壓力管路的計(jì)算課件

FluidMechanics

流體力學(xué)河北工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院FluidMechanics

流體力學(xué)河北工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院16壓力管路的計(jì)算6壓力管路的計(jì)算26壓力管路的計(jì)算6壓力管路的計(jì)算本章要求掌握長(zhǎng)管水力計(jì)算方法；掌握短管水力計(jì)算方法；串聯(lián)管路、并聯(lián)管路及分支管路的特點(diǎn)及計(jì)算；理解水擊現(xiàn)象。本章要求掌握長(zhǎng)管水力計(jì)算方法；長(zhǎng)管的水力計(jì)算。管路的串聯(lián)及并聯(lián)。3.水擊現(xiàn)象。重點(diǎn)：

1.長(zhǎng)管、短管的水力計(jì)算；

2.串聯(lián)管路、并聯(lián)管路的特點(diǎn)及計(jì)算；

3.水擊現(xiàn)象。難點(diǎn)：本章重點(diǎn)與難點(diǎn)長(zhǎng)管的水力計(jì)算。重點(diǎn)：1.長(zhǎng)管、短管的水力計(jì)算；難點(diǎn)：主要內(nèi)容6.1管路特性曲線(xiàn)6.2長(zhǎng)管的水力計(jì)算6.3短管的水力計(jì)算6.4有壓管路中的水擊主要內(nèi)容6.1管路特性曲線(xiàn)6.2長(zhǎng)管的水力計(jì)算6.3短引言壓力管路：在一定壓差下，液流充滿(mǎn)全管的流動(dòng)管路。壓力管路按照管路結(jié)構(gòu)可以分為：簡(jiǎn)單管路：等徑無(wú)分支管路復(fù)雜管路：串聯(lián)、并聯(lián)、分支及管網(wǎng)等壓力管路按照能量比例大小分為：長(zhǎng)管和短管引言壓力管路：在一定壓差下，液流充滿(mǎn)全管的流動(dòng)管路。長(zhǎng)管：長(zhǎng)輸管線(xiàn)輸送距離比較遠(yuǎn)，兩端壓差比較大，局部阻力和流速水頭所占能量比例較小。和沿程水頭損失相比，流速水頭和局部水頭損失可以忽略的管路稱(chēng)為長(zhǎng)管。有時(shí)近似取。能量方程變?yōu)椋o(wú)泵）：長(zhǎng)管：長(zhǎng)輸管線(xiàn)輸送距離比較遠(yuǎn)，兩端壓差比較大，局部阻力和流速記H0為作用水頭：則有：。表示了能量供給與能量損耗之間的平衡。對(duì)于有泵情況：記H0為作用水頭：短管：泵站、庫(kù)內(nèi)管線(xiàn)總距離比較短，分支較多，兩端壓差較小，并且有大量管子連接部件。和沿程水頭損失相比，流速水頭和局部水頭損失不可以忽略，稱(chēng)之為短管。又可表示為：

i長(zhǎng)管、短管的劃分并不僅僅是由于管線(xiàn)的長(zhǎng)短，更重要在于從能量的角度考察比動(dòng)能和局部水頭損失的比例。短管：泵站、庫(kù)內(nèi)管線(xiàn)總距離比較短，分支較多，兩端壓差較小，并定義：水頭損失與流量的關(guān)系曲線(xiàn)稱(chēng)為管路的特性曲線(xiàn)。 其中： 把代入上式得： 可見(jiàn)：水頭損失與流量成平方指數(shù)關(guān)系。6.1管路特性曲線(xiàn)定義：水頭損失與流量的關(guān)系曲線(xiàn)稱(chēng)為管路的特性曲線(xiàn)。6.1管管路特性曲線(xiàn)是管路能量平衡（能量供給=能量消耗）的直觀反映。對(duì)于給定管路，其特性曲線(xiàn)一定。如：對(duì)于長(zhǎng)管無(wú)泵和有泵兩種情況，管路特性曲線(xiàn)如下圖：管路特性曲線(xiàn)對(duì)于確定泵的工況以及自由泄流工況有重要應(yīng)用價(jià)值。QhfHQhfz2-z1H0H0管路特性曲線(xiàn)是管路能量平衡（能量供給=能量消耗）的直觀反映。6.2長(zhǎng)管的水力計(jì)算一、簡(jiǎn)單長(zhǎng)管二、長(zhǎng)管的串聯(lián)和并聯(lián)三、分支管路6.2長(zhǎng)管的水力計(jì)算一、簡(jiǎn)單長(zhǎng)管二、長(zhǎng)管的串聯(lián)和并聯(lián)一、簡(jiǎn)單長(zhǎng)管定義：由許多管徑相同的管子組成的長(zhǎng)輸管路，且沿程損失較大、局部損失較小，計(jì)算時(shí)可忽略局部損失和流速水頭。計(jì)算公式：簡(jiǎn)單長(zhǎng)管計(jì)算一般涉及公式：一、簡(jiǎn)單長(zhǎng)管為計(jì)算方便，將代入hf的計(jì)算公式，得到一種更常用的公式：。層流流態(tài)：

