第五章压力管路的水力计算

第五章压力管路的水力计算第五章压力管路的水力计算主要内容长管水力计算短管水力计算孔口管嘴出流第五章压力管路的水力计算引言•压力管路：在一定压差下，液流充满全管的流动管路。•压力管路按照管路结构可以分为：–简单管路：等径无分支管路–复杂管路：串联、并联、分支及管网等•压力管路按照能量比例大小分为：长管和短管第五章压力管路的水力计算•长管：长输管线输送距离比较远，两端压差比较大，局部阻力和流速水头所占能量比例较小。和沿程水头损失相比，流速水头和局部水头损失可以忽略的管路称为长管。有时近似取。•能量方程变为（无泵）：–记H0为作用水头：–则有：。表示了能量供给与能量损耗之间的平衡。•对于有泵情况：(5%~10%)jfhh1212fppzzh12012ppHzz0fHh12021fppHHzzh第五章压力管路的水力计算•短管：泵站、库内管线总距离比较短，分支较多，两端压差较小，并且有大量管子连接部件。和沿程水头损失相比，流速水头和局部水头损失不可以忽略，称之为短管。•又可表示为：i长管、短管的划分并不仅仅是由于管线的长短，更重要在于从能量的角度考察比动能和局部水头损失的比例。2211221222wpvpvzzhgg22121201222wppvvHzzhgg第五章压力管路的水力计算•定义：水头损失与流量的关系曲线称为管路的特性曲线。其中：把代入上式得：可见：水头损失与流量成平方指数关系。2222222222wjflllvlvlvvLvhhhgdgddgdgdg当当24QQvAd222222514822wLvLQLhQQdgdgdgd§5.1管路特性曲线Lll当第五章压力管路的水力计算•管路特性曲线是管路能量平衡（能量供给=能量消耗）的直观反映。•对于给定管路，其特性曲线一定。•如：对于长管无泵和有泵两种情况，管路特性曲线如下图：•管路特性曲线对于确定泵的工况以及自由泄流工况有重要应用价值。QhfHQhfz2-z1H0H0第五章压力管路的水力计算1122vAvA1212fppzzh＝22fLvhDg§5.2长管的水力计算一、简单长管1.定义：由许多管径相同的管子组成的长输管路，且沿程损失较大、局部损失较小，计算时可忽略局部损失和流速水头。2.计算公式：简单长管计算一般涉及公式：第五章压力管路的水力计算•为计算方便，将代入hf的计算公式，得到一种更常用的公式：。–层流流态：即：β＝4.15，m＝1–紊流流态——水力光滑区：即：β＝0.0246，m＝0.2525mmfmQLhd24QQvAd22fLvhDg64Re2114514.154.15fQLQLhdd0.250.3164Re1.750.2520.250.254.7550.250.02460.0246fQLQLhdd第五章压力管路的水力计算–紊流流态——混合摩擦区（大庆设计院推荐公式）：其中：即：β＝0.0802A，m＝0.123–紊流流态——水力粗糙区：即：β＝0.0826λ，m＝0说明：1.8770.1234.8770.0802fQLhAd0.127lg0.62710,2Ard22225580.08262fLvLQLhQdggdd第五章压力管路的水力计算•长输水管道沿程阻力的计算公式为：对于不同的流态，β和m的取值见下表：流态βm层流4.151水力光滑0.02460.25混合摩擦0.0802A0.123水力粗糙0.0826λ025mmfmQLhd第五章压力管路的水力计算3、简单长管的三类计算问题•第一类问题：已知：Q，Δz，d，L，μ，γ，求：hf，Δp分析：RevdQv确定流态确定β、m或λhfΔp掌握第五章压力管路的水力计算•第二类问题：已知：Δp，Δz，d，L，μ，γ，求：Q分析：RevdQv确定流态确定β、m或λhfΔp？？？