《流體輸配管網(wǎng) 第4版》 課件 第1章 流體輸配基礎(chǔ)

流體輸配管網(wǎng)

第4版

第1章流體輸配基礎(chǔ)

1.1有壓管網(wǎng)水力計算基礎(chǔ)1.1.1枝狀管網(wǎng)與環(huán)狀管網(wǎng)

流體輸配管網(wǎng)基本任務(wù)：

一、流體（物質(zhì)）的轉(zhuǎn)運與分配

二、能量的轉(zhuǎn)運與分配

在流體（物質(zhì)）、能量的轉(zhuǎn)運與分配過程中，存在流體的機械能損失。

建筑流體輸配管網(wǎng)按照目的和用途來劃分，大致可分為下述4類：

1.滿足（建筑）環(huán)境控制（生產(chǎn)工藝或生活所需要的環(huán)境）目標(biāo)的管網(wǎng)系統(tǒng)；

2.滿足生產(chǎn)工藝及生活需要的用水，用氣管網(wǎng)系統(tǒng)；

3.安全消防；

4.其它，如制冷機組各元件（零部件）之間的連接管道、空壓管道等。

1.1.1.1枝狀管網(wǎng)

枝狀管網(wǎng)是指輸送流體的管道通過串聯(lián)與并聯(lián)的組合呈樹枝狀排列的管道系統(tǒng)（管網(wǎng)）。

圖1-1枝狀管網(wǎng)

根據(jù)并、串聯(lián)管路的計算原則，可得到該風(fēng)機應(yīng)具有的壓頭為

（1-1）

風(fēng)機應(yīng)具有的風(fēng)量為

（1-2）

圖1-2均勻泄流管路管段每單位長度上泄出的流量均相同即等于qV，這種管路稱為均勻泄流管路

（1-3）

（1-4）

近似寫作

近似寫作

（1-5）

引入計算流量qVc（1-6）

（1-7）

流量qVz=0

（1-8）

1.1.1.2環(huán)狀管網(wǎng)

1、Hardy-Cross方法

環(huán)狀管網(wǎng)是指管道通過串聯(lián)與并聯(lián)的組合存在一個以上閉合環(huán)路的管道系統(tǒng)（管網(wǎng)）。

圖1-3

環(huán)狀管網(wǎng)遵循串聯(lián)和并聯(lián)管路的計算原則，

根據(jù)其特點，并存在下列兩個條件：

（1）任一節(jié)點（如點）流入和流出的流量相等。

（2）任一閉合環(huán)路（如）中，如規(guī)定順時針方向流動的阻力損失為正，反之為負(fù)，則各管段阻力損失的代數(shù)和必等于零。（1）哈迪·克羅斯（Hardy-Cross）方法

圖1-4環(huán)路劃分

計算程序如下：

①將管網(wǎng)分成若干環(huán)路如圖1-4上分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個閉合環(huán)路。按節(jié)點流量平衡確定流量，選取限定流速

，定出管徑D。

②按照上面規(guī)定的流量與損失在環(huán)路中的正負(fù)值，求出每一環(huán)路的總損失。

③根據(jù)上面給定的流量，若計算出來的不為零，則每段管路應(yīng)加校正流量，而與此相適應(yīng)的阻力損失修正值為。

④用同樣的程序，計算出第二次校正后的流量，第三次校正后的流量……，直至滿足工程精度要求為止。

圖1-5 環(huán)網(wǎng)計算圖

（2）燃?xì)猸h(huán)狀管網(wǎng)水力計算方法

手工表格法步驟：

①布置管網(wǎng)，繪制管網(wǎng)平面示意圖。

②計算管網(wǎng)各管段的途泄流量。

③假定各管段的氣流方向并選擇零速點。

④求管網(wǎng)各管段的計算流量。

⑤選擇管徑。

⑥進(jìn)行初步計算。

⑦進(jìn)行校正計算，即水力平差計算。

[例1-2]有一低壓環(huán)網(wǎng)，環(huán)網(wǎng)中管段的長度及環(huán)內(nèi)建筑用地面積均如圖1-6所示，人口密度每公頃為500人，每人每小時的平均用氣量為0.08m3，在2、6、9節(jié)點處有三個集中用戶，用氣量如圖所示?，F(xiàn)供應(yīng)該管網(wǎng)的是城市焦?fàn)t燃?xì)?，燃?xì)鈱諝庀鄬γ芏葹?.55，求管網(wǎng)中各段的管徑。圖1-6燃?xì)猸h(huán)網(wǎng)計算圖1.1.2小密度差管流流動圖1-7熱水采暖示意圖

