壓力管道水力計算

工程流體力學(xué)

第五章壓力管路的水力計算

主講：魏納

石油工程學(xué)院

一、主要內(nèi)容：1、長管計算實用公式；2、串聯(lián)、并聯(lián)管路水力計算；3、短管計算實用公式；4、孔口出流與管嘴泄流；二、應(yīng)用公式：1、連續(xù)性方程：2、伯努利方程：3、達西公式：4、包達公式：5、雷諾數(shù)：1、有壓管道：管道被水充滿，管道周界各點受到液體壓強作用，其斷面各點壓強，一般不等于大氣壓強。液體管壁有壓管道液體自由面管壁無壓管道三、基本概念

工程中，常用各種有壓管道輸送液體，如水電站壓力引水鋼管；水庫有壓泄洪隧洞或泄水管；供給的水泵裝置系統(tǒng)及管網(wǎng)；輸送石油的管道。

2、管道按布置分

簡單管道：直徑始終不變，無分支的管路（基礎(chǔ)）

復(fù)雜管道

串聯(lián)管道

并聯(lián)管道

分枝管道

短管

長管

3兩種水頭損失大小比重局部水頭損失、流速水頭占總水頭損失比例較大（大于5%），計算時不能忽略沿程水頭損失水頭為主，局部損失和流速水頭在總水頭損失中所占比重很小，計算時可忽略。1長管和短管不按管道絕對長度決定。2當管道存在較大局部損失管件，例如局部開啟閘門、噴嘴、底閥等。即使管道很長，局部損失也不能略去，必須按短管計算。

3長管：忽略局部水頭損失和流速水頭（沿程損失不能略去），計算工作大大簡化，其對結(jié)果又沒有多大影響。注意

壓力管道水力計算的主要內(nèi)容就是確定水頭損失，包括沿程水頭損失和局部水頭損失?！?.1長管的水力計算管道的種類:簡單管道串聯(lián)管道并聯(lián)管道一、簡單管道1、計算中一般涉及的公式：

連續(xù)性方程：沿程損失：能量方程：2、管路特性曲線：對于一定管長和管徑的管路，系數(shù)α將隨λ值變化，給不同流量Q將可算出不同的水頭損失hw，繪制成曲線，稱為管路特性曲線。

說明：（1）當由泵輸送液體時，因泵給出的揚程H要克服位差和水頭損失，繪制管路特性曲線時，縱坐標以泵的揚程為準，固管路特性曲線相應(yīng)地要平移一個位差的高度。（2）理論上有層流到湍流應(yīng)有折點，實用上不予考慮，而繪制成光滑曲線。（3）根據(jù)水頭損失的計算通式，當有局部水頭損失時，可折算為當量長度并入沿程水頭損失；（4）管路特性曲線對于確定泵的工況和自流泄油工況，將有重要作用，在工程中經(jīng)常使用。層流：水力光滑：水力粗糙：過渡粗糙：(式中：）可綜合成一個公式：式中系數(shù)β、指數(shù)m可根據(jù)不同流態(tài)在下表中選取：流態(tài)βm層流4.151水力光滑0.02460.25過渡粗糙0.0802A0.123水力粗糙0.0826λ03、三類計算問題（1）已知qV、l、d、、Δ

，求hf；（選泵的揚程）（2）已知hf

、l、d、

、Δ

，求qV；（輸送能力）（3）已知hf

、qV

、l、、Δ

，求d。（設(shè)計管路）簡單管道的水力計算是其它復(fù)雜管道水力計算的基礎(chǔ)。第一類問題的計算步驟（1）已知qV、l、d、μ、Δ

，求hf；qV、d計算Re計算計算hf計算v例題5-1：50℃的原油，密度，運動粘度，流過一根長的管道，流量試求產(chǎn)生的壓降。解：這是簡單長管計算的第一類問題因此，屬于水力光滑區(qū)，則：第二類問題的計算步驟（不知道流量，試算）（2）已知hf

、l、d、

、Δ

，求qV；假設(shè)Q

由Q計算Re、計算Q1重新計算新的Re1、

1Q1=Q2NY由達西公式計算Q2Q2方法一：20℃的水，流過直徑的混凝土管道，在的長度上水頭損失，設(shè)粗糙度，試求流量Q。解：這是簡單長管計算的第二類問題，查表可知20℃的水：先設(shè)，則而E2:則：再算：最后所求的流量為則重新計算：再重新演算，（2）已知hf

、l、d、

、Δ

，求qV；假定一個流態(tài)

選取β、m值計算Q計算Re不相符相符校核流態(tài)Q方法二：第三類問題的計算步驟（3）已知hf

、qV

、l、、Δ

，求d。hf

qVlΔ假設(shè)d1計算v1，Re1，

1計算d2取d1=d2NYd=d2方法一：E3：50℃的四氯化碳，密度,運動粘度通過長的鋼管，流量要求單位長度的壓降為，設(shè)，試計算管道需要的管徑d。解：這是簡單長管計算的第三類問題先設(shè)則:而

