材料工程基礎(chǔ)課件：1-5 管路流動(dòng)

1、管路：管道與附屬件連接起來組成的流體輸送系統(tǒng)稱為管路管路計(jì)算的目的：合理的設(shè)計(jì)管路系統(tǒng)，盡量減少動(dòng)力消耗，節(jié)約能源和原材料。主要內(nèi)容：1.5.1 概述1.5.2 管路流體力學(xué)計(jì)算 重點(diǎn)： 簡(jiǎn)單管路、串并聯(lián)管路的特征、管路阻抗的概念和意義； 掌握簡(jiǎn)單管路、串聯(lián)與并聯(lián)管路的分析與計(jì)算 及其工程應(yīng)用； 掌握管路阻抗的計(jì)算方法；難點(diǎn)：迭代法（試算法）在管路計(jì)算中的應(yīng)用1.5、管路計(jì)算基礎(chǔ)(P49-59)送風(fēng)機(jī)排風(fēng)機(jī)燃料物料窯煙囪預(yù)熱裝置管路案例：水泥廠回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)示意圖返 回2 1.5.1 概述1、管路的分類有哪些？（掌握）2、什么是簡(jiǎn)單管路？什么是復(fù)雜管路？（掌握）3、管路計(jì)算的主要內(nèi)容是什么？（了解

2、）4、管路計(jì)算的類型有哪些？（了解）返 回3復(fù)雜管路串聯(lián)管路、并聯(lián)管路和管網(wǎng) 根據(jù)管路的沿程損失與局部損失的大小將管路分為 :長(zhǎng)管：局部阻力損失所占比例較小，可忽略的管路 工程上常將L/d1000的管路按長(zhǎng)管處理。根據(jù)管路敷設(shè)方式可將管路分為: 簡(jiǎn)單管路 1、管路的分類有哪些？（掌握）短管 ：局部阻力損失所占比例較大，不能忽略的管路返回如遠(yuǎn)距離輸送管路等如室內(nèi)供熱管、通風(fēng)管等 1.5.1 概述4 （1）簡(jiǎn)單管路是指具有相同管徑d、相同流量Q和相同管壁粗糙度的管段，它是組成各種復(fù)雜管路系統(tǒng)的基本單元。2、什么是簡(jiǎn)單管路？什么是復(fù)雜管路？（掌握）（2） 復(fù)雜管路：串聯(lián)管路：由不同管徑的簡(jiǎn)單管路頭尾

3、相接構(gòu)成的管路并聯(lián)管路：由兩個(gè)以上簡(jiǎn)單管路頭與頭相連，尾與尾相連， 形成的管路為并聯(lián)管路。Q3Q2Q1ABCD管網(wǎng)枝狀管網(wǎng)環(huán)狀管網(wǎng)返回53、管路計(jì)算的主要內(nèi)容是什么？（了解）利用連續(xù)性方程，伯努利方程以及壓頭損失計(jì)算式等來確定流體的流量、管道尺寸和流動(dòng)阻力(壓頭損失)之間的關(guān)系。4、管路計(jì)算的類型有哪些？（了解）工程中常遇到的管路計(jì)算問題可分為三類：已知流體的流量和管道尺寸，計(jì)算壓頭損失；（設(shè)計(jì)計(jì)算）已知管道尺寸和允許的壓力降，確定流體的流量；（操作計(jì)算）根據(jù)給定的流量和壓力降，計(jì)算管道尺寸（設(shè)計(jì)計(jì)算）。返回61.5.2 管路流體力學(xué)計(jì)算1、管路計(jì)算的依據(jù)是什么？（了解）2、管路的基本特征有哪