假设流态法、试算法或绘图法第五章压力管路的水力计算•假设流态法：先假设一流态，取β，m值，计算：验证假设：–如由Q′及Re′得出的流态和假设流态一致，则Q′为所求Q；–如由Q′及Re′得出的流态和假设流态不一致，则重新假设流态，重复计算。52mfmmhdQLRevdQ′v′校核流态第五章压力管路的水力计算•试算法：设定Q1，解得hf1。判断：若hf1hf，则减小流量，取Q2Q1，重新计算；若hf1hf，则增大流量，取Q2Q1，重新计算。循环往复，直至hfn≈hf，停止计算。•绘图法：–按第一类问题的计算方法，选取足够多Q，算出hf值，然后绘制图形。使用时由hf查找Q即可。Qhf第五章压力管路的水力计算•第三类问题：已知：Q，Δp，Δz，L，μ，γ，求：经济管径d经济管径计算：其一，d↑，材料费↑，施工费↑；其二，d↓，动力费用↑，设备（泵）费↑。如何解决这一矛盾，正是一个管径优选问题。分析：RevdQv确定流态确定β、m或λhfΔp？？？流态假设法或试算法第五章压力管路的水力计算二、长管的串联和并联1、串联管路①定义：由不同管径的管道依次连接而成的管路。②应用实例：输水干线、集油干线分支流量第五章压力管路的水力计算③水力特性：a、各联结点（节点）处流量出入平衡，即进入节点的总流量等于流出节点的总流量:（设流量流进节点为正，流出为负）。它反映了质量守恒的连续性原理。b、全线水头损失为各分段水头损失之和，即：它反映了能量守恒原理。12ifffffnhhhhh0iQ第五章压力管路的水力计算2、并联管路①定义：两条以上的管路在同一处分离，后又在同一处汇合。第五章压力管路的水力计算②水力特征：a、进入各并联管的总流量等于流出各并联管的总流量之和，即：b、不同并联管段A→B，单位重量液体的能量损失相同，即：12iffffhhhhCiQQ第五章压力管路的水力计算3、串、并联管路的水力计算①串联管路——通常属于长管计算的第一类问题，例如：已知：Q，求：hf分析：根据串联管路水力特性求解全管路的沿程水头损失hf。②并联管路——通常属于长管计算第二类问题，例如：已知：hf，求：各管路Q分析：根据并联管路水力特性解决流量Q的分配问题。掌握第五章压力管路的水力计算4、串、并联管路的水力意义——在长输管线上的应用•在已建成的长输管线上，增设串联变径管或者并联副管可以增加管路输送量、延长管路输送距离，或者爬过地形的翻越高点。•通常，副管与主管的直径相同，变径管直径大于主管。•下面以自由泄流情况为例，通过绘制管路总水头线分别进行说明。第五章压力管路的水力计算1.给定管路流量Q，在已建成的长输管线AB段增设并联副管可以延长管路的输送距离。并联副管后，主管AB段Q（↓），v（↓），hf（↓），即：hfO-Bhf。则：作用水头H仍有部分能量剩余，可供给管中水流继续前进一段距离至C点。未设副管前ABhfhfO-BChfO-A增设副管后HO第五章压力管路的水力计算2.在已建成的长输管线AB段增设并联副管可以增加管路输送量。并联副管且增加流量后，主管OA段Q（↑），hfO-A（↑）；主管AB段经过副管分流，可能Q（↓），hfA-B（↓）。最终仍可能满足hfO-B=hf。确保管路正常运行。未增流量前ABhfhfO-A增加流量后hfO-BHO第五章压力管路的水力计算3.给定管路流量Q，在已建成的长输管线AB段改设串联变径管可以延长管路的输送距离。串联变径管后，主管AB段d（↑），v（↓），hf（↓），即：hfO-Bhf。则：作用水头H仍有部分能量剩余，可供给管中水流继续前进一段距离至C点。hfhfO-BCHOAB未设变径管前hfO-A设变径管后第五章压力管路的水力计算4.