第5章 压力管道水力计算.ppt

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 1 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 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 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 2 管路特性曲线 对于一定管长和管径的管路 系数 将随 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 层流 水力光滑 水力粗糙 过渡粗糙 式中 可综合成一个公式 式中系数 指数m可根据不同流态在下表中选取 3 三类计算问题 1 已知qV l d 求hf 选泵的扬程 2 已知hf l d 求qV 输送能力 3 已知hf qV l 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 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 解 这是简单长管计算的第一类问题 因此 属于水力光滑区 则 第二类问题的计算步骤 不知道流量 试算 2 已知hf l d 求qV 假设Q 由Q计算Re 计算Q1 重新计算新的Re1 1 Q1 Q2 N Y 由达西公式计算Q2 Q2 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 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 而 E2 则 再算 最后所求的流量为 则重新计算 再重新演算 2 已知hf l d 求qV 假定一个流态 选取 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 求d hfqVl 假设d1 计算v1 Re1 1 计算d2 取d1 d2 N Y d 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 解 这是简单长管计算的第三类问题 先设 则 而 在莫迪图上查出 用重算 即有 再查莫迪图 取 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 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 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 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 对上游断面和出口断面列能量方程 则 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 特点 一般按长管进行水力计算 各支的流量与总流流量之间应满足连续方程 即 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 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 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 假设 由hf计算v Re 由Re 查莫迪图得 New 校核 New New N Y 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 V3 h f1 h f2 h f3 q V1 qV1 N 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 f3 Y 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 解 相对粗糙度 先假设流动都在湍流粗糙区 则在莫迪图上查出 由 并先设 将代入达西公式 求出Q2 加大Q1 再设 于是 以上结果已比较好 用Re数校验沿程阻力系数 而 查莫迪图得 重设 重算 于是 至此 试算结束 塔里木油田 管投产1年零9个月CO2腐蚀穿孔 四川达窝输气管线 H2S腐蚀造成开裂爆炸事故 24人死亡 油气管道开裂和泄漏造成的环境污染严重 美国1993年 1994年在华盛顿和新泽西洲发生的两起输气管道爆裂事故 四 分支管路 分支管道特征 流入汇合点的流量等于自汇合点流出的流量 计算内容 1 根据管线布置选定主管线 从起点到最远点 2 按各终点流量要求 从末端前推 分配各段流量 3 根据流量及合理流速 选定各段管径 4 计算干线各段水头损失 确定干线上各节点处的压头 进而推算起点压头 以确定泵压或罐塔高度 5 以算出的节点压头为准 确定各支管的水头损失 再根据设定的管径校核水头损失 中国天然气管道 川渝环网干线 北干线南干线管长 2906千米管径 最大720mm钢材 X60 欧洲天然气管道 北海海底管网 阿意输气管道 美国天然气管道 湾流管道系统 俄罗斯输气管道 俄罗斯已建和拟建跨国输气管道 一个抽水系统通过水泵转动转轮的作用 在水泵进水口形成真空 使水流在池面大气压强的作用下沿吸水管上升 流经水泵时从水泵获得新的能量 进入压力管 再流入水塔 1水泵吸水管的水力计算 5 4短管的水力计算 吸水管和压力水管吸水管 短管压力水管 长管 水泵系统的水力计算 虹吸管是一种压力输水管道 顶部弯曲且其高程高于上游供水水面 在虹吸管内造成真空 使作用虹吸管内产生真空 水流则能通过虹吸管最高处引向其他处 2虹吸管的水力计算 虹吸管的优点在于能跨越高地 减少挖方 虹吸管长度一般不长 故按照短管计算 虹吸管顶部的真空压强理论值不能大于最大真空值 10mH2O 当虹吸管内压强接近该温度下的汽化压强时 液体将产生汽化 破坏水流连续性 可能产生空蚀破坏 故一般虹吸管中的真空值7 8mH2O 例1 有一渠道用两根直径为1 0m的混凝土虹吸管来跨越山丘 上游水位为 1 100 0m下游水位为 2 99 0m虹吸管长度l1 8m l2 15m l3 15m 沿程阻力系数为0 03 弯头的局部水头损失系数为0 365 进口局部水头损失系数为0 5 出口局部水头损失系数为1 0 试确定 当虹吸管中的最大允许真空度为7mH2O时 虹吸管最高安装高程zs为多少 求流量 列0 0 1 1伯努力方程 v 虹吸管中最大真空一般发生在管道最高位置 本题最大真空发生在第二个弯头后的B B断面 考虑0 0断面和B B断面的能量方程 则 列0 0 B B伯努力方程 5 5孔口和管嘴泄流 5 5 0引言 孔口和管嘴泄流在石油工业中的应用 1 钻井过程中 泥浆由钻具内经过钻头的水眼或喷嘴射入井腔冲击地层 2 油田开采工作中 自喷井通过油嘴控制石油的产量 3 为保持地层的能量 在油田注水井中用水嘴将高压水分别注入各个油层 4 在油气输送工作中 储运工人计量油气的输送量 是利用油气通过孔板孔眼时的节流压降的大小来测量计算的 5 在石油加工 天然气净化工作中 常常将液体由喷射塔的喷嘴喷入另一种液体中 以加强分散提高传热或传质效果 5 5 1孔口出流 1 有关孔口出流的基本概念 孔口出流 流体在水头或压差作用下流过器壁孔口或孔板都称为孔口出流 孔口出流的几个几何参数 孔径d 壁厚 水头H 孔口面积A 收缩断面面积Ac 收缩系数 Ac A 孔口出流的分类 1 薄壁孔口 若孔口出流时 水流与孔壁仅在一条周线上接触 壁厚对出流无影响 2 小孔口 如 便可认为孔口断面上各点的水头相等 这样的孔口为小孔口 3 定水头 定常 出流 液面位置保持不变 2 薄壁小孔口定水头出流 1 自由出流 自由出流 流体由孔口流入大气中 收缩断面 c c 收缩系数 Ac A 通过孔口的流速和流量分析 列自由液面与收缩断面的伯努利方程 令 整理得 收缩断面的流速 其中 为流速系数 孔口流量 其中 为流量系数 说明 1 流速系数与流量系数通常由实验确定 对于圆形薄壁小孔口 这些系数都接近常数 2 流速系数的物理意义为实际流体与理想流体流速之比 3 流量系数的物理意义为实际流体与理想流体流量之比 2 淹没出流 流体由孔口直接流入另一部分流体中 管嘴 由孔口接上与孔径d相同而长度l 3 4 d的短管 5 5 2管嘴出流 圆柱形外管嘴定水头出流 液流流经管嘴的特点 液流先在管嘴内收缩形成真空 然后扩张充满整个断面 封住管口均匀地泄出 因此增设管嘴影响了出流的速度系数 进而影响了流量系数 1 通过管嘴的流速和流量分析 对进口断面1 1和出口断面2 2列伯努利方程 令 整理得 管嘴出流流速 管嘴流量 讨论 比较孔口和管嘴的流速系数和流量系数 管嘴 管嘴 1 0 82 0 82 孔口 0 64 0 97 0 62 2 柱状管嘴内的真空度 列c c 2 2断面的伯努力方程 突然扩大 3 圆柱形外管