即：β＝4.15，m＝1紊流流態(tài)——水力光滑區(qū)：

即：β＝0.0246，m＝0.25為計(jì)算方便，將紊流流態(tài)——混合摩擦區(qū)（大慶設(shè)計(jì)院推薦公式）：

其中： 即：β＝0.0802A，m＝0.123紊流流態(tài)——水力粗糙區(qū)：

即：β＝0.0826λ，m＝0說(shuō)明：紊流流態(tài)——混合摩擦區(qū)（大慶設(shè)計(jì)院推薦公式）：說(shuō)明：長(zhǎng)輸水管道沿程阻力的計(jì)算公式為： 對(duì)于不同的流態(tài)，β

和m

的取值見(jiàn)下表：流態(tài)βm層流4.151水力光滑0.02460.25混合摩擦0.0802A0.123水力粗糙

0.0826λ0長(zhǎng)輸水管道沿程阻力的計(jì)算公式為：流態(tài)βm層流3、簡(jiǎn)單長(zhǎng)管的三類(lèi)計(jì)算問(wèn)題第一類(lèi)問(wèn)題：

已知：Q，Δz

，d，L，μ，γ，求：hf

，Δp

分析：Qv確定流態(tài)確定β、m或λhfΔp掌握3、簡(jiǎn)單長(zhǎng)管的三類(lèi)計(jì)算問(wèn)題Qv確定流態(tài)確定β、m或λhfΔp第二類(lèi)問(wèn)題： 已知：Δp

，Δz

，d，L，μ，γ，求：Q

分析：Qv確定流態(tài)確定β、m或λhfΔp？？？假設(shè)流態(tài)法、試算法或繪圖法第二類(lèi)問(wèn)題：Qv確定流態(tài)確定β、m或λhfΔp？？？假設(shè)流態(tài)假設(shè)流態(tài)法：先假設(shè)一流態(tài)，取β，m值，計(jì)算：驗(yàn)證假設(shè)：如由Q′及Re′得出的流態(tài)和假設(shè)流態(tài)一致，則Q′為所求Q；如由Q′及Re′得出的流態(tài)和假設(shè)流態(tài)不一致，則重新假設(shè)流態(tài)，重復(fù)計(jì)算。Q′v′校核流態(tài)假設(shè)流態(tài)法：Q′v′校核流態(tài)試算法：

設(shè)定Q1，解得hf1。判斷：若hf1>hf，則減小流量，取Q2<Q1，重新計(jì)算；若hf1<hf，則增大流量，取Q2>Q1，重新計(jì)算。循環(huán)往復(fù)，直至hfn≈hf，停止計(jì)算。繪圖法：按第一類(lèi)問(wèn)題的計(jì)算方法，選取足夠多Q，算出hf值，然后繪制圖形。使用時(shí)由hf

