多相流管網(wǎng)水力特征與水力計(jì)算

1、第4章 多相流管網(wǎng)水力特征與水力計(jì)算 4.1 液氣兩相流管網(wǎng)水力特征與水力計(jì)算 工程背景：建筑排水管網(wǎng)空調(diào)凝結(jié)水管網(wǎng)蒸汽供暖管網(wǎng)4.1.1 液氣兩相流管網(wǎng)水力特征 4.1.1.1 建筑內(nèi)部排水流動(dòng)特點(diǎn)及水封 （1）流動(dòng)特點(diǎn) 氣、液、固均存在，固較少，視為液氣兩相流。 水量、氣壓時(shí)變幅度大。 流速隨空間變化劇烈 。橫支管進(jìn)入立管，流速激 增，水汽混合；立管進(jìn)入橫總管，流速急降，水 氣分離。（2）水封 水封水封位置水封高度水封破壞4.1.1.2 橫管內(nèi)水流狀態(tài) （1）能量（2）狀態(tài)圖4-1-1 橫管內(nèi)水流狀態(tài)示意圖1-水膜狀高速水流；2-氣體（3）管內(nèi)壓力 1）橫支管內(nèi)壓力變化2）橫干管內(nèi)壓力變化

2、 更為劇烈。特別注意對(duì)建筑下部幾層橫支管的影響，要與橫干管保持一定的垂直距離。4.1.1.3 立管中水流狀態(tài) 排水立管上接各層排水橫支管，下接橫干管或排出管，立管內(nèi)水流呈豎直下落流動(dòng)狀態(tài)，水流能量轉(zhuǎn)換和管內(nèi)壓力變化劇烈。（1）排水立管水流特點(diǎn) 1）斷續(xù)的非均勻流 2）水氣兩相流 3）管內(nèi)壓力變化 圖4-1-3 排水管內(nèi)壓力分布示意圖（2）排水立管中水流流動(dòng)狀態(tài) 1）附壁螺旋流 排水量較小，立管中心氣流仍舊正常，氣壓較穩(wěn)定。這種狀態(tài)歷時(shí)很短 。2）水膜流 有一定厚度的帶有橫向隔膜的附壁環(huán)狀流。隨水流下降流速的增加，水膜所受管壁摩擦力增加。當(dāng)水膜受向上的管壁摩擦力與重力達(dá)到平衡時(shí)，下降速度和厚度不

3、再發(fā)生變化，這時(shí)的流速叫終限流速（vt）。從橫支管水流入口至終限流速形成處的高度叫終限長(zhǎng)度（lt）。橫向隔膜不穩(wěn)定 ，形成與破壞交替進(jìn)行 。在水膜流階段，立管內(nèi)氣壓有波動(dòng)，但其變化不會(huì)破壞水封。 3）水塞流 隨排水量繼續(xù)增加，水膜厚度不斷增加，隔膜下部壓力不能沖破水膜，最后形成較穩(wěn)定的水塞。水塞向下運(yùn)動(dòng)，管內(nèi)氣體壓力波動(dòng)劇烈，水封破壞，整個(gè)排水系統(tǒng)不能正常使用。 這3個(gè)階段流動(dòng)狀態(tài)的形成與管徑和排水量有關(guān)。也就是與水流充滿立管斷面的大小有關(guān)。排水立管內(nèi)的水流狀態(tài)應(yīng)為水膜流。實(shí)驗(yàn)表明，在設(shè)有專用通氣立管的排水系統(tǒng)中：（3）水膜流運(yùn)動(dòng)的力學(xué)分析 水膜區(qū)以水為主的水氣兩相流，忽略氣；氣核區(qū)以氣為主的

