第5章 压力管道水力计算

工程流体力学第五章压力管路的水力计算主讲：魏纳石油工程学院一、主要内容：1、长管计算实用公式；2、串联、并联管路水力计算；3、短管计算实用公式；4、孔口出流与管嘴泄流；二、应用公式：2211AvAv21222222111122whgvpzgvpzgvdLhf22gvhj22vdvdRe1、连续性方程：2、伯努利方程：3、达西公式：4、包达公式：5、雷诺数：1、有压管道：管道被水充满，管道周界各点受到液体压强作用，其断面各点压强，一般不等于大气压强。液体管壁有压管道液体自由面管壁无压管道三、基本概念工程中，常用各种有压管道输送液体，如水电站压力引水钢管；水库有压泄洪隧洞或泄水管；供给的水泵装置系统及管网；输送石油的管道。2、管道按布置分简单管道：直径始终不变，无分支的管路（基础）复杂管道串联管道并联管道分枝管道短管长管3两种水头损失大小比重局部水头损失、流速水头占总水头损失比例较大（大于5%），计算时不能忽略沿程水头损失水头为主，局部损失和流速水头在总水头损失中所占比重很小，计算时可忽略。1长管和短管不按管道绝对长度决定。2当管道存在较大局部损失管件，例如局部开启闸门、喷嘴、底阀等。即使管道很长，局部损失也不能略去，必须按短管计算。3长管：忽略局部水头损失和流速水头（沿程损失不能略去），计算工作大大简化，其对结果又没有多大影响。注意压力管道水力计算的主要内容就是确定水头损失，包括沿程水头损失和局部水头损失。§5.1长管的水力计算管道的种类:简单管道串联管道并联管道一、简单管道1、计算中一般涉及的公式：连续性方程：沿程损失：能量方程：2211AvAvQ252222282)4(2QdgLQgdQdLgvdLhhfwfhgpzgpz22112Qhw2、管路特性曲线：对于一定管长和管径的管路，系数α将随λ值变化，给不同流量Q将可算出不同的水头损失hw，绘制成曲线，称为管路特性曲线。说明：（1）当由泵输送液体时，因泵给出的扬程H要克服位差和水头损失，绘制管路特性曲线时，纵坐标以泵的扬程为准，固管路特性曲线相应地要平移一个位差的高度。（2）理论上有层流到湍流应有折点，实用上不予考虑，而绘制成光滑曲线。（3）根据水头损失的计算通式，当有局部水头损失时，可折算为当量长度并入沿程水头损失；（4）管路特性曲线对于确定泵的工况和自流泄油工况，将有重要作用，在工程中经常使用。52222282)4(2dgLQgdQdLgvdLhhfw层流：Qd16Re64452252215.48168dLQdgLQQddgLQhf水力光滑：25.025.0)4(3164.0Re3164.0Qd75.425.075.10246.0dLQhf水力粗糙：525220826.08dLQdgLQhf过渡粗糙：877.4123.087.10802.0dLQAhf(式中：）)627.0lg127.0(10deA可综合成一个公式：mmmfdLQh52式中系数β、指数m可根据不同流态在下表中选取：流态βm层流4.151水力光滑0.02460.25过渡粗糙0.0802A0.123水力粗糙0.0826λ03、三类计算问题（1）已知qV、l、d、、Δ，求hf；（选泵的扬程）（2）已知hf、l、d、、Δ，求qV；（输送能力）（3）已知hf、qV、l、、Δ，求d。（设计管路）简单管道的水力计算是其它复杂管道水力计算的基础。第一类问题的计算步骤（1）已知qV、l、d、μ、Δ，求hf；qV、d计算Re计算计算hf计算v例题5-1：50℃的原油，密度，运动粘度，流过一根长的管道，流量试求产生的压降。3/950mkgsm/10825mmmmdmL30.0,150,400smQ/12.03解：这是简单长管计算的第一类问题45210274.115.010812.0444RedQddQvd因此，属于水力光滑区，则：油柱mdLQhf60.18615.0400)108(12.00246.00246.075.425.0575.175.425.075.1MPaghpf737.160.1868.9950002.015030.0d887759.759.7328460.004第二类问题的计算步骤（不知道流量，试算）（2）已知hf、l、d、、Δ，求qV；假设Q由Q计算Re、计算Q1重新计算新的Re1、1Q1=Q2NY由达西公式计算Q2Q2方法一：20℃的水，流过直径的混凝土管道，在的长度上水头损失，设粗糙度，试求流量Q。md3.0mL1000mhf41解：这是简单长管计算的第二类问题，查表可知20℃的水：先设，则smQ/102033mm7.1smmkg/100.1,/9982634631049.83.0101102044RedQvd而0057.03007.1d0316.0)7.3lg2(12dsmlhdgQf/1952.010000316.08413.081.9)8(35.0525.0521999301133.07.597.597878E2:则：58848lg76566556111029.81013.01952.044ReDQ再算：smlhdgQf/1954.0100003155.08413.081.9)8(35.0525.0522最后所求的流量为sm/1954.03则重新计算：再重新演算，03155.0)7.3lg2(121d（2）已知hf、l、d、、Δ，求qV；假定一个流态选取β、m值计算Q计算Re不相符相符校核流态Q方法二：第三类问题的计算步骤（3）已知hf、qV、l、、Δ，求d。