查找Q

即可。Qhf試算法：繪圖法：Qhf第三類(lèi)問(wèn)題：

已知：Q，Δp，Δz，L，μ，γ，求：經(jīng)濟(jì)管徑d

經(jīng)濟(jì)管徑計(jì)算：其一，d↑，材料費(fèi)↑，施工費(fèi)↑；其二，d↓，動(dòng)力費(fèi)用↑，設(shè)備（泵）費(fèi)↑。如何解決這一矛盾，正是一個(gè)管徑優(yōu)選問(wèn)題。 分析：Qv確定流態(tài)確定β、m或λhfΔp？？？流態(tài)假設(shè)法或試算法第三類(lèi)問(wèn)題：Qv確定流態(tài)確定β、m或λhfΔp？？？流態(tài)假設(shè)二、長(zhǎng)管的串聯(lián)和并聯(lián)1、串聯(lián)管路(PipeinSeries)定義：由不同管徑的管道依次連接而成的管路。應(yīng)用實(shí)例：輸水干線(xiàn)、集油干線(xiàn)分支流量二、長(zhǎng)管的串聯(lián)和并聯(lián)1、串聯(lián)管路(PipeinSeri水力特性：a、各聯(lián)結(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)）處流量出入平衡，即進(jìn)入節(jié)點(diǎn)的總流量等于流出節(jié)點(diǎn)的總流量:（設(shè)流量流進(jìn)節(jié)點(diǎn)為正，流出為負(fù)）。它反映了質(zhì)量守恒的連續(xù)性原理。b、全線(xiàn)水頭損失為各分段水頭損失之和，即： 它反映了能量守恒原理。水力特性：2、并聯(lián)管路定義：兩條以上的管路在同一處分離，后又在同一處匯合。2、并聯(lián)管路水力特征：a、進(jìn)入各并聯(lián)管的總流量等于流出各并聯(lián)管的總流量之和，即：b、不同并聯(lián)管段A→B，單位重量液體的能量損失相同，即：水力特征：③管路阻抗計(jì)算公式由，得或但則有③管路阻抗計(jì)算公式由，得或但則有④并聯(lián)管路流量分配規(guī)律或④并聯(lián)管路流量分配規(guī)律或3、串、并聯(lián)管路的水力計(jì)算①串聯(lián)管路——通常屬于長(zhǎng)管計(jì)算的第一類(lèi)問(wèn)題，例如：已知：Q，求：hf分析：根據(jù)串聯(lián)管路水力特性求解全管路的沿程水頭損失hf。②并聯(lián)管路——通常屬于長(zhǎng)管計(jì)算第二類(lèi)問(wèn)題，例如：已知：hf，求：各管路Q(chēng)分析：根據(jù)并聯(lián)管路水力特性解決流量Q的分配問(wèn)題。掌握3、串、并聯(lián)管路的水力計(jì)算掌握4、串、并聯(lián)管路的水力意義——在長(zhǎng)輸管線(xiàn)上的應(yīng)用在已建成的長(zhǎng)輸管線(xiàn)上，增設(shè)串聯(lián)變徑管或者并聯(lián)副管可以增加管路輸送量、延長(zhǎng)管路輸送距離，或者爬過(guò)地形的翻越高點(diǎn)。通常，副管與主管的直徑相同，變徑管直徑大于主管。下面以自由泄流情況為例，通過(guò)繪制管路總水頭線(xiàn)分別進(jìn)行說(shuō)明。4、串、并聯(lián)管路的水力意義——在長(zhǎng)輸管線(xiàn)上的應(yīng)用1)給定管路流量Q，在已建成的長(zhǎng)輸管線(xiàn)AB段增設(shè)并聯(lián)副管可以延長(zhǎng)管路的輸送距離。并聯(lián)副管后，主管AB段Q

（↓），v

（↓），hf（↓），即：hfO-B<hf。則：作用水頭H仍有部分能量剩余，可供給管中水流繼續(xù)前進(jìn)一段距離至C點(diǎn)。未設(shè)副管前ABhfhfO-BChfO-A增設(shè)副管后HO1)給定管路流量Q，在已建成的長(zhǎng)輸管線(xiàn)AB段增設(shè)并聯(lián)副管2)在已建成的長(zhǎng)輸管線(xiàn)AB段增設(shè)并聯(lián)副管可以增加管路輸送量。

