng)過時(shí)間t=l/a后，后，AB段段中中 V=0 ，壓強(qiáng)，壓強(qiáng) 。動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓強(qiáng)能，使停止的液體中壓強(qiáng)升動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓強(qiáng)能，使停止的液體中壓強(qiáng)升高，使流體受壓縮，也使管壁膨脹。高，使流體受壓縮，也使管壁膨脹。第30頁/共48頁因蓄能器存在，壓強(qiáng)波在因蓄能器存在，壓強(qiáng)波在A處不能引起蓄能器處不能引起蓄能器壓強(qiáng)波動(dòng)，當(dāng)傳至壓強(qiáng)波動(dòng)，當(dāng)

15、傳至A點(diǎn)，被蓄能器截止，認(rèn)為點(diǎn)，被蓄能器截止，認(rèn)為A左段壓強(qiáng)不變，于是在左段壓強(qiáng)不變，于是在A左右產(chǎn)生壓差左右產(chǎn)生壓差p，使停止液體向左移動(dòng)，將使壓強(qiáng)恢復(fù)到使停止液體向左移動(dòng)，將使壓強(qiáng)恢復(fù)到p0，緊，緊挨著的一段向左做降壓流動(dòng)，稱為挨著的一段向左做降壓流動(dòng)，稱為減壓升速波減壓升速波。從。從A傳到傳到B。仍用時(shí)間。仍用時(shí)間t=l/a ，這時(shí)，流體向，這時(shí)，流體向左移動(dòng)，速度左移動(dòng)，速度V0，壓強(qiáng)，壓強(qiáng) p0 。(2).壓強(qiáng)恢復(fù)過程壓強(qiáng)恢復(fù)過程第31頁/共48頁在在B處，由于有向左的處，由于有向左的V0 ，壓強(qiáng)，壓強(qiáng) p0，使，使B處處有向左離開的趨勢。由于有向左離開的趨勢。由于B右側(cè)無液流填充右

16、側(cè)無液流填充，又使其停止，壓強(qiáng)降低，密度減小。在，又使其停止，壓強(qiáng)降低，密度減小。在理想情況下，壓強(qiáng)降低值理想情況下，壓強(qiáng)降低值=升高值升高值p，從，從B傳至傳至A用用的時(shí)間為的時(shí)間為t=l/a，稱，稱降壓波降壓波，使，使AB段段V=0，壓強(qiáng)，壓強(qiáng)p= p0 -p 。（3）壓強(qiáng)降低過程）壓強(qiáng)降低過程第32頁/共48頁當(dāng)減壓波傳到當(dāng)減壓波傳到A。被蓄能器截止，在被蓄能器截止，在A兩側(cè)兩側(cè)產(chǎn)生壓差，使流體向右流，速度產(chǎn)生壓差，使流體向右流，速度V0，達(dá)到，達(dá)到B處，使處，使AB段壓強(qiáng)回到段壓強(qiáng)回到p0，所用時(shí)間為，所用時(shí)間為t=l/a ，速度，速度 V0 。（4） 壓強(qiáng)恢復(fù)過程壓強(qiáng)恢復(fù)過程此時(shí)若閥

17、門仍關(guān)閉，則重復(fù)開始升壓波此時(shí)若閥門仍關(guān)閉，則重復(fù)開始升壓波壓壓力恢復(fù)力恢復(fù) 減壓減壓壓強(qiáng)恢復(fù)過程。因此，用壓強(qiáng)恢復(fù)過程。因此，用 4t=4l/a完成一個(gè)水擊周期，速度依次完成一個(gè)水擊周期，速度依次V00，0 V0 ；V0 0，0 V0 。理想條件下，無。理想條件下，無阻力，無能損，水擊將無休止進(jìn)行下去。阻力，無能損，水擊將無休止進(jìn)行下去。第33頁/共48頁在在B處壓強(qiáng)變化如圖處壓強(qiáng)變化如圖a0ppal 2al 20ttT)(ap第34頁/共48頁任意點(diǎn)任意點(diǎn)C處壓強(qiáng)變化如圖處壓強(qiáng)變化如圖b)(bp0ppal2第35頁/共48頁A點(diǎn)的壓強(qiáng)分布（點(diǎn)的壓強(qiáng)分布（c）al 2al 2alp0ppt)