在已建成的长输管线AB段改设串联变径管可以增加管路输送量。串联变径管且增加流量后，主管OA段Q（↑），hfO-A（↑）；主管AB段经过变径管，d（↑），v（↓），hfA-B（↓）。最终仍可能满足hfO-B=hf。确保管路正常运行。hfHOAB未增流量前hfO-BhfO-A增加流量后第五章压力管路的水力计算Qhf21Q1=2Qhf12hf1-2hf1hf2Q1=Q2=Q1-25、串、并联管路的管路特性曲线•已知单管路1、2的管路特性曲线，根据串、并联管路的水力特性有：12121-2Q1Q2hf1=hf2=hf1=21=2第五章压力管路的水力计算•不计水头损失情况下，哪种管路的流量大？•只计沿程水头损失的情况下，哪种管路的流量大？H123（a）H123（b）答案：QaQb答案：Qa=Qb分析两种串联管路：第五章压力管路的水力计算2.水力特性：•各节点处流量平衡：•沿一条干线上总水头损失为各点水头损失之和：三、分支管路12ifffffnhhhhh0iQABCDE1.定义：各支管只在流体入口或出口处连接在一起，而另一端分开不相连接的管路。第五章压力管路的水力计算§5.3短管的水力计算掌握•许多室内管线，集油站及压水站内管线管件较多，属于短管。•在短管的水力计算中，必须考虑局部水头损失以及流速水头。一、综合阻力系数根据伯努利方程，有：其中管路水头损失：可记为：。ζc称为综合阻力系数。wfjhhh1222121222wvvppzzhgg＝22wcvhg2第五章压力管路的水力计算•已知：如图所示短管，大直径管段：直径d1，长l1，小直径管段：直径d2，长l2，孔板直径d，各局部管件阻力系数如下：①大闸头：ζ1②孔板：ζ2③大小头：ζ3④⑤⑥弯头：ζ4、ζ5、ζ6⑦小闸门：ζ7•求：全管路的总水头损失第五章压力管路的水力计算解：22112212122221213456722222wfjlvlvhhhdgdgvvvggg孔孔以出口速度作为标准，把其它速度化成出口速度表示的形式。22222122211,AddvvvvvAdd孔孔＝44212222112345671122222wclddlvhddddgvg孔孔（ζc即为综合阻力系数）第五章压力管路的水力计算二、短管实用计算通式•由1、2断面的伯努利方程，有：•记作用水头：•则有：•得：为流量系数。1222221212222cvvvppzzggg＝12120122vppHzzg2222021122ccvQHQggA001221cQAgHAgH11c第五章压力管路的水力计算§5.4孔口和管嘴泄流中心内容：–孔口、管嘴流量计算公式分析依据：–连续性方程–伯努利方程基本概念–自流管路：完全靠自然位差获得能量来源输送或排泄液体的管路。–孔口：储液罐壁或底部打开的小孔。–管嘴：在孔口处接出短管。掌握第五章压力管路的水力计算HdHccd相同孔口直径d、相同作用水头H条件下，孔口、管嘴哪种方式泄流量大？11孔口管嘴cc0000第五章压力管路的水力计算•界定条件：–定水头——固定作用水头H，稳定流（定常流）–薄壁——孔口为锐缘，液体与孔口周围只有线接触–圆形小孔口——孔口直径（自由）或（淹没）•分类：–自由出流——流体流经孔口直接泄入大气–淹没出流——流体流经孔口进入另一充满流体的空间110dH一、孔口泄流110dH第五章压力管路的水力计算•泄流特点：–孔口出流速度认为均匀分布–由于流线具有不能折转的特性，形成收缩断面c－c，收缩断面距出口约为d/2。记：为断面收缩系数。–引入收缩断面的意义：收缩断面满足缓变流断面特性，可以应用伯努利方程。2()ccAdAd1、孔口自由出流Hdcc00dcp0第五章压力管路的水力计算•流量计算公式：–取0－0、c－c断面列伯努利方