4、氣水兩相流，忽略水。經(jīng)分析推導(dǎo)，得出： 4.1.1.4 排水管在水膜流時(shí)的通水能力 4.1.1.5 影響立管內(nèi)壓力波動(dòng)的因素及防止措施 (1) 影響排水立管內(nèi)部壓力的因素 確保立管內(nèi)通水能力和防止水封破壞是建筑內(nèi)部排水系統(tǒng)中兩個(gè)最重要的問題，這兩個(gè)問題都與立管內(nèi)壓力有關(guān)。最大負(fù)壓：（2）穩(wěn)定立管壓力增大通水能力的措施 減小終限流速減小水舌阻力系數(shù)K4.1.2 建筑排水管網(wǎng)的水力計(jì)算 4.1.2.1 橫管的水力計(jì)算 1、設(shè)計(jì)規(guī)定 （1）充滿度 （2）自凈流速 （3）管道坡度 （4）最小管徑 2. 橫管水力計(jì)算方法 對(duì)于橫干管和連接多個(gè)衛(wèi)生用水器具的橫支管，應(yīng)逐段計(jì)算各管段的排水設(shè)計(jì)秒流量，通過水

5、力計(jì)算來確定各管段的管徑和坡度。建筑內(nèi)部橫向管道按明渠均勻流公式計(jì)算。水力計(jì)算表見建筑給水排水工程（第四版）附錄6-1和6-24.1.2.2 立管水力計(jì)算 排水立管按通氣方式分為普通伸頂通氣、專用通氣立管通氣、特制配件伸頂通氣和無通氣四種情況。 四種情況的排水立管最大允許通水能力見表4-1-9，設(shè)計(jì)時(shí)先計(jì)算立管的設(shè)計(jì)秒流量，然后查表4-1-9確定管徑。 4.1.2.3 通氣管道計(jì)算 按工程實(shí)際情況，查取有關(guān)手冊(cè)、參考資料確定。自學(xué)【例4-1】 參考書： 建筑給水排水工程（第四版）4.1.3 空調(diào)凝結(jié)水管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 各種空調(diào)設(shè)備（例如風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組，柜式空調(diào)機(jī)，新風(fēng)機(jī)組，組合式空調(diào)箱等）在運(yùn)行過

6、程中產(chǎn)生凝結(jié)水。較之建筑排水管網(wǎng)，凝結(jié)水管網(wǎng)內(nèi)的流動(dòng)穩(wěn)定性要好得多，氣壓波動(dòng)很小。設(shè)計(jì)要點(diǎn)：管材；坡度；水封；通氣；保溫；沖洗的可能性。 通常，可以根據(jù)機(jī)組的冷負(fù)荷Q（kW）按下列數(shù)據(jù)近似選定冷凝水管的公稱直徑：Q7kW時(shí)， DN=20mmQ=7.117.6kW時(shí)， DN=25mmQ=17.7100kW時(shí)， DN=32mmQ=101176kW時(shí)， DN=40mmQ=177598kW時(shí)， DN=50mmQ=5991055kW時(shí)， DN=80mmQ=10561512kW時(shí)， DN100mmQ=151312462kW時(shí)， DN=125mQ12462kW時(shí)， DN=150mm 4.2 汽液兩相流管網(wǎng)水

7、力特征與水力計(jì)算 4.2.1 汽液兩相流管網(wǎng)水力特征與保障正常流 動(dòng)的技術(shù)措施汽、液相的相互轉(zhuǎn)變： 蒸汽凝水；凝結(jié)水二次汽化。形成流動(dòng)阻礙。水擊產(chǎn)生及防止 蒸汽管路中的凝水不能順利排走，遇到阻礙，在高速下（20m/s)與管壁、管件撞擊。 盡量汽、水同向流，逆向流時(shí)采用低流速；及時(shí)排除凝水。系統(tǒng)引入和排除空氣 停止運(yùn)行時(shí)，引入空氣以排除凝水；開始運(yùn)行，排除空氣。凝結(jié)水回收 重力回水 余壓回水 機(jī)械回水二次蒸汽利用4.2.2 室內(nèi)低壓蒸汽供暖管網(wǎng)水力計(jì)算（1）蒸汽管路資用動(dòng)力 鍋爐出口（或建筑物采暖管網(wǎng)入口）蒸汽壓力。密度：常數(shù)。計(jì)算方法 壓損平均法平均比摩阻 P0一般取2000Pa；Pg較大時(shí)，