4、些？（掌握）（1）簡(jiǎn)單管路；（2）串聯(lián)管路；（3）并聯(lián)管路3、管路計(jì)算常采用什么方法計(jì)算？（掌握）4、管路計(jì)算在工程上有哪些應(yīng)用？（掌握）71.5.2 管路流體力學(xué)計(jì)算1、管路計(jì)算的依據(jù)是什么？（了解）連續(xù)性方程 伯努利方程能量損失計(jì)算式 串并聯(lián)管路的性質(zhì)返回8（1）簡(jiǎn)單管路2、管路的基本性質(zhì)有哪些？（掌握） 流量？ 阻力損失？ 管路的作用水頭 ：指使流體流動(dòng)的全部能量，用H表示 。對(duì)于簡(jiǎn)單管路，d、qV 不變v 沿程不變 管路的作用水頭（總水頭） H=？有什么意義？9 作用水頭H （總水頭）以00為基準(zhǔn)線，列11，22兩斷面間的能量方程式:0 02 2 1 1H- 用來克服管路流體阻力的能量

5、10 阻抗的概念表明:在簡(jiǎn)單管路中，總阻力損失與體積流量的平方成正比管路的壓頭損失為定義：（s2/m5）SH 稱為管路阻抗. 它綜合反映了管路沿程阻力與局部阻力情況 管路的壓力損失為（m） （Pa）11 串聯(lián)管路的總阻抗等于各管段阻抗之和 對(duì)于不可壓縮流體，通過串聯(lián)管路各管段的體積流量是相同的 串聯(lián)管路上的總壓頭損失等于各管段壓頭損失之和（2）串聯(lián)管路 (掌握)：H=H1+ H2+ Hn能量疊加原理證明： 串聯(lián)管路的流動(dòng)規(guī)律： 各管段的流量相等； 損失迭加； 管路的總阻抗為各段阻抗之和。 123、并聯(lián)管路特性 (掌握)： （1）流量特征:總流量為各支管中流量之和 m=m1+m2+m3； 當(dāng)=c

6、onst Q=Q1+Q2+Q3（3）阻抗特征: 總的阻抗平方根等于各支管阻抗平方根倒數(shù)之和。（2）總阻力特征:由于流體在某一固定點(diǎn)的單位能量值只能有一個(gè)，因此單位重量流體無論通過哪根管段從B流到C，產(chǎn)生的能量損失應(yīng)該相同證明（了解）13設(shè)并聯(lián)管路的總阻抗為S，各分支管路的阻抗為S1、S2、S3 :由并聯(lián)管路因?yàn)?整理得證明：證畢14 并聯(lián)管路的流動(dòng)規(guī)律： 并聯(lián)后管路的總流量等于各支管的流量之和； 各支管能量損失相等； 并聯(lián)管路總阻抗的平方根倒數(shù)等于各并聯(lián)支管阻抗的平 方根倒數(shù)之和。 并聯(lián)管路（4）并聯(lián)管路各支管中的流量是如何分配的？“阻力平衡”證明（了解）15并聯(lián)管路 （4）流量分配：由并聯(lián)管

7、路的流動(dòng)規(guī)律 并聯(lián)管路中各條支路的流量分配與各支路阻抗的平方根成反比。并聯(lián)管路流量分配規(guī)律：阻抗越大的支路，流量越?。?阻抗越小的支路，流量越大。 “阻力平衡”注意：計(jì)算并聯(lián)管路阻力時(shí)，僅取其中一支路即可，不能重復(fù)計(jì)算。返回163、管路計(jì)算常采用什么方法計(jì)算？串并聯(lián)管路的模擬計(jì)算方法（掌握）定義管路模擬電位H：將流體管路運(yùn)動(dòng)過程中，各個(gè)過流斷面流體的總水頭（氣流運(yùn)動(dòng)的總壓P）定義為相應(yīng)過流斷面的模擬電位管路模擬電流強(qiáng)度Q:將管路的流量定義為模擬電流強(qiáng)度模擬電阻S（阻抗）:將簡(jiǎn)單管路兩端模擬電位差與模擬電流強(qiáng)度的平方之比定義為該簡(jiǎn)單管路的模擬電阻（阻抗）1712S13S22S11S2 并聯(lián)模擬管