在莫迪圖上查出：用重算，即有：

再查莫迪圖：

取：方法二：1）根據(jù)設(shè)計流量，在適宜的流速范圍內(nèi)選擇幾個不同的管徑；2）按照所選管徑算出經(jīng)濟流速；3）根據(jù)經(jīng)濟流速、管徑及油品粘度計算雷諾數(shù)，確定流態(tài)，計算水頭損失；4）由水頭損失確定泵的揚程及功率，計算出每年動力消耗費用；5）計算全部設(shè)備投資、管線投資及每年平均折舊費；6）計算每年的檢修、保養(yǎng)及管理費用；7）把選用不同管徑時每年所需各種費用全部開支一一算出；7）以管徑為橫坐標，年費為縱坐標，繪成曲線，選擇經(jīng)濟直徑。二、串聯(lián)管道

由不同管道直徑和管壁粗糙度的數(shù)段根管子連接在一起的管道。ABH21串聯(lián)管道特征1.各管段的流量相等2.總損失等于各段管道中損失之和兩類計算問題1、已知串聯(lián)管道的流量qV，求hf或揚程H

；2、已知總水頭H，求串聯(lián)管道的流量qV

。v0Q1Q2Q3q1q2l1

d1l2

d2l3

d3hf1hf2hf3H111按長管計算

上式是串聯(lián)管道的基本公式，聯(lián)立以上三式，可解算Q、d、H

等問題。

IR1UIR2IR3v0Q1Q2Q3q1q2l1

d1l2

d2l3

d3hf1hf2hf3H11

在長管的條件下，各段的測壓管水頭線與總水頭線重合，管道水頭線呈折線，因為各管段流速不同，水頭線坡度也各不相同。v01l1

d1

v1l2

d2v2l3

d3

v3v3H1α2

v222gα1

v122gα3v322g2按短管計算v01l1

d1

v1l2

d2v2l3

d3

v3v3H1α2

v222gα1

v122gα3v322g對上游斷面和出口斷面列能量方程，則

三、并聯(lián)管道

由幾條簡單管道或串聯(lián)管道，入口端與出口端分別連接在一起的管道系統(tǒng)。并聯(lián)管道特征1.總流量是各分管段流量之和。2.并聯(lián)管道的損失等于各分管道的損失。AQQ1d1hw1Q2d2hw2Q3d3hw3BQ特點：一般按長管進行水力計算QhfQHABhfAhf1=hf2=hf3=hfl1d1

Q1l3d3

Q3l2d2Q2HBHA設(shè)各管徑、流量為di、Qi

，i=1，3，考慮能量方程，則

QhfQHABhfAhf1=hf2=hf3=hfl1d1

Q1l3d3

S3Q3l2d2K2Q2HBHA各支的流量與總流流量之間應(yīng)滿足連續(xù)方程，即

各支水頭損失，按長管計算，則

各支的流量與總流流量之間應(yīng)滿足連續(xù)方程，即

設(shè)各管徑、流量分別為di、Qi

，i=1，3?？紤]每一支的能量方程，則

hf求出后，再求出各支管的流量

若總流的流量及各并聯(lián)支管的直徑、長度、和粗糙度已知時，可求出總流量、支流量以及水頭損失；兩類計算問題（1）已知A點和B點的靜水頭線高度（即z+p/g)，求總流量qV；AQQ1d1hw1Q2d2hw2Q3d3hw3BQ假設(shè)

由hf計算v

、Re由Re、查莫迪圖得New校核New=NewNY由hf計算v

、qV

求解方法相當于簡單管道的第二類計算問題。（2）已知總流量qV

，求各分管道中的流量及能量損失

。假設(shè)管1的q’V1

由q’V1計算管1的h’f1

由h’f1求q’V2和

q’V3h’f1=

h’f2=

h’f3q’V1=qV1N結(jié)束計算按q’V1、q’V2和q’V3的比例計算qV1、qV2和qV3計算h’f1、

h’f2和h’f3YAQQ1d1hw1Q2d2hw2Q3d3hw3BQ例題5-4：并聯(lián)管路系統(tǒng)中，，管材都為新的無縫鋼管，，總流量，試求每條分支管路的流量Q1，Q2。該流體解：相對粗糙度先假設(shè)流動都在湍流粗糙區(qū)

則在莫迪圖上查出：

由，并先設(shè)將代入達西公式，求出Q2加大Q1，再設(shè)

于是：以上結(jié)果已比較好，用Re數(shù)校驗沿程阻力系數(shù)：而：查莫迪圖得：重設(shè)重算：

于是：

至此，試算結(jié)束。塔里木油田，管投產(chǎn)1年零9個月CO2腐蝕穿孔四川達窩輸氣管線，H2S腐蝕造成開裂爆炸事故，24人死亡油氣管道開裂和泄漏造成的環(huán)境污染嚴重美國1993年、1994年在華盛頓和新澤西洲發(fā)生的兩起輸氣管道爆裂事故四、分支管路分支管道特征