8、Rm可能很大，可能導(dǎo)致流速過大。這時(shí)，控制比摩阻100Pa/m。計(jì)算次序 最不利管路其他管路流速限制 汽水同向：30m/s 汽水逆向：20m/s 實(shí)際采用更低。蒸汽供暖管網(wǎng)的“周期性”和“自調(diào)節(jié)性” 原因：疏水器的作用（2）凝水管路干凝水管路 非滿管流。按負(fù)擔(dān)的熱負(fù)荷查表確定管徑。前提：坡度0.005。濕凝水管路 按負(fù)擔(dān)的熱負(fù)荷查表確定管徑。 計(jì)算表參考供熱工程（第三版）4.2.3 室內(nèi)高壓蒸汽供暖管網(wǎng)水力計(jì)算（1）蒸汽管道：壓損平均法 假定流速法 汽、水同向流動(dòng)時(shí) 80m/s 汽、水逆向流動(dòng)時(shí) 0.005，查表選用管徑。 疏水器以后：余壓回水，在室外凝水管網(wǎng)中介紹。計(jì)算公式：同室外供熱管網(wǎng)。

9、注意：密度變化。采用圖表計(jì)算要注意修正：密度；粗糙度。4.2.4 室外蒸汽管網(wǎng)的水力計(jì)算 4.2.5 凝結(jié)水管網(wǎng)的水力計(jì)算方法 管段AB 散熱設(shè)備疏水器。非滿管流。前面已在“室內(nèi)高壓蒸汽供暖管網(wǎng)水力計(jì)算”中介紹。管段BC 乳狀混合物的兩相流。 要計(jì)算混合物的密度。按（4-2-13）（4-2-14）。 1）疏水器二次蒸發(fā)箱 2）疏水器凝結(jié)水箱（沿圖中綠色管道路徑） 對(duì)于1），距離較短，按余壓凝水管道計(jì)算表計(jì)算、修正；對(duì)于2），按室外熱水管網(wǎng)水力計(jì)算表計(jì)算、修正。 局部阻力按百分?jǐn)?shù)估計(jì)。管段CD 飽和凝水。按資用動(dòng)力確定平均比摩阻，利用室外供熱計(jì)算表確定管徑。管段DE 凝水泵輸送凝水，滿管流。按流

10、速12m/s，用室外供熱計(jì)算表確定管徑并計(jì)算阻力、確定水泵所需揚(yáng)程。注意修正。4.3 氣固兩相流管網(wǎng)水力特征與水力計(jì)算4.3.1 氣固兩相流水力特征（1）物料的沉降速度和懸浮速度 粉狀物料與粒狀物料，根據(jù)不同的雷諾數(shù)，可得不同的計(jì)算公式。 若氣體處于靜止?fàn)顟B(tài)，則vf是顆粒的沉降速度；若顆粒處于懸浮狀態(tài)，則vf是使顆粒處于懸浮狀態(tài)的豎直向上的氣流速度，稱為顆粒的懸浮速度。 （2） 氣固兩相流中物料的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 豎直管道中，要使物料懸浮，所需速度比理論懸浮速度大得多；水平管中，氣流速度不是使物料懸浮的直接動(dòng)力，所需速度更大。輸料管內(nèi)氣固兩相流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，隨氣流速度和料氣比的不同而改變：分別呈懸浮流

11、、底密流 、疏密流 、停滯流 、部分流 、柱塞流狀態(tài)。（3）氣固兩相流的阻力特征 c點(diǎn)是臨界狀態(tài)點(diǎn)，此時(shí)顆粒群剛處于完全懸浮狀態(tài)，阻力最小。臨界狀態(tài)的流速稱為臨界流速。 圖4-3-3 兩相流阻力與流速的關(guān)系（4） 氣固兩相流管網(wǎng)的主要參數(shù) 1）料氣比：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過管道的物料量與空氣量的比值。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般低壓吸送式系統(tǒng)1=14，低壓送式系統(tǒng)1=110，循環(huán)式系統(tǒng)1=1左右，高真空吸送式系統(tǒng)1=2070。 2）輸送風(fēng)速：可以按懸浮速度的某一倍數(shù)來定，一般取2.44.0倍，對(duì)大密度粘結(jié)性物料取510倍。輸送風(fēng)速也可按臨界風(fēng)速來定，例如砂子等粒狀物料，其輸送風(fēng)速為臨界風(fēng)速的1.22.0倍。通常參考經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表4-3-1。 3）物料速度和速比：氣流必須用一部分能量使物料顆粒懸浮