管道過(guò)流計(jì)算方法

第四章 有壓管道恒定流第一節(jié) 概述前面我們爭(zhēng)論了水流運(yùn)動(dòng)的根本原理,介紹了水流運(yùn)動(dòng)的三大方程,水流形態(tài)和水頭損失,從第五章開(kāi)頭,我們進(jìn)入有用水利學(xué)的學(xué)習(xí),本章?tīng)?zhēng)論有壓管道的恒定流.管流的概念管流是指液體質(zhì)點(diǎn)完全布滿輸水管道橫斷面的流淌，沒(méi)有自由水面存在。管流的特點(diǎn).①斷面周界就是濕周，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e等于橫斷面面積；②斷面上各點(diǎn)的依據(jù)出流狀況分自由出流和漂浮出流管道出口水流流入大氣，水股四周都受大氣壓強(qiáng)作用，稱為自由出流管道。管道出口漂浮在水面以下，則稱為漂浮出流。依據(jù)局部水頭損失占沿程水頭損失比重的大小，可將管道分為長(zhǎng)管和短管。占比重很小〔占沿程水頭損失的5～10損失和流速水頭所占比重大小來(lái)劃分的。實(shí)際計(jì)算中，水泵裝置、水輪機(jī)裝置、虹吸管、倒虹吸管、壩內(nèi)泄水管等均應(yīng)按短管計(jì)算；一般的簡(jiǎn)單管道可以按長(zhǎng)管計(jì)算。依據(jù)管道的平面布置狀況，可將管道系統(tǒng)分為簡(jiǎn)潔管道和簡(jiǎn)單管道兩大類。簡(jiǎn)潔管道是指管徑不變且無(wú)分支的管道道、枝狀和環(huán)狀管網(wǎng)等都是簡(jiǎn)單管道的例子。工力鋼管，水庫(kù)的有壓泄洪洞和泄洪管，供給城鎮(zhèn)工業(yè)和居民生活用水的各種輸水管網(wǎng)系統(tǒng)，道。爭(zhēng)論有壓管道的問(wèn)題具有重要的工程實(shí)際意義。有壓管道水力計(jì)算的主要內(nèi)容包括：①確定管道的輸水力量；②確定管道直徑；③確定管道系統(tǒng)所需的總水頭；④計(jì)算沿管線各斷面的壓強(qiáng)。其次節(jié) 簡(jiǎn)潔管路的水力計(jì)算以通過(guò)出口斷面中心線的水平面為基準(zhǔn)面，在離開(kāi)管道進(jìn)口肯定距離處選定1—1過(guò)2—21—12—2對(duì)基準(zhǔn)面建立能量方程，即可解決簡(jiǎn)潔管道的水力計(jì)算問(wèn)題，并可建立一般計(jì)算公式。簡(jiǎn)單管道自由出流水力計(jì)算公2gH0Q2gH0式 c式中，c稱為管道系統(tǒng)的流量系數(shù)，它反映了沿程水頭損失和局部水頭損失對(duì)過(guò)流能力的影響。計(jì)算公式為11ldc當(dāng)行近流速水頭很小時(shí)，可以無(wú)視不計(jì)，上述流量公式將簡(jiǎn)化為2gHQ 2gHc三.

Q A2gz2gzlldc式中，c

稱為管道系統(tǒng)的流量系數(shù)z表達(dá)式雖然不同，但當(dāng)管道布置形式及管徑全都時(shí)，其流量系數(shù)的數(shù)值卻是相等的〔為什么？。上述簡(jiǎn)潔管道水力計(jì)算根本公式中同時(shí)考慮了管道的沿程水頭損失和局部水頭損失是按短管計(jì)算的。假設(shè)管道為長(zhǎng)管，則計(jì)算過(guò)程將大大簡(jiǎn)化，具體如下。長(zhǎng) 管 自 由 出Hh流 f長(zhǎng) 管zh流 f

淹 沒(méi) 出重要，既不能遺漏，又不能多算。關(guān)于沿程水頭損失的計(jì)算，常用的有兩個(gè)公式：達(dá)西——魏斯巴赫公式和謝才公式。這兩個(gè)公式可通過(guò)關(guān)系式由謝才公式可得