對1-1，2-2兩個截面，其伯努利方程

（1-20）

式（1-20）考慮的是浮力（密度差）對流動過程的影響，稱之為小密度差管流能量方程。

熱水自然循環(huán)

（1-21）

管內(nèi)流體與管外流體存在的密度差所導(dǎo)致的流動，這一類存在兩種場合：

一是密度與空氣不同的其它氣體流動，如燃?xì)饬鲃?，其密度大多輕于空氣。

另一個場合是高溫?zé)煔饬鲃?，煙氣密度一般也低于?dāng)?shù)乜諝獾拿芏取?/p>

對于恒定氣流流動，其能量方程可表示為：

（1-23）

是斷面1、2的相對壓強，專業(yè)上習(xí)慣稱為靜

壓。

習(xí)慣稱為動壓。

是容重差與高程差的乘積，稱為位壓，表

示管內(nèi)外流體密度差的作用

當(dāng)氣流方向（向上或向下）與實際作用力（重力或浮力）方向相同時，位壓為正。當(dāng)二者方向相反時，位壓為負(fù)。應(yīng)當(dāng)注意，氣流在有效浮力作用下，位置升高，位壓減??；位置降低，位壓增大。這與氣流在有效重力作用下，位置升高，位壓增大；位置降低，位壓減小正好相反。

是1，2兩斷面間的壓強損失。

靜壓和位壓相加，稱為勢壓，以表示。

勢壓與管中水流的測壓管水頭相對應(yīng)。

靜壓和動壓之和，稱為全壓，以表示。

靜壓，動壓和位壓三項之和以表示，稱

為總壓，與管中水流的總水頭線相對應(yīng)。

存在位壓時，總壓等于位壓加全壓。位壓

為零時，總壓就等于全壓。

位壓（）（）實際上就表示了管內(nèi)

外流體存在密度差時所具有的附加壓頭。

煙氣流動

圖1-9

對1-1斷面處煙囪內(nèi)外之流體可分別寫出

其靜力學(xué)基本方程：

（1-25）

（1-26）

若

在1-1斷面處煙囪內(nèi)外兩側(cè)壓差大小為：

（1-27）

本章理解難點：1、設(shè)計工況2、水力平衡與最不利工況3、并聯(lián)管路阻力特性原理4、習(xí)題主要為基本概念理解，有關(guān)環(huán)路管網(wǎng)可參見燃?xì)廨斉淅}1.2無壓流動基礎(chǔ)—明渠均勻流1.2.1概述

明渠是一種具有自由表面水流的渠道。

可分為

天然明渠，如天然河道。

人工明渠，如人工渠道（輸水渠、排水

渠等）、運河及未充滿水流

的管道等。

明渠水流與有壓管流不同，它具有自由表面，表面上各點受大氣壓強作用，其相對壓強為零，故又稱為無壓流動或重力流動。1.2.1.1明渠的分類

由于過水?dāng)嗝嫘螤?、尺寸與底坡的變化對明渠水流運動有重要影響，故明渠一般分為以下類型：

1.棱柱形渠道與非棱柱形渠道:

凡是斷面形狀及尺寸沿程不變的長直渠道，稱為棱柱形渠道，否則為非棱柱形渠道。

圖1-10常見渠道斷面形狀2.順坡、平坡和逆坡渠道:

