壓力管路的計算課件

FluidMechanics

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

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

1.長管、短管的水力計算；

2.串聯(lián)管路、并聯(lián)管路的特點及計算；

3.水擊現(xiàn)象。難點：本章重點與難點長管的水力計算。重點：1.長管、短管的水力計算；難點：主要內(nèi)容6.1管路特性曲線6.2長管的水力計算6.3短管的水力計算6.4有壓管路中的水擊主要內(nèi)容6.1管路特性曲線6.2長管的水力計算6.3短引言壓力管路：在一定壓差下，液流充滿全管的流動管路。壓力管路按照管路結(jié)構(gòu)可以分為：簡單管路：等徑無分支管路復(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：長管和短管引言壓力管路：在一定壓差下，液流充滿全管的流動管路。長管：長輸管線輸送距離比較遠，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為長管。有時近似取。能量方程變?yōu)椋o泵）：長管：長輸管線輸送距離比較遠，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。對于有泵情況：記H0為作用水頭：短管：泵站、庫內(nèi)管線總距離比較短，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，稱之為短管。又可表示為：

i長管、短管的劃分并不僅僅是由于管線的長短，更重要在于從能量的角度考察比動能和局部水頭損失的比例。短管：泵站、庫內(nèi)管線總距離比較短，分支較多，兩端壓差較小，并定義：水頭損失與流量的關(guān)系曲線稱為管路的特性曲線。 其中： 把代入上式得： 可見：水頭損失與流量成平方指數(shù)關(guān)系。6.1管路特性曲線定義：水頭損失與流量的關(guān)系曲線稱為管路的特性曲線。6.1管管路特性曲線是管路能量平衡（能量供給=能量消耗）的直觀反映。對于給定管路，其特性曲線一定。如：對于長管無泵和有泵兩種情況，管路特性曲線如下圖：管路特性曲線對于確定泵的工況以及自由泄流工況有重要應(yīng)用價值。QhfHQhfz2-z1H0H0管路特性曲線是管路能量平衡（能量供給=能量消耗）的直觀反映。6.2長管的水力計算一、簡單長管二、長管的串聯(lián)和并聯(lián)三、分支管路6.2長管的水力計算一、簡單長管二、長管的串聯(lián)和并聯(lián)一、簡單長管定義：由許多管徑相同的管子組成的長輸管路，且沿程損失較大、局部損失較小，計算時可忽略局部損失和流速水頭。計算公式：簡單長管計算一般涉及公式：一、簡單長管為計算方便，將代入hf的計算公式，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為計算方便，將紊流流態(tài)——混合摩擦區(qū)（大慶設(shè)計院推薦公式）：

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說明：紊流流態(tài)——混合摩擦區(qū)（大慶設(shè)計院推薦公式）：說明：長輸水管道沿程阻力的計算公式為： 對于不同的流態(tài)，β

和m

的取值見下表：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長輸水管道沿程阻力的計算公式為：流態(tài)βm層流3、簡單長管的三類計算問題第一類問題：

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、簡單長管的三類計算問題Qv確定流態(tài)確定β、m或λhfΔp第二類問題： 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問題：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，計算：驗證假設(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，重新計算；若hf1<hf，則增大流量，取Q2>Q1，重新計算。循環(huán)往復(fù)，直至hfn≈hf，停止計算。繪圖法：按第一類問題的計算方法，選取足夠多Q，算出hf值，然后繪制圖形。使用時由hf