18、(c第36頁/共48頁從閥門關(guān)閉到水擊波第一次返回閥門用從閥門關(guān)閉到水擊波第一次返回閥門用2l/a時(shí)間，令時(shí)間，令t0= 2l/a稱為稱為水擊波的波相水擊波的波相，每經(jīng)，每經(jīng)過過 t0時(shí)間，水擊壓力變化一次，稱時(shí)間，水擊壓力變化一次，稱“倒相倒相”。每經(jīng)過時(shí)間。每經(jīng)過時(shí)間T=2 t0=4l/a水擊現(xiàn)象重復(fù)一水擊現(xiàn)象重復(fù)一次。次。實(shí)際上，閥門不可能突然瞬間關(guān)閉，總有一實(shí)際上，閥門不可能突然瞬間關(guān)閉，總有一個(gè)時(shí)間個(gè)時(shí)間tk ，將，將 tk與與 t0相比，把水擊分為相比，把水擊分為直接直接水擊水擊和和間接水擊間接水擊。第37頁/共48頁直接水擊直接水擊：當(dāng)：當(dāng)tk t0 ，返回時(shí)閥門并未關(guān)閉，返回時(shí)

19、閥門并未關(guān)閉，使一部分能量從閥門消去，壓強(qiáng)有所抵，使一部分能量從閥門消去，壓強(qiáng)有所抵消，因而直接水擊比間接水擊壓強(qiáng)高，消，因而直接水擊比間接水擊壓強(qiáng)高，破破壞性大。壞性大。若若 tk t0 ，則每次都抵消一部分，可以，則每次都抵消一部分，可以將水擊能量消耗掉將水擊能量消耗掉 ，這是一方法。，這是一方法。第38頁/共48頁 取靠近取靠近B端的一段液柱進(jìn)行研究，在端的一段液柱進(jìn)行研究，在t時(shí)間時(shí)間內(nèi)，升壓波向右傳遞的距離為內(nèi)，升壓波向右傳遞的距離為ta ，此時(shí)速，此時(shí)速度為度為0，壓強(qiáng)增加到，壓強(qiáng)增加到 p0+p ，管道截面積從，管道截面積從A擴(kuò)大到擴(kuò)大到 A+A 。如圖。如圖。2. 水擊最高壓強(qiáng)

20、水擊最高壓強(qiáng)第39頁/共48頁該段流體質(zhì)量為該段流體質(zhì)量為ta長度管內(nèi)流體與長度管內(nèi)流體與 t 時(shí)間時(shí)間以速度以速度V0流入的流體質(zhì)流入的流體質(zhì)量之和，即：量之和，即：該段所受軸向力為：該段所受軸向力為：它與該段所增加的圓環(huán)面積它與該段所增加的圓環(huán)面積A上受力互上受力互相平衡。相平衡。第40頁/共48頁通常通常 ，因此，因此 該式稱為該式稱為儒儒柯夫斯基柯夫斯基公式。公式。列動(dòng)量方程：列動(dòng)量方程：第41頁/共48頁tk 為閥門關(guān)閉時(shí)間。為閥門關(guān)閉時(shí)間。 在在at長度段內(nèi)，由于壓強(qiáng)增加，管道將擴(kuò)張長度段內(nèi)，由于壓強(qiáng)增加，管道將擴(kuò)張。在。在t 時(shí)間內(nèi)，將有時(shí)間內(nèi)，將有V0At的液體補(bǔ)充。的液體補(bǔ)充

21、。 當(dāng)閥門部分關(guān)閉時(shí)，過程與上述完全一致，當(dāng)閥門部分關(guān)閉時(shí)，過程與上述完全一致，只是速度由只是速度由 降為降為 ，用類似方法可求出：，用類似方法可求出： 但計(jì)算較復(fù)雜，因?yàn)榈?jì)算較復(fù)雜，因?yàn)?難測。難測?？捎孟率鼋剖剑嚎捎孟率鼋剖剑?.水擊波傳播速度水擊波傳播速度第42頁/共48頁兩者體積可以看作相等，（忽略補(bǔ)充進(jìn)入體兩者體積可以看作相等，（忽略補(bǔ)充進(jìn)入體積的壓縮量）即積的壓縮量）即體積壓縮系數(shù)。體積壓縮系數(shù)。式中式中 管壁內(nèi)所受的附加應(yīng)力管壁內(nèi)所受的附加應(yīng)力 管道內(nèi)半徑，直徑管道內(nèi)半徑，直徑 管壁厚度管壁厚度 管壁材料的彈性模數(shù)管壁材料的彈性模數(shù)其中其中 為原有壓縮量。為原有壓縮量。由此