流体输配管网 全部课件

高等学校教材流体输配管网主编龚光彩主审陈在康课程概述一、本课程的地位、作用和任务本课程为建筑环境与设备工程专业主干专业必修理论课之一，是沟通专业基础课与专业课之间的桥梁。通过本课程的学习，目的是使学生进一步拓宽专业基础口径，掌握暖通空调工程、城市燃气工程、供热工程、建筑给排水工程、建筑消防工程、工厂动力工程等各类工程中管网系统设计分析、调试和调节的基本理论和方法，为学习有关后续课程打下必要的基础，并具备初步的工程实践能力。能够正确应用设计手册和参考资料进行上述管网系统的设计、调试和调节，同时为从事其它大型、复杂管网工二、本课程对先修课的要求课程概述三、教学内容与教学要求为适应全国范围内的建筑环境与设备工程专业教学内容改革，本课程是将原有本专业及相关专业的《空调工程》、《燃气输配》、《供热工程》、《通风工程》、《建筑给排水》、《锅炉及锅炉房设备》、《建筑消防工程》、《工厂动力工程》等课程中的管网系统原理部分抽出，经提炼后与《流体力学泵与风机》中的泵与风机部分进行整合、充实而成的一门课程。上述各门专业课不再讲授“管网系统”原理部分，但需要在教学中注意与本课程的联系；《流体力学泵与风机》不再讲授“泵与风机”部分，并更名为《流体力学》。本课程在《流体力学》的“一元流体动力学基础”、“流动阻力和能量损失”、“孔口管嘴管路流动”“相似性原理”等理论基础上进行教学，不再重复《流体力学》的这部分内容，但要特别注意加强与这部分内容的联系与呼应，尤其是在能量方程、沿程阻力和局部阻力、串联并联管路、枝状环状管网等方面的衔接与分工。本课程在构建管网系统理论体系的同时，应特别重视工程应用方法和培养学生的工程实践能力，要注意防止本课程偏离工程实践，成为《流体力学Ⅱ》或《网络理论》第1章流体输配基础建筑流体输配管网按照目的和用途来划分，大致可分为下述4类：1.满足（建筑）环境控制（生产工艺或生活所需要的环境）目标的管网系统；2.满足生产工艺及生活需要的用水，用气管网系统；3.安全消防；4.其它，如制冷机组各元件（零部件）之间的连接管道、空压管道等。满足（建筑）环境控制目标的管网系统又可分为下述管道系统：1、蒸汽供暖系统2、民用建筑空调通风系统3、工业通风及环境控制系统4、空调冷冻水系统、冷却水系统5、热水采暖系统6、城市集中供热管网系统（又属市政之一）统称暖通空调系统。满足生产工艺与生活需要的用水，用气系统大致为：1、建筑给水系统2、建筑排水系统3、室内煤气（燃气）系统4、城市燃气系统（也属于市政工程专业的内容之一）而城市供、排水管网系统均属市政工程（城市道路也可属市政）。安全消防（可以理解为环境控制需要的一种延伸，即可以归入一种“广义的”可满足环境控制目标需要的管网系统）有：1、消防给水系统（给排水）2、防排烟系统（暖通空调）其它，如制冷工质在制冷机组各元件（零部件）之间的连接管道内部的流动，空气压缩管道等。按照流体力学特性，管道又可分为简单管路、复杂管路。复杂管路是简单管路、串联管路与并联管路的组合，一般可分为枝状管网和环状管网。1.1有压管网水力计算基础1.1.1枝状管网与环状管网流体输配管网基本任务：一、流体（物质）的转运与分配二、能量的转运与分配在流体（物质）、能量的转运与分配过程中，存在流体的机械能损失。1.1.1.1枝状管网枝状管网是指输送流体的管道通过串联与并联的组合呈树枝状排列的管道系统（管网）。图1-1枝状管网根据并、串联管路的计算原则，可得到该风机应具有的压头为（1-1）风机应具有的风量为（1-2）8765541lllhhhpH321VVVVqqqq图1-2均匀泄流管路管段每单位长度上泄出的流量均相同即等于qV，这种管路称为均匀泄流管路dxAqqdSdhVxVxxf22lxqqqxqqqqVtVtVzVVtVzVxdxlxqqqAdxAqdhVtVtVzVxf22)(lVtVtVzlffdxlxqqqAdhh020)(（1-3）)31(22VtVtVzVzfqqqqAlh（1-4）2)55.0(VtVzfqqAlh近似写作（1-5）引入计算流量qVcVtVzVcqqq55.0（1-6）22VcVcfSqAlqh（1-7）流量qVz=0223131VtVtfSqAlqh（1-8）环状管网遵循串联和并联管路的计算原则，根据其特点，并存在下列两个条件：（1）任一节点（如点）流入和流出的流量相等。