流入?yún)R合點的流量等于自匯合點流出的流量。

計算內(nèi)容：1、根據(jù)管線布置選定主管線（從起點到最遠點）；2、按各終點流量要求，從末端前推，分配各段流量；3、根據(jù)流量及合理流速，選定各段管徑；4、計算干線各段水頭損失，確定干線上各節(jié)點處的壓頭，進而推算起點壓頭，以確定泵壓或罐塔高度。5、以算出的節(jié)點壓頭為準，確定各支管的水頭損失，再根據(jù)設(shè)定的管徑校核水頭損失。

中國天然氣管道

川渝環(huán)網(wǎng)干線：北干線

南干線管長：2906千米管徑：最大720mm鋼材：X60歐洲天然氣管道

北海海底管網(wǎng)阿意輸氣管道

美國天然氣管道

灣流管道系統(tǒng)

俄羅斯輸氣管道

俄羅斯已建和擬建跨國輸氣管道

一個抽水系統(tǒng)通過水泵轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)輪的作用，在水泵進水口形成真空，使水流在池面大氣壓強的作用下沿吸水管上升，流經(jīng)水泵時從水泵獲得新的能量，進入壓力管，再流入水塔。1水泵吸水管的水力計算5.4短管的水力計算吸水管和壓力水管吸水管:短管壓力水管:長管水泵系統(tǒng)的水力計算

虹吸管是一種壓力輸水管道，頂部彎曲且其高程高于上游供水水面。在虹吸管內(nèi)造成真空，使作用虹吸管內(nèi)產(chǎn)生真空，水流則能通過虹吸管最高處引向其他處。2虹吸管的水力計算

虹吸管的優(yōu)點在于能跨越高地，減少挖方。虹吸管長度一般不長，故按照短管計算。pa1122zzs虹吸管頂部

虹吸管頂部的真空壓強理論值不能大于最大真空值（10mH2O）。當虹吸管內(nèi)壓強接近該溫度下的汽化壓強時，液體將產(chǎn)生汽化，破壞水流連續(xù)性，可能產(chǎn)生空蝕破壞，故一般虹吸管中的真空值7～8mH2O。例1：有一渠道用兩根直徑為1.0m的混凝土虹吸管來跨越山丘，上游水位為▽1＝100.0m下游水位為▽2＝99.0m虹吸管長度l1=8m

；l2=15m；l3=15m，沿程阻力系數(shù)為0.03，彎頭的局部水頭損失系數(shù)為0.365，進口局部水頭損失系數(shù)為0.5；出口局部水頭損失系數(shù)為1.0。試確定：當虹吸管中的最大允許真空度為7mH2O時，虹吸管最高安裝高程zs為多少？

00BBzszl1l3l2求流量

00BBzszl1l3l211列0－0、1－1伯努力方程v虹吸管中最大真空一般發(fā)生在管道最高位置。本題最大真空發(fā)生在第二個彎頭后的B-B斷面?？紤]0-0斷面和B-B斷面的能量方程，則

00BBzszl1l3l2

00BBzszl1l3l2v列0－0、B－B伯努力方程§5.5孔口和管嘴泄流§5.5.0引言：孔口和管嘴泄流在石油工業(yè)中的應(yīng)用

(1)鉆井過程中，泥漿由鉆具內(nèi)經(jīng)過鉆頭的水眼或噴嘴射入井腔沖擊地層；

(2)油田開采工作中，自噴井通過油嘴控制石油的產(chǎn)量;(3)為保持地層的能量，在油田注水井中用水嘴將高壓水分別注入各個油層;(4)在油氣輸送工作中，儲運工人計量油氣的輸送量，是利用油氣通過孔板孔眼時的節(jié)流壓降的大小來測量計算的;(5)在石油加工、天然氣凈化工作中，常常將液體由噴射塔的噴嘴噴入另一種液體中，以加強分散提高傳熱或傳質(zhì)效果。§5.5.1孔口出流1.有關(guān)孔口出流的基本概念

孔口出流：流體在水頭或壓差作用下流過器壁孔口或孔板都稱為孔口出流。孔口出流的幾個幾何參數(shù)：孔徑d，壁厚δ，水頭H，孔口面積A，收縮斷面面積Ac，收縮系數(shù)：ε=Ac/A?？卓诔隽鞯姆诸悾海?）薄壁孔口：若孔口出流時，水流與孔壁僅在一條周線上接觸，壁厚對出流無影響；（2）小孔口：如

，便可認為孔口斷面上各點的水頭相等，這樣的孔口為小孔口；（3）定水頭（定常）出流：液面位置保持不變。2.薄壁小孔口定水頭出流（1）自由出流：自由出流：流體由孔口流入大氣中。收縮斷面：c-c。收縮系數(shù)：ε=Ac/A通過孔口的流速和流量分析：列自由液面與收縮斷面的伯努利方程：令：整理得：收縮斷面的流速：其中：為流速系數(shù)。孔口流量：其中：