8、路 串聯(lián)模擬管路總結(jié)18復(fù)雜管網(wǎng)有何基本性質(zhì)?(了解)S1S3S2S4S5EQ1Q2Q3Q4Q0Q50=iQ為零流向節(jié)點(diǎn)流量的代數(shù)和電位降的代數(shù)和為零及電源產(chǎn)生的模擬所經(jīng)過的各個(gè)阻抗按固定方向繞行一周后對(duì)任意封閉回路，返回19例5-1 簡(jiǎn)單管路設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容已知條件：用戶要求的流量、流體 輸送距離、管路布置形式、管材設(shè)計(jì)內(nèi)容：通過分析計(jì)算確定管徑及所需動(dòng)力裝置的選型參數(shù)（總阻力）BA20m泵4、管路計(jì)算在工程上的應(yīng)用（掌握） 如圖所示，欲將水池A的水以12m3/h輸送到水塔上的水箱B中所需管路總長(zhǎng)度為50m，中間需要3個(gè)90彎頭（R/d=1，可查=0.246），管道采用鑄鐵管=0.025

9、，用水泵輸送，試確定輸送管徑和水泵有效功率為多少？20解：1.將題目轉(zhuǎn)化為模擬電路問題（畫出模擬電路圖、標(biāo)出已知的參數(shù)）H0=0mH1=? mH2=20 mS=?Q=12m3/h2.根據(jù)管路系統(tǒng)特征（簡(jiǎn)單、串并聯(lián)）選擇合適的計(jì)算方法，本題為簡(jiǎn)單管路的設(shè)計(jì)計(jì)算，其步驟為（1）根據(jù)安全、工藝、經(jīng)濟(jì)因素選擇工作流速確定管徑，如選擇2m/s,21H0=0mH1=? mH2=20 mS=?Q=12m3/h（2）根據(jù)根據(jù)局部構(gòu)件的形式獲取局部阻力系數(shù)，同時(shí)查取有關(guān)物性參數(shù) 查P280附錄三可得：彎頭局部阻力系數(shù) 查P286附錄可得（3）確定雷諾數(shù)判定流動(dòng)狀態(tài)并計(jì)算沿程阻力系數(shù) 屬于湍流運(yùn)動(dòng),選用柯列勃洛克

10、公式計(jì)算沿程阻力系數(shù)246.0=xsm/10006.126-=nmm25.0=當(dāng)量糙粒高度0.1=x管道進(jìn)口局部阻力系數(shù)22H0=0mH1=? mH2=20 mS=?Q=12m3/h 采用迭代法求解此公式，令0=0.5 （4）確定阻抗23H0=0mH1=? mH2=20 mS=?Q=12m3/h（5）確定泵提供給管路的總水頭H1及泵的有效功率24例5-2 并聯(lián)管路設(shè)計(jì)計(jì)算 某工廠，在地平面上兩個(gè)位置A、B處需連續(xù)供水，所處位置分別在水池C的東西兩個(gè)方向，A處需水量為0.1m3/s，距離水池200m，B處需水量為0.2m3/s，距離水池100m，若工作流速均采用3m/s，采用一臺(tái)水泵，鑄鐵管路并

11、聯(lián)供水，試設(shè)計(jì)該管路系統(tǒng)。（水的運(yùn)動(dòng)粘度為1106 s/m2）CAB泵L=200m , Q=0.1m3/s ,v=3m/sL=100m , Q=0.2m3/s ,v=3m/s返回25解：求管徑和總阻力？(1)畫出模擬電路圖CAB泵L=200m , Q=0.1m3/s ,v=3m/sL=100m , Q=0.2m3/s ,v=3m/sSASB21H1=?mH2=0=?=?返 回26解： (2) 根據(jù)工作流速確定管徑CAB泵L=200m , Q=0.1m3/s ,v=3m/sL=100m , Q=0.2m3/s ,v=3m/sSASB21H1=?mH2=0=?=?返 回27解： (3) 初步確定管