并聯(lián)副管且增加流量后，主管OA段Q（↑），hfO-A（↑）；主管AB段經(jīng)過(guò)副管分流，可能Q（↓），hfA-B（↓）。最終仍可能滿(mǎn)足hfO-B=hf。確保管路正常運(yùn)行。未增流量前ABhfhfO-A增加流量后hfO-BHO2)在已建成的長(zhǎng)輸管線(xiàn)AB段增設(shè)并聯(lián)副管可以增加管路輸送3)給定管路流量Q，在已建成的長(zhǎng)輸管線(xiàn)AB段改設(shè)串聯(lián)變徑管可以延長(zhǎng)管路的輸送距離。

串聯(lián)變徑管后，主管AB段d（↑），v（↓），hf（↓），即：hfO-B<hf。則：作用水頭H仍有部分能量剩余，可供給管中水流繼續(xù)前進(jìn)一段距離至C點(diǎn)。hfhfO-BCHOAB未設(shè)變徑管前hfO-A設(shè)變徑管后3)給定管路流量Q，在已建成的長(zhǎng)輸管線(xiàn)AB段改設(shè)串聯(lián)變徑4)在已建成的長(zhǎng)輸管線(xiàn)AB段改設(shè)串聯(lián)變徑管可以增加管路輸送量。

串聯(lián)變徑管且增加流量后，主管OA段Q（↑），hfO-A（↑）；主管AB段經(jīng)過(guò)變徑管，d（↑），v（↓），hfA-B（↓）。最終仍可能滿(mǎn)足hfO-B=hf。確保管路正常運(yùn)行。hfHOAB未增流量前hfO-BhfO-A增加流量后4)在已建成的長(zhǎng)輸管線(xiàn)AB段改設(shè)串聯(lián)變徑管可以增加管路輸Qhf21Q1=2Qhf12hf1-2hf1hf2Q1=Q2=Q1-25)串、并聯(lián)管路的管路特性曲線(xiàn)已知單管路1、2的管路特性曲線(xiàn)，根據(jù)串、并聯(lián)管路的水力特性有：12121-2Q1

Q2hf1=hf2=hf1=21=2Qhf21Q1=2Qhf12hf1-2hf1hf2Q1=Q不計(jì)水頭損失情況下，哪種管路的流量大？只計(jì)沿程水頭損失的情況下，哪種管路的流量大？H123（a）H123（b）答案：Qa<Qb答案：Qa=Qb分析兩種串聯(lián)管路：不計(jì)水頭損失情況下，哪種管路的流量大？H123（a）H123水力特性：各節(jié)點(diǎn)處流量平衡：沿一條干線(xiàn)上總水頭損失為各點(diǎn)水頭損失之和：三、分支管路ABCDE定義：各支管只在流體入口或出口處連接在一起，而另一端分開(kāi)不相連接的管路。三、分支管路ABCDE定義：各支管只在流體入口或出口處連接在6.3短管的水力計(jì)算掌握許多室內(nèi)管線(xiàn)，集油站及壓水站內(nèi)管線(xiàn)管件較多，屬于短管。在短管的水力計(jì)算中，必須考慮局部水頭損失以及流速水頭。一、綜合阻力系數(shù)二、短管實(shí)用計(jì)算通式6.3短管的水力計(jì)算掌握許多室內(nèi)管線(xiàn)，集油站及壓水站內(nèi)管一、綜合阻力系數(shù)

根據(jù)伯努利方程，有：

其中管路水頭損失： 可記為：。ζc

稱(chēng)為綜合阻力系數(shù)。一、綜合阻力系數(shù)已知：如圖所示短管，大直徑管段：直徑d1，長(zhǎng)l1，小直徑管段：直徑d2，長(zhǎng)l2，孔板直徑d，各局部管件阻力系數(shù)如下：大閘頭：ζ1孔板：ζ2大小頭：ζ3⑤⑥彎頭：ζ4、ζ5、ζ6⑦小閘門(mén)：ζ7求：全管路的總水頭損失vw例已知：如圖所示短管，大直徑管段：直徑d1，長(zhǎng)l1，小直徑管段解：