8g CC2或

8g8gv2l Q2l Q2h

lS

Q2lhflJf C2R A2C2R K2 0hflJ或

QK KJKJ1K與流1S量Q具有一樣的單位。0s2/m6。

K2，稱為比阻，表示單位管長(zhǎng)在單位流量時(shí)的水頭損失，其時(shí)，相應(yīng)的沿程阻力系數(shù)λ、流量模數(shù)KS0可按下式計(jì)算124.5n21d38K0.3117d3nS 10.29n20 16d3流。輸送粘稠液體的管道，因液體的粘滯系數(shù)很大，也往往屬于層流。因此，進(jìn)展水頭損失進(jìn)展計(jì)算。的試驗(yàn)爭(zhēng)論，得出其沿程水頭損失系數(shù)計(jì)算的閱歷公式或圖表，并為工程實(shí)際計(jì)算所承受。這樣做的好處是避開(kāi)了對(duì)每種有用工程管道當(dāng)量粗糙度選擇的任意性和困難性料可參考水力計(jì)算手冊(cè)〔或?qū)I(yè)水力計(jì)算手冊(cè)。對(duì)重要的水工建筑物或特別的局部損失，有時(shí)需要進(jìn)展特地的試驗(yàn)來(lái)確定其系數(shù)。三、簡(jiǎn)潔管道水力計(jì)算的根本類型恒定管流水力計(jì)算的根本類型有以下幾類。1計(jì)算作用水頭確定管徑當(dāng)管道布置形式、管長(zhǎng)、流量、作用水頭均時(shí)，管徑是一個(gè)確定的數(shù)值，完全由水力學(xué)條件確定。對(duì)長(zhǎng)管hlK hl求出流量模數(shù)之后，可直接求得管徑。對(duì)短管4Q4Q 2gHc 0c因 又與管徑d有關(guān)，此時(shí)不能直接求解，需試算確定管徑。c當(dāng)管道布置形式、管長(zhǎng)、流量、時(shí)，要求確定管徑和作用水頭兩者。這種狀況下，管徑d則由技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件確定，即需要從技術(shù)經(jīng)濟(jì)兩方面綜合考慮確定管徑。e太小往往造成管道淤積。一般要求水電站引水管道v(5~6)m/s，一般給水管道v(2.5~3.0)m/s，同時(shí)要求v0.25m/s道造價(jià)較低，但管內(nèi)流速大，水頭損失增大，年運(yùn)行費(fèi)高；反過(guò)來(lái)，選擇的管徑較大，管道v的概念。經(jīng)濟(jì)流速是指管道投資與年運(yùn)行費(fèi)總和最小時(shí)的流速，相應(yīng)的管徑稱為經(jīng)濟(jì)管徑。e(2.5~3.5)m/s即承受經(jīng)濟(jì)流速來(lái)確定管徑。依據(jù)閱歷，水電站壓力隧洞的經(jīng)濟(jì)流速約為 ，e壓力鋼管(3~6)m/s。一般的給水管道，d100~200mm，v 0.6~1.0m/s；ed200~400mm，ve

1.0~1.4m/s。幾個(gè)方案進(jìn)展技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。選定經(jīng)濟(jì)流速之后，經(jīng)濟(jì)管徑可按下式計(jì)算4Q4Qvede并進(jìn)展規(guī)格化處理之后，驗(yàn)證管道流速，要求這個(gè)流速值必需滿足管道使用上對(duì)流速的技術(shù)要求。當(dāng)確定出管徑之后，作用水頭的計(jì)算按上述其次種類型計(jì)算即可。確定斷面壓強(qiáng)的大小管線布置、管長(zhǎng)、管徑、流量及作用水頭，求某一斷面壓強(qiáng)的大小。管道中的水流除局部管段以外，大局部是漸變流或均勻流。任一斷面i處的壓強(qiáng)可由下式計(jì)算p v2 iH z0 i

ii2gH

h0iv z h從上式可以看到，總水頭

0肯定時(shí)，i 、

i、0i越大，則該斷面的壓強(qiáng)越低。如iv hi果i 、0i一樣，則

斷面的壓強(qiáng)大小就取決于該斷面的位置高度zi。因此，有用上可通繪制在管道布置圖中即為測(cè)壓管水頭線線在管道中心線之下時(shí)，管道中即消滅了真空。有如下特點(diǎn)：1〕總水頭線比測(cè)壓管水頭線高出一個(gè)流速水頭，當(dāng)流量肯定時(shí)，管徑越大，總水頭〔即流速水頭2〕總水頭線總是沿程下降的，當(dāng)有沿程水頭損失時(shí)，總水頭線沿程漸漸下降，當(dāng)有局部水頭損失時(shí)，假定局部水頭損失集中發(fā)生在局部變化斷而，總水頭線鉛直下降。(3〕測(cè)壓管水頭線可能沿程上升〔如突然擴(kuò)大管段，也可能沿程下降〔一般狀況。(4〕總水頭線和測(cè)壓管水頭線的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)由管道進(jìn)出口邊界條件確定。第三節(jié) 簡(jiǎn)潔管路的設(shè)計(jì)計(jì)算舉例一．虹吸管的水力計(jì)算可以是自由出流，也可以是漂浮出流。游經(jīng)虹吸管流向下游。虹吸管水力計(jì)算的主要任務(wù)是確定虹吸管的流量及其頂部安裝高度。流量確實(shí)定按簡(jiǎn)潔管道水力計(jì)算類型一給定的方法或公式確定。安裝高度確實(shí)定可按下式計(jì)算。ch papcs