查找Q

即可。Qhf試算法：繪圖法：Qhf第三類問題：

已知：Q，Δp，Δz，L，μ，γ，求：經(jīng)濟管徑d

經(jīng)濟管徑計算：其一，d↑，材料費↑，施工費↑；其二，d↓，動力費用↑，設(shè)備（泵）費↑。如何解決這一矛盾，正是一個管徑優(yōu)選問題。 分析：Qv確定流態(tài)確定β、m或λhfΔp？？？流態(tài)假設(shè)法或試算法第三類問題：Qv確定流態(tài)確定β、m或λhfΔp？？？流態(tài)假設(shè)二、長管的串聯(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)用實例：輸水干線、集油干線分支流量二、長管的串聯(lián)和并聯(lián)1、串聯(lián)管路(PipeinSeri水力特性：a、各聯(lián)結(jié)點（節(jié)點）處流量出入平衡，即進入節(jié)點的總流量等于流出節(jié)點的總流量:（設(shè)流量流進節(jié)點為正，流出為負）。它反映了質(zhì)量守恒的連續(xù)性原理。b、全線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管路阻抗計算公式由，得或但則有③管路阻抗計算公式由，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)管路的水力計算①串聯(lián)管路——通常屬于長管計算的第一類問題，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——通常屬于長管計算第二類問題，例如：已知：hf，求：各管路Q分析：根據(jù)并聯(lián)管路水力特性解決流量Q的分配問題。掌握3、串、并聯(lián)管路的水力計算掌握4、串、并聯(lián)管路的水力意義——在長輸管線上的應(yīng)用在已建成的長輸管線上，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、延長管路輸送距離，或者爬過地形的翻越高點。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，通過繪制管路總水頭線分別進行說明。4、串、并聯(lián)管路的水力意義——在長輸管線上的應(yīng)用1)給定管路流量Q，在已建成的長輸管線AB段增設(shè)并聯(lián)副管可以延長管路的輸送距離。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)前進一段距離至C點。未設(shè)副管前ABhfhfO-BChfO-A增設(shè)副管后HO1)給定管路流量Q，在已建成的長輸管線AB段增設(shè)并聯(lián)副管2)在已建成的長輸管線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)過副管分流，可能Q（↓），hfA-B（↓）。最終仍可能滿足hfO-B=hf。確保管路正常運行。未增流量前ABhfhfO-A增加流量后hfO-BHO2)在已建成的長輸管線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，在已建成的長輸管線AB段改設(shè)串聯(lián)變徑管可以延長管路的輸送距離。

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)前進一段距離至C點。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，在已建成的長輸管線AB段改設(shè)串聯(lián)變徑4)在已建成的長輸管線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)過變徑管，d（↑），v（↓），hfA-B（↓）。最終仍可能滿足hfO-B=hf。確保管路正常運行。hfHOAB未增流量前hfO-BhfO-A增加流量后4)在已建成的長輸管線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已知單管路1、2的管路特性曲線，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不計水頭損失情況下，哪種管路的流量大？只計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)點處流量平衡：沿一條干線上總水頭損失為各點水頭損失之和：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短管的水力計算掌握許多室內(nèi)管線，集油站及壓水站內(nèi)管線管件較多，屬于短管。在短管的水力計算中，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、短管實用計算通式6.3短管的水力計算掌握許多室內(nèi)管線，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l1，小直徑管段：直徑d2，長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：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、短管實用計算通式由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、短管實用計算通式6.4有壓管路中的水擊一、水擊現(xiàn)象二、水擊壓強的計算三、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、水擊壓強的計算一、水擊現(xiàn)象(TheWaterhammerPhenomenon)1.

水擊現(xiàn)象(簡稱水擊或水錘)有壓管路中,由于某種外界原因(如閥門突然關(guān)閉或開啟、水泵機組突然停車等),使得液體流速突然變化,從而引起壓強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升高，可達到管道正常工作壓強的幾十倍甚至幾百倍，這種大幅度的壓強波動，往往引起管道強烈振動及噪聲，閥門破壞，管道接頭斷開，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閥門突然關(guān)閉，緊靠閥門的一層水突然由v0

0，緊靠閥門這一層水的應(yīng)力(即壓強p0)突然增加至p0+p。

p——水擊壓強(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，壓強也逐層提高，并以彈性波形式由閥門迅速地傳向管道進口。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(如閥門的突然關(guān)閉或開啟、水泵機組突然停車，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閥門突然關(guān)閉，緊靠閥門的一層水突然由v00，緊靠閥門4.水擊的傳播過程被壓縮狀態(tài)，即增壓波從閥門向管路進口傳播階段?；謴?fù)至起始階段,即減壓波從管路進口向閥門傳播階段。瞬時低壓狀態(tài)，減壓波從閥門向管路進口傳播階段?；謴?fù)起始狀態(tài)，即增壓波從管路進口向閥門傳播階段。

p/g4.水擊的傳播過程被壓縮狀態(tài)，即增壓波從閥門向管路進口傳播水擊傳播過程中，管道各斷面流速和壓強皆隨時間周期性升高、降低，故水擊過程是非恒定流。斷面0處壓強波動自動記錄的水擊壓強曲線水擊傳播過程中，管道各斷面流速和壓強皆隨時間周期性升高、降低二、水擊壓強的計算1.目的為設(shè)計壓力管路以及控制供水系統(tǒng)運行提供依據(jù)。2.直接水擊(waterhammerbyrapidclosure)——關(guān)閉時間經(jīng)

t，水擊波由mm傳至nn斷面。mm-nn段水的v0→v，