第18讲流体的管内流动与水力计算：管内流动的阻力特性曲线

第五节管内流动的阻力特性曲线概念：管路流动的阻力特性曲线是流体在管路系统中通过的流量与所需要的水头（或能头）之间的关系曲线。计算：如图所示，液体输送系统，由贮液槽、受液槽、泵和管路组成。假设贮液槽和受液槽的压力分别为和，两个液面之间的高度差为，则可通过列断面1-1和2-2之间的能量方程，得到其管路特性曲线1p2php2hp1III选择泵扬程计算其中为管路阻抗。上式为管路的阻力特性曲线，表示特定管路系统中、恒定流动条件下，动力设备所提供的能量和管路系统流量之间的关系，可以看出，提供的能量随系统流量的平方而变化，将此关系绘制在流量和压头为坐标的直角坐标系中，如下图所示。它是一条在纵轴上截距为的抛物线。2121QSHHHHHHS1H同一管路系统中，恒定操作条件下，管路阻抗为一常数。若操作条件改变，则管路阻力会发生变化，随之变化，-也会相应变化。例如将离心式泵的出口管路上的节流阀关小时，管路的阻力将增大，管路阻力特性曲线将变陡，如图中的Ⅱ线。当阀门开大时，管路阻力将减小，管路阻力特性曲线将平缓，如图中的Ⅲ线。HSQH相应的气体管路的特性曲线方程为：当时，上式可简化为：21QSppp01p2QSpp【例4-23】某管路系统风量为时，系统阻力为，试绘出管路阻力特性曲线。假定管路阻力特性曲线中。sm/5003Pa30001p【解】由于，风机的全压就等于管路系统的阻力，即。管路阻力特性曲线为：（1）计算气体管路的阻抗：则该管路系统的阻力特性曲线为：01pPap3002QSpp0012.050030022QpSp20012.0Qp描点法可得其管路阻力特性曲线如图所示。管路阻力特性曲线（2）绘制管路阻力特性曲线流量（）50100200250750全压（）3124875675sm/3Pa第六节有压管中的水击前面讨论的都是不可压缩性流体的稳定流动,没有考虑流体的压缩性。但液体在有压管道中发生的水击现象，则必须考虑液体的压缩性，同时还要考虑管壁材料的弹性。一、水击现象•概念当液体在压力管道中流动时，由于某种外界原因（如阀门的突然开启或关闭，或者水泵的突然停车或启动，以及其它一些特殊情况）液体流动速度突然改变，引起管道中压力产生反复的、急剧的变化，这种现象称为水击（或水锤）。•特点①水击现象发生后，引起压力升高的数值，可能达到正常压力的几十倍甚至几百倍，而且增压和减压交替频率很高，其危害性很大，会使管壁材料及管道上的设备承受很大的应力，产生变形，严重时会造成管道或附件的破裂。•特点②压力的反复变化会使管壁及设备受到反复的冲击，发出强烈的振动和噪音，尤如管道受到锤击一样，故又称为水锤。③这种反复的冲击还会使金属表面损坏，打出许多麻点，轻者增大了流动阻力，重者损坏管道及设备。•危害水击对各种工业管道和生活中的供水管道、水泵及其连接的有关设备的安全运行都是有害的，特别是在大流量、高流速的长管中以及输送水温高、流量大的水泵中更为严重。•应用水锤泵（又称水锤扬水机）就是利用水击压力变化反复工作的，且不需要任何其它动力设备。二、水击的传播过程1．压缩过程如图所示，长度为L的管道上当阀门突然关闭后，首先在N-N断面上液体停止了流动，同时压力升高ph。然后相邻的另一层液体也停止了流动，压力也相应升高ph。这种压力升高以水击波的传播速度a由阀门处一直向管道进口传播，如图（a）所示。经时间传到管道进口，这时整个管道中压力都升高到p+ph。液体受到压缩，密度增高，管壁膨胀，这是一个减速增压的压缩过程。2．压缩恢复过程压缩过程结束后，管道中各处压力都比M-M断面的左侧容器中压力高了ph。在压力差ph的作用下，M-M断面右侧相邻的一层液体将以速度v由管道流回容器内，如图（b）所示。与此同时，这层液体的压力由p+ph恢复到正常的压力p，管壁的膨胀也得到恢复，这种恢复以水击波的传播速度a向管道末端N-N传播。从阀门关闭时间算起，经过时间后，由M-M传播到N-N断面，使整个管道都恢复到正常数值。该过程是一个增速减压的压缩恢复过程。aLt/223．膨胀过程压缩恢复过程结束后，液体并不能停止流动，在惯性的作用下，液体还将以速度v继续向容器内流动，阀门N-N处液体首先减少，使其压力由p降低到p-ph。因而液体密度减小，体积膨胀，管壁相应收缩，同时液体的流动速度也降为零。这一膨胀仍以水击波速度a向M-M断面传播如图（c）所示。从阀门关闭时间算起，经过时间后，使管道中的液体都处于膨胀状态，压力比正常情况下的压力降低了ph。此过程为减速减压的膨胀过程。aLt/324．膨胀恢复过程结束后，由于容器内的压力高于管道内的压力，在压差的作用下，液体以速度v流向管内如图（D）所示。最先使管道进口M-M处的压力恢复到正常情况下的压力，管壁也恢复到正常情况。然后压力的恢复由M-M断面以水击波的传播速度a向N-N断面传播。从关闭阀门时算起，经过时间，完成了增速增压的膨胀的过程，使整个管道中液体的压力、密度都恢复到了正常值，从而结束了一个周期的水击变化过程。aLt/42水击的传播过程断面N处水击压力随时间的变化情况若不考虑水击传播过程中的能量损耗，在t4时间后，管道中的压力又要重复上述变化过程将一直周期地进行下去，如图（a）所示。实际由于流动的阻力及管壁变形的能量耗损，水击压力将迅速衰减，直至消失，如图（b）所示。综观上述分析不难得出：引起管路中速度突然变化的因素（如阀门突然关闭），这只是水击现象产生的外界条件，而液体本身具有可压缩性和惯性是发生水击的内在原因。三、水击的类型•正水击：阀门迅速关小，流量急剧减少，表现为管道中压力骤然升高的水击。•负水击：阀门迅速开大，流量急剧增大，表现为管道中压力骤然下降的水击。四、消除水击的措施①尽可能的延长阀门的启闭时间，缩短管道长度，避免直接水击发生；②减小流速，从而降低水击压力。可采用增大管道直径或限制流速的办法，（一般液压系统中最大流速限制在5～7m/s左右）。③采用过载保护，在可能产生水击的管道中装设安全阀、调压塔、溢流阀和蓄能器等以缓冲水击压力。④增加管道弹性，例如液压系统中，铜管和铝管就比钢管有更好的防水击性能，或采用弹性较大的软管，如橡胶或尼龙管吸收冲击能量，则可更明显地减轻水击。小结本章应用流体力学基本方程导出的质量守恒、机械能守恒基本关系式，结合流体在管道中流动的特点，从工程应用的角度，介绍了管路水力计算的方法。并简单介绍了管道内的水击现象。