明渠底一般是個斜面，在縱剖面上，渠底便成一條斜直線，這一斜線就是渠道底線的坡度便是渠道底坡，它單位流程上渠底高程降低值。

一般規(guī)定：

渠底沿程降低的底坡為稱為順坡；渠底水平時，稱為平坡；渠底沿程升高時，稱為逆坡。圖1-11渠道底坡類型1.2.1.2明渠均勻流的條件與特征均勻流是一種漸變流的極限情況，即流線是絕對平行無彎曲的流動。明渠均勻流的水流具有如下特征：斷面平均流速沿程不變；水深也沿程不變；而且總能線即總水頭線，水面及渠底相互平行，也就是說，其總水頭線坡度（水力坡度），測管水頭線坡度（水面坡度）和渠道底坡彼此相等（圖1-13），亦即

圖1-13明渠均勻流

1.2.2明渠均勻流的計算公式

明渠水流一般屬于紊流阻力平方區(qū)即第二自模區(qū)。明渠均勻流水力計算中的流速公式，長期以來一般表示為如下形式：

（1-31）

1.謝才公式

1769年，法國工程師謝才（AntoineChezy）提出了明渠均勻流的計算公式即謝才公式

（1-32）

2.流量模數(shù)與正常水深

根據(jù)謝才公式可得流量計算式

(1-34)3.曼寧公式與巴甫洛夫斯基公式

愛爾蘭工程師曼寧（RobertManning）1889年亦提出了一個明渠均勻流公式。

（1-37）

將謝才公式與曼寧公式相比較，便得

（1-38）

此式表明了謝才系數(shù)與曼寧粗糙系數(shù)之間的重要關(guān)系，稱之為曼寧公式。

4.粗糙系數(shù)n

粗糙系數(shù)值的大小綜合反映渠道壁面（包括渠底）對水流阻力的作用，它不僅與渠道表面材料有關(guān)，同時和水位高低（即流量大?。┮约斑\行管理的好壞有關(guān)。

因此，正確地選擇渠道壁面的粗糙系數(shù)對于渠道水力計算成果和工程造價的影響頗大。

1.2.3明渠水力最優(yōu)斷面和允許流速

1.水力最優(yōu)斷面

明渠均勻流輸水能力的大小取決于渠道底坡、粗糙系數(shù)以及過水?dāng)嗝娴男螤詈统叽?。在設(shè)計渠道時，底坡一般隨地形條件而定，粗糙系數(shù)取決于渠壁的材料，于是，渠道輸水能力只取決于斷面大小和形狀。

當(dāng)i、n及A大小一定，使渠道所通過的流量最大的那種斷面形狀稱為水力最優(yōu)斷面。

梯形斷面的水力最優(yōu)條件

設(shè)明渠梯形過水?dāng)嗝妫▓D1-10a）的底為b，水深為h，邊坡系數(shù)為m，水力最優(yōu)條件為

2.渠道的允許流速

式中

是免遭沖刷的最大允許流速，簡稱不沖允許流速；

是免受淤積的最小允許流速，簡稱不淤允許流速。1.2.4明渠均勻流水力計算的基本問題

明渠均勻流的水力計算，主要有以下三種基本問題，現(xiàn)以最常用的梯形斷面渠道為例分述如下：

1.驗算渠道的輸水能力

這類問題主要是對已成渠道進(jìn)行校核性的水力計算，特別是驗算其輸水能力問題。

2.決定渠道底坡

設(shè)計渠道底坡時，一般已知土壤或護(hù)面材料、設(shè)計流量以及斷面的幾何尺寸，即已知n、qV和m、b、h0各量，求所需要的底坡i。

3.決定渠道斷面尺寸

在設(shè)計一條新渠道時，一般已知流量qV、渠道底坡i、邊坡系數(shù)m及粗糙系數(shù)n，求渠道斷面尺寸b和h。1.2.5無壓圓管均勻流的水力計算

1.2.5.1.無壓圓管均勻流的水力特征

1、水力特征

（1）明渠均勻流動，對于比較長的無壓圓管來說，直徑不變的順直段，其水流狀態(tài)與明渠均勻流相同，它的水力坡度、水面坡度以及底坡彼此相等。

（2）無壓圓管道均勻流之流速和流量分別在水流為滿流之前，達(dá)到其最大值。

水流在無壓圓管中的充滿程度可用水深對直徑的比值即充滿度來表示。其輸水性能最優(yōu)時的水流充滿度可根據(jù)水力最優(yōu)條件導(dǎo)出。