以出口速度作為標(biāo)準(zhǔn)，把其它速度化成出口速度表示的形式。（ζc

即為綜合阻力系數(shù)）解： 以出口速度作為標(biāo)準(zhǔn)，把其它速度化成出口速度表示的形式。二、短管實(shí)用計(jì)算通式由1、2斷面的伯努利方程，有：記作用水頭：則有：得：為流量系數(shù)。二、短管實(shí)用計(jì)算通式6.4有壓管路中的水擊一、水擊現(xiàn)象二、水擊壓強(qiáng)的計(jì)算三、水擊波的傳播速度四、水擊危害的預(yù)防6.4有壓管路中的水擊一、水擊現(xiàn)象二、水擊壓強(qiáng)的計(jì)算一、水擊現(xiàn)象(TheWaterhammerPhenomenon)1.

水擊現(xiàn)象(簡(jiǎn)稱(chēng)水擊或水錘)有壓管路中,由于某種外界原因(如閥門(mén)突然關(guān)閉或開(kāi)啟、水泵機(jī)組突然停車(chē)等),使得液體流速突然變化,從而引起壓強(qiáng)急劇升高和降低交替變化的現(xiàn)象。2.水擊的危害性水擊引起的壓強(qiáng)升高，可達(dá)到管道正常工作壓強(qiáng)的幾十倍甚至幾百倍，這種大幅度的壓強(qiáng)波動(dòng)，往往引起管道強(qiáng)烈振動(dòng)及噪聲，閥門(mén)破壞，管道接頭斷開(kāi)，甚至管道爆裂等重大事故。一、水擊現(xiàn)象(TheWaterhammerPheno3.水擊產(chǎn)生的原因管中水擊l3.水擊產(chǎn)生的原因管中水擊lⅠ閥門(mén)突然關(guān)閉，緊靠閥門(mén)的一層水突然由v0

0，緊靠閥門(mén)這一層水的應(yīng)力(即壓強(qiáng)p0)突然增加至p0+p。

p——水擊壓強(qiáng)(Water-hammerpressure)。Ⅱp使nn-mm段管流的水壓縮、管壁膨脹，與之相接的層及后續(xù)各層水相繼逐層停止流動(dòng)，壓強(qiáng)也逐層提高，并以彈性波形式由閥門(mén)迅速地傳向管道進(jìn)口。由于水擊而產(chǎn)生的彈性波——水擊波(Waterhammerwave)。Ⅲ引起管道水流速度變化的因素(如閥門(mén)的突然關(guān)閉或開(kāi)啟、水泵機(jī)組突然停車(chē)，等等)是發(fā)生水擊的條件。水流本身具有慣性和壓縮性是發(fā)生水擊的內(nèi)在原因。Ⅰ閥門(mén)突然關(guān)閉，緊靠閥門(mén)的一層水突然由v00，緊靠閥門(mén)4.水擊的傳播過(guò)程被壓縮狀態(tài)，即增壓波從閥門(mén)向管路進(jìn)口傳播階段?；謴?fù)至起始階段,即減壓波從管路進(jìn)口向閥門(mén)傳播階段。瞬時(shí)低壓狀態(tài)，減壓波從閥門(mén)向管路進(jìn)口傳播階段?；謴?fù)起始狀態(tài)，即增壓波從管路進(jìn)口向閥門(mén)傳播階段。

p/g4.水擊的傳播過(guò)程被壓縮狀態(tài)，即增壓波從閥門(mén)向管路進(jìn)口傳播水擊傳播過(guò)程中，管道各斷面流速和壓強(qiáng)皆隨時(shí)間周期性升高、降低，故水擊過(guò)程是非恒定流。斷面0處壓強(qiáng)波動(dòng)自動(dòng)記錄的水擊壓強(qiáng)曲線(xiàn)水擊傳播過(guò)程中，管道各斷面流速和壓強(qiáng)皆隨時(shí)間周期性升高、降低二、水擊壓強(qiáng)的計(jì)算1.目的為設(shè)計(jì)壓力管路以及控制供水系統(tǒng)運(yùn)行提供依據(jù)。2.直接水擊(waterhammerbyrapidclosure)——關(guān)閉時(shí)間經(jīng)

t，水擊波由mm傳至nn斷面。mm-nn段水的v0→v，