hfqVlΔ假设d1计算v1，Re1，1计算d2取d1=d2NYd=d2方法一：E3：50℃的四氯化碳，密度,运动粘度通过长的钢管，流量要求单位长度的压降为，设，试计算管道需要的管径d。3/1590mkgsm/101.627mL20smQ/10233解：这是简单长管计算的第三类问题先设0235.0四氯化碳柱mgphf7.481.9159020107.33mmhgLQdf8.31)74.481.9)102(200235.08()8(2.02235122mkPalp/7.3/mm046.0mm100d则:4731017.41.0101.610244RedQ而00046.0100046.0d在莫迪图上查出：用重算，即有：mm8.31d5731031.10318.0101.610244RedQ00145.08.31046.0d0238.0再查莫迪图：mmhgLQdf9.31)74.481.9)102(200238.08()8(2.02235122取：mm32d方法二：1）根据设计流量，在适宜的流速范围内选择几个不同的管径；2）按照所选管径算出经济流速；3）根据经济流速、管径及油品粘度计算雷诺数，确定流态，计算水头损失；4）由水头损失确定泵的扬程及功率，计算出每年动力消耗费用；5）计算全部设备投资、管线投资及每年平均折旧费；6）计算每年的检修、保养及管理费用；7）把选用不同管径时每年所需各种费用全部开支一一算出；7）以管径为横坐标，年费为纵坐标，绘成曲线，选择经济直径。二、串联管道由不同管道直径和管壁粗糙度的数段根管子连接在一起的管道。ABH21串联管道特征1.各管段的流量相等2.总损失等于各段管道中损失之和......321vvvvqqqq......321两类计算问题1、已知串联管道的流量qV，求hf或扬程H；2、已知总水头H，求串联管道的流量qV。v0Q1Q2Q3q1q2l1d1l2d2l3d3hf1hf2hf3H11232121322212321222qQQqQQgdlvgdlvgdlvhhhHfff）（）（）（1按长管计算上式是串联管道的基本公式，联立以上三式，可解算Q、d、H等问题。IR1UIR2IR3232121322212321222qQQqQQgdlvgdlvgdlvhhhHfff）（）（）（v0Q1Q2Q3q1q2l1d1l2d2l3d3hf1hf2hf3H11在长管的条件下，各段的测压管水头线与总水头线重合，管道水头线呈折线，因为各管段流速不同，水头线坡度也各不相同。v01l1d1v1l2d2v2l3d3v3v3H1α2v222gα1v122gα3v322g2按短管计算v01l1d1v1l2d2v2l3d3v3v3H1α2v222gα1v122gα3v322g对上游断面和出口断面列能量方程，则2222i0()2222iifijiiivvvlvHhhggggd＋三、并联管道由几条简单管道或串联管道，入口端与出口端分别连接在一起的管道系统。并联管道特征1.总流量是各分管段流量之和。2.并联管道的损失等于各分管道的损失。......321vvvvqqqq......321AQQ1d1hw1Q2d2hw2Q3d3hw3BQ特点：一般按长管进行水力计算QhfQHABhfAhf1=hf2=hf3=hfl1d1Q1l3d3Q3l2d2Q2HBHA设各管径、流量为di、Qi，i=1，3，考虑能量方程，则ffffhhhh321QhfQHABhfAhf1=hf2=hf3=hfl1d1Q1l3d3S3Q3l2d2K2Q2HBHAgdlvhf22各支的流量与总流流量之间应满足连续方程，即niiQQQQQ1321各支水头损失，按长管计算，则各支的流量与总流流量之间应满足连续方程，即niiQQQQQ1321设各管径、流量分别为di、Qi，i=1，3。考虑每一支的能量方程，则ffffhhhh321gdlvhf22hf求出后，再求出各支管的流量若总流的流量及各并联支管的直径、长度、和粗糙度已知时，可求出总流量、支流量以及水头损失；两类计算问题（1）已知A点和B点的静水头线高度（即z+p/g)，求总流量qV；AQQ1d1hw1Q2d2hw2Q3d3hw3BQ假设由hf计算v、Re由Re、查莫迪图得New校核New=NewNY由hf计算v、qV求解方法相当于简单管道的第二类计算问题。（2）已知总流量qV，求各分管道中的流量及能量损失。假设管1的q’V1由q’V1计算管1的h’f1由h’f1求q’V2和q’V3h’f1=h’f2=h’f3q’V1=qV1N结束计算按q’V1、q’V2和q’V3的比例计算qV1、qV2和qV3计算h’f1、h’f2和h’f3YAQQ1d1hw1Q2d2hw2Q3d3hw3BQ例题5-4：并联管路系统中，，管材都为新的无缝钢管，，总流量，试求每条分支管路的流量Q1，Q2。该流体mmdmLmmdmL10,200,15,1002211mm04.0smQ/10433smmkg/100.1,/1000263解：相对粗糙度先假设流动都在湍流粗糙区0258.0,0253.021004.01004.0,00267.01504.021dd51221118dgLQhf则在莫迪图上查出：由，并先设smQ/103331mdgLQhf2480)015.0(81.9)003.0(1000253.0885