（2）任一闭合环路中，如规定顺时针方向流动的阻力损失为正，反之为负，则各管段阻力损失的代数和必等于零。（1）哈迪·克罗斯（Hardy-Cross）方法图1-4环路划分1.1.1.2环状管网1、Hardy-Cross方法环状管网是指管道通过串联与并联的组合存在一个以上闭合环路的管道系统（管网）。图1-3计算程序如下：①将管网分成若干环路如图1-4上分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个闭合环路。按节点流量平衡确定流量，选取限定流速，定出管径D。②按照上面规定的流量与损失在环路中的正负值，求出每一环路的总损失。③根据上面给定的流量，若计算出来的不为零，则每段管路应加校正流量，而与此相适应的阻力损失修正值为。④用同样的程序，计算出第二次校正后的流量，第三次校正后的流量……，直至满足工程精度要求为止。图1-5环网计算图（2）燃气环状管网水力计算方法手工表格法步骤：①布置管网，绘制管网平面示意图。②计算管网各管段的途泄流量。③假定各管段的气流方向并选择零速点。④求管网各管段的计算流量。⑤选择管径。⑥进行初步计算。⑦进行校正计算，即水力平差计算。[例1-2]有一低压环网，环网中管段的长度及环内建筑用地面积均如图1-6所示，人口密度每公顷为500人，每人每小时的平均用气量为0.08m3，在2、6、9节点处有三个集中用户，用气量如图所示。现供应该管网的是城市焦炉燃气，燃气对空气相对密度为500Pa，求管网中各段的管径。图1-6燃气环网计算图1.1.2小密度差管流流动图1-7热水采暖示意图对1-1，2-2两个截面，其伯努利方程（1-20）式（1-20）考虑的是浮力（密度差）对流动过程的影响，称之为小密度差管流能量方程。热水自然循环（1-21）21222222111122lbyhgpZHgpZ)(ghbyhHP在工程中的许多场合，我们往往可以认为管道中流体的密度变化是集中在某处或某个断面发生的，例如热水采暖系统中高温热水通过散热器时流体密度突然发生了变化，这种变化所产生的附加压头可由前述之自然循环系统的作用力计算公式得到。还有一类典型的流动亦可归结为小密度差管流流动，即管内流体与管外流体存在的密度差所导致的流动，这一类也存在两种场合：一是密度与空气不同的其它气体流动，如燃气流动，其密度大多轻于空气；另一个场合是高温烟气流动，烟气密度一般也低于当地空气的密度。对于恒定气流流动，其能量方程可表示为：（1-23）是断面1、2的相对压强，专业上习惯称为静压。习惯称为动压。是容重差与高程差的乘积，称为位压，表示管内外流体密度差的作用21222122112))((2lappZZp1p2p221222a12ZZ当气流方向（向上或向下）与实际作用力（重力或浮力）方向相同时，位压为正。当二者方向相反时，位压为负。应当注意，气流在有效浮力作用下，位置升高，位压减小；位置降低，位压增大。这与气流在有效重力作用下，位置升高，位压增大；位置降低，位压减小正好相反。是1，2两断面间的压强损失。静压和位压相加，称为势压，以表示。势压与管中水流的测压管水头相对应。静压和动压之和，称为全压，以表示。静压，动压和位压三项之和以表示，称为总压，与管中水流的总水头线相对应。21lpspqpatp存在位压时，总压等于位压加全压。位压为零时，总压就等于全压。位压（）（）实际上就表示了管内外流体存在密度差时所具有的附加压头。))