c

l)v2d 2g為保證虹吸管正常工作，工程中常常限制虹吸管中的真空度不得超過(guò)允許值〔一般為6~7m水柱。受允許吸上真空高度值的限制，虹吸管的安裝高度明顯不能太大。二、離心泵裝置的水力計(jì)算泵是能將動(dòng)力機(jī)械的機(jī)械功轉(zhuǎn)變?yōu)樗鳈C(jī)械能的水力機(jī)械。離心泵是最常用的一種水泵。吸水管、離心泵及其配套的動(dòng)力機(jī)械、壓水管及其管道附件組成了離心泵裝置。經(jīng)壓水管進(jìn)入水塔和用水地區(qū)。離心泵管路系統(tǒng)水力計(jì)算的主要任務(wù)是確定水泵的安裝高度和水泵揚(yáng)程度是指水泵轉(zhuǎn)輪軸線超出上游水池水面的幾何高度。〔１〕水泵安裝高度確實(shí)定水泵安裝高度計(jì)算公式p2z app2s

2

l)v2d 2gp pa 2式中， 為斷面泵進(jìn)口斷面的真空度。過(guò)大的真空度將引起過(guò)泵水流的空化現(xiàn)象，嚴(yán)峻的空化將導(dǎo)致過(guò)泵流量削減和水泵葉輪的空蝕。這樣，就不能保證泵的正常工作。為此各水泵制造商對(duì)各種型號(hào)的水泵的允許真空值都有規(guī)定應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)從產(chǎn)品樣本中查閱相應(yīng)型號(hào)水泵的允許真空值避開(kāi)粗略估算水泵的安裝高度要受到允許吸上真空高度的限制。〔2〕水泵揚(yáng)程確實(shí)定單位重量液體從水泵獲得的能量稱為水泵揚(yáng)程，按下式計(jì)算。H zhP 14H z h式中，P14為整個(gè)管路系統(tǒng)的水頭損失〔不包括水流流經(jīng)水泵的水頭損失。即水泵揚(yáng)程等于幾何揚(yáng)程電動(dòng)機(jī)。第四節(jié) 簡(jiǎn)單管路的水力計(jì)算簡(jiǎn)單管路由很多不同直徑,不同長(zhǎng)度,甚至不同糙率的管路組成。一、串聯(lián)管道由直徑不同的幾段管道依次連接而成的管道系統(tǒng)稱為串聯(lián)管道。串連管道各管段通過(guò)的流量可能一樣所以，應(yīng)分段計(jì)算其水頭損失。各管段的水頭損失可按謝才公式計(jì)算。Q2h i lfi K2 iii表示管段的號(hào)數(shù)。全管的水頭損失應(yīng)等于全管的作用水頭，即Hn

h fi

Q2l ilK2 ii1 i1 in為管段總數(shù)目。流量計(jì)算可從連續(xù)原理求得：Q Qqi1 i iqi為在第i段管道末端分出的流量。聯(lián)立上兩式可解決串聯(lián)管道的水力計(jì)算問(wèn)題。聯(lián)管道各段的水力坡度不同，全管的測(cè)壓管水頭線呈折線。二、并聯(lián)管道道室內(nèi)暖氣片的上下兩片就是一個(gè)并聯(lián)管道的例子。管道并聯(lián)局部的水頭損失相等，即h h h hf1 f2 f3 f等的單位勢(shì)能差作用下流淌。對(duì)于每一條管道，其本身的水流又必需符合水頭損失規(guī)律，即hfhf1lQK 1 1hf2hf2lQ K 2 2hlfhlf33Q K 3 3各管的流量應(yīng)等于分叉前干管上的總流量，即要滿足連續(xù)方程。QQ Q Q1 2 31總流量QQ、1、QQ h、Q2 3及f四個(gè)值。械能總量并不相等。三、分叉管道的水力計(jì)算管道的例子。分叉管道可作為兩條串聯(lián)管道計(jì)算，其中一條是公用管段。Q2 Q2H h

h f1

l 1lK2 K2 11H h

Q2 Q2l 2lf f2

K2 2212依據(jù)連續(xù)方程QQQ121、2聯(lián)立上述三個(gè)方程，即可求得總流量Q及各支管流量Q Q。假設(shè)總流量，也1、2可求解其他未知水力要素。四、沿程均勻泄流管道的水力計(jì)算況看作沿整個(gè)管道長(zhǎng)度上連續(xù)均勻泄流，以簡(jiǎn)化分析計(jì)算。dx流段內(nèi)，流量不變，并認(rèn)為水流為均勻流。于是在dx流段內(nèi)的沿程水頭損失可表示為1dh [Q(lx)q]2dxf K2將微小流段的水頭損失對(duì)整個(gè)管道進(jìn)展積分，即得到整個(gè)管道的沿程水頭損失。l 1 l 1Hhf

[Q(lx