12、路阻抗CAB泵L=200m , Q=0.1m3/s ,v=3m/sL=100m , Q=0.2m3/s ,v=3m/sSASB21H1=?mH2=0=?=?返 回均為湍流28解： (3) 初步確定管路阻抗SASB21H1=?mH2=0=?=?返 回對(duì)B:對(duì)A:29解： (3) 初步確定管路阻抗SASB21H1=?mH2=0=?=?發(fā)現(xiàn)了什么問題？阻力不平衡。30解： (4) 進(jìn)行阻力平衡計(jì)算 按流量分配要求SASB21H1=?mH2=0=?=?管路平衡原則：(a)保持管徑不變，通過閥門調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)阻力平衡，以保證流量分配,此時(shí)需計(jì)算的是要求的閥門阻力系數(shù)，進(jìn)而確定閥門開度;(b)通過調(diào)節(jié)管道直徑調(diào)

13、節(jié)阻力平衡以實(shí)現(xiàn)流量分配，此時(shí)需計(jì)算的是經(jīng)過調(diào)節(jié)后的管道直徑是多少31解：(a) 保持A支路不變，在B支路上裝設(shè)節(jié)流閥，節(jié)流閥的阻力系數(shù)SASB21H1=?mH2=0=?=?(b) 保持A支路不變，調(diào)節(jié)B支路的管徑，進(jìn)行阻力平衡32解： (5) 計(jì)算總阻力及阻力損耗功率SASB21H1=?mH2=0=?=?返 回33小結(jié)：并聯(lián)管路設(shè)計(jì)計(jì)算步驟（1）畫出模擬電路圖（2）根據(jù)工作流速確定管徑（3）初步確定管路阻抗（4）進(jìn)行阻力平衡計(jì)算A保持管徑不變，通過閥門調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)阻力平衡，以保證流量分配,此時(shí)需計(jì)算的是要求的閥門阻力系數(shù)，進(jìn)而確定閥門開度B通過調(diào)節(jié)管道直徑調(diào)節(jié)阻力平衡以實(shí)現(xiàn)流量分配，此時(shí)需計(jì)算的

14、是經(jīng)過調(diào)節(jié)后的管道直徑是多少（5）計(jì)算總阻力及阻力損耗功率341.5.3如何對(duì)復(fù)雜管路進(jìn)行分析計(jì)算？（了解）參閱教材P55P5935作業(yè)：教材P121 1-49 1-50 1-52 1-53 1-54作業(yè) 流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī) 蔡增基主編5-17如圖，因?yàn)橐凰桨仓玫耐L(fēng)機(jī)， 收入管dl200毫米，Ll10米，入0.02。壓出管為直徑不同的兩段管道串聯(lián)組成，d2200毫米，L250米，入0.02；d3100毫米， L3 50米，入0.02 。空氣密度1.2Kg/m3，風(fēng)量為Q0.15m3/s,不計(jì)局部阻力。試計(jì)算：(1) 風(fēng)機(jī)應(yīng)產(chǎn)生的總壓強(qiáng)為多少?(2) 如風(fēng)機(jī)與管道鉛直安裝，但管路情況不變，風(fēng)機(jī)的總壓有無變化? (3) 如果流量提高到0.16m3/s，風(fēng)機(jī)總壓強(qiáng)變化多少?365-20 有一簡(jiǎn)單并聯(lián)管路如下團(tuán)總流量Q8010-3m/s，=0.02，求各管段間的流量及兩節(jié)點(diǎn)間的水頭損失。第一支管L1=600mm；d1=200mm；第二支管L2=360mm，d2=200mm。375-22如圖所示管路，設(shè)其中的流QA=0.6m3/S,=0.02