((2122ZZppaata12ZZ烟气流动图1-9对1-1断面处烟囱内外之流体可分别写出其静力学基本方程：（1-25）（1-26）若在1-1断面处烟囱内外两侧压差大小为：（1-27）0101hgppTT0101hgppaa,aTTappp110)(01hgTa1.2无压流动基础—明渠均匀流1.2.1概述明渠是一种具有自由表面水流的渠道。可分为天然明渠，如天然河道。人工明渠，如人工渠道（输水渠、排水渠等）、运河及未充满水流的管道等。明渠水流与有压管流不同，它具有自由表面，表面上各点受大气压强作用，其相对压强为零，故又称为无压流动或重力流动。1.2.1.1明渠的分类由于过水断面形状、尺寸与底坡的变化对明渠水流运动有重要影响，故明渠一般分为以下类型：1.棱柱形渠道与非棱柱形渠道:凡是断面形状及尺寸沿程不变的长直渠道，称为棱柱形渠道，否则为非棱柱形渠道。图1-10常见渠道断面形状2.顺坡、平坡和逆坡渠道:明渠底一般是个斜面，在纵剖面上，渠底便成一条斜直线，这一斜线就是渠道底线的坡度便是渠道底坡，它单位流程上渠底高程降低值。一般规定：渠底沿程降低的底坡为称为顺坡；渠底水平时，称为平坡；渠底沿程升高时，称为逆坡。图1-11渠道底坡类型1.2.1.2明渠均匀流的条件与特征均匀流是一种渐变流的极限情况，即流线是绝对平行无弯曲的流动。明渠均匀流的水流具有如下特征：断面平均流速沿程不变；水深也沿程不变；而且总能线即总水头线，水面及渠底相互平行，也就是说，其总水头线坡度（水力坡度），测管水头线坡度（水面坡度）和渠道底坡彼此相等（图1-13），亦即iJJp图1-13明渠均匀流1.2.2明渠均匀流的计算公式明渠水流一般属于紊流阻力平方区即第二自模区。明渠均匀流水力计算中的流速公式，长期以来一般表示为如下形式：（1-31）yxJCR1.谢才公式1769年，法国工程师谢才（AntoineChezy）提出了明渠均匀流的计算公式即谢才公式（1-32）2.流量模数与正常水深根据谢才公式可得流量计算式(1-34)RJCJKiKRiACAqV3.曼宁公式与巴甫洛夫斯基公式爱尔兰工程师曼宁（RobertManning）1889年亦提出了一个明渠均匀流公式。（1-37）将谢才公式与曼宁公式相比较，便得（1-38）此式表明了谢才系数与曼宁粗糙系数之间的重要关系，称之为曼宁公式。2/13/21JRn6/11RnC4.粗糙系数n粗糙系数值的大小综合反映渠道壁面（包括渠底）对水流阻力的作用，它不仅与渠道表面材料有关，同时和水位高低（即流量大小）以及运行管理的好坏有关。因此，正确地选择渠道壁面的粗糙系数对于渠道水力计算成果和工程造价的影响颇大。1.2.3明渠水力最优断面和允许流速1.水力最优断面明渠均匀流输水能力的大小取决于渠道底坡、粗糙系数以及过水断面的形状和尺寸。在设计渠道时，底坡一般随地形条件而定，粗糙系数取决于渠壁的材料，于是，渠道输水能力只取决于断面大小和形状。当i、n及A大小一定，使渠道所通过的流量最大的那种断面形状称为水力最优断面。梯形断面的水力最优条件设明渠梯形过水断面（图1-10a）的底为b，水深为h，边坡系数为m，水力最优条件为)1(2)(2mmhbhh2.渠道的允许流速式中是免遭冲刷的最大允许流速，简称不冲允许流速；是免受淤积的最小允许流速，简称不淤允许流速。minmaxmaxmin1.2.4明渠均匀流水力计算的基本问题明渠均匀流的水力计算，主要有以下三种基本问题，现以最常用的梯形断面渠道为例分述如下：1.验算渠道的输水能力这类问题主要是对已成渠道进行校核性的水力计算，特别是验算其输水能力问题。2.决定渠道底坡设计渠道底坡时，一般已知土壤或护面材料、设计流量以及断面的几何尺寸，即已知n、qV和m、b、h0各量，求所需要的底坡i。3.决定渠道断面尺寸在设计一条新渠道时，一般已知流量qV、渠道底坡i、边坡系数m及粗糙系数n，