压力管路的水力计算.ppt

1 ChinaUniversityofPetroleum 第5章压力管路的水力计算 2 第5章压力管路的水力计算 压力管路 在压差作用下 管内充满流体流动的管路 称为压力管路 前两章介绍了流体流动的基本原理 本章介绍这些原理在工程实际中的应用 具体应用时 常要参考设计和施工的经验 对前面所学的公式作一些简化 长管 短管 从能量角度划分为 压力管路 3 第5章压力管路的水力计算 长管 比动能和局部水头损失可以忽略的管路 短管 比动能和局部水头损失不能忽略的管路 对长管 hw hf 能量方程变为 H 表示能量供应 作用水头 hf 表示能量消耗 水头损失 一般 hj 5 10 hf 则 4 第5章压力管路的水力计算 5 1管路特性曲线 管路特性曲线 一条管路上的水头H与流量Q之间的关系曲线 即H f Q 对特定的管路 其关系一定 令 称为管路综合系数 例如 管路上的总水头损失 5 第5章压力管路的水力计算 则 当L d一定时 将画为曲线 称为管路特性曲线 见下图 6 第5章压力管路的水力计算 对有泵的管路 象如图的例子 泵的的扬程为 有泵的管路特性曲线 通过管路特性曲线 可以了解管路的工作状况 7 第5章压力管路的水力计算 5 2长管的水力计算 1 简单长管 单一直径管 所研究的管段内无泵 分支 阀门 变径等 只有沿程损失hf hf的通式 层流 1 8 第5章压力管路的水力计算 水力光滑区 2 水力粗糙区 阻力平方区 混合摩擦区 大庆设计院推荐 3 4 其中 9 第5章压力管路的水力计算 最后将 1 2 3 4 式归纳为 列宾宗公式 其中 系数 和指数m 根据不同流态由下表确定 10 第5章压力管路的水力计算 管路计算中的三类问题 第一类问题 已知 d L 布置 z1 z2 流量Q 求 hf 进而求i p 已知p2求p1 求解步骤 由已知Q d 求出Re 确定流态 选用 的计算公式 或确定 m值 求hf 求 p i 当p2已知 可求得p1 选泵 11 第5章压力管路的水力计算 第二类问题 已知 d L 布置 z1 z2 p hf 求 Q 即在压力降限制下的最大输送能力 此类问题的问题 可见 未知数Q m 为两个未知数 应有二个方程 现只有一个 故不可解 解法一 流态试算法 先设流态 选用 m 计算 计算Re 校核流态 如流态与所设流态一致 则Q为所求 否则重新设流态计算 12 第5章压力管路的水力计算 解法二 用管路特性曲线求Q 先假设几个流量Q1 Q2 Qm 按第一类问题 计算hf1 hf2 hfm 绘成管路特性曲线 再由已知hf查得Q 第三类问题 已知 L 管路布置 z1 z2 流量Q 求 设计最经济管径d 13 第5章压力管路的水力计算 此类问题的问题 当选用的管径太大 d大 用钢材多 成本高 但是 d大 V小 hf N泵 动力费用少 总费用少 当选用的管径太小 d小 省钢材 但是 d小 V大 hf N泵 动力费用 总费用 故 d偏大 偏小都不合适 管径的选择必须全面考虑各方面的利弊 既要保证一定的流速 又要符合经济要求 使输油成本尽可能地节省 根据经验 合理经济流速的选择 油田内部或库内管线 1 2m s外输管线 1 3m s 14 第5章压力管路的水力计算 设计管径的步骤大致如下 根据设计流量 在适宜的流速范围内选择几种不同的管径 按照所选管径算出实际流速 根据实际流速 管径及油品粘度计算雷诺数 确定流态 进而计算水头损失 由总水头损失及压降确定泵的扬程 功率 从而算出每年动力消耗费用 如图曲线 计算全部设备管线投资及每年的管理 保养等费用 如图曲线 把选用不同管径时 每年所需各种费用全部开支一一算出 以管径d为横坐标 年费用为纵坐标 绘成曲线 曲线 表示两种费用总和与直径d的关系 取曲线 最低点对应的直径dm即为经济直径 这里 dm为最优 但是考虑将来的发展 取d dm即可 15 第5章压力管路的水力计算 2 串联和并联管路 串联管路 定义 由不同管径的简单管路顺次联接而成的管路 16 第5章压力管路的水力计算 水力特点 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 如果流入节点的流量为正 流出节点的流量为负 则可写成 它反映了连续性原理 全线总水头损失为各分段水头损失之和 它反映了能量守恒原理 17 第5章压力管路的水力计算 并联管路 定义 自一点分离而又汇合到另一点处的两条或两条以上的管路 条件 在节点A处 满足 各管的压强相同 各管的位置水头相同 18 第5章压力管路的水力计算 水力特点 进入各并联管的总流量等于流出各并联管的流量之和 即 不同并联管段从A B单位重量液体的能量损失相同 即 19 第5章压力管路的水力计算 串联管路在多数情况下都是在流量已知的情况下 按合理流速来选择管径 然后按第一类问题求解 比较简单 并联管路则涉及各条管线的流量分配问题 即使总流量已知 但因各条管线流量不确定 使得其计算变为第二类问题 必须采用试算法 串联和并联管路的水力计算 20 第5章压力管路的水力计算 并联管路的水力计算 设已知 Q d1 d2 dn l1 l2 ln求 Q1 Q2 Qn hfAB 解 设各管流态不同 流态试算法 21 第5章压力管路的水力计算 a b 22 第5章压力管路的水力计算 如果Q1求出来 则Q2 Q3 Qn即可得到 又对1管 有 由上 a b c 三式解出n 1个未知数 c 校核流态 由Q1 V1 Re1 定出流态 与假设相同时 Q1为所求 Q2 V2 Re2 定出流态 与假设相同时 Q2为所求 Qn Vn Ren 定出流态 与假设相同时 Qn为所求 所以 Q1 Q2 Q3 Qn hf均求出 23 第5章压力管路的水力计算 当各管的流态相同时 1 2 n m1 m2 mn 更为简单 a 式可得到简化 用上法可求出Q1 Q2 Q3 Qn hf 24 第5章压力管路的水力计算 3 分支管路 定义 从一根总管分支出几根支管后不再汇合的管路 分支管路的形式 从一处送往多处 从多处汇集到一处 25 第5章压力管路的水力计算 分支管路的水力特点 分支管路相当于串联管路的复杂情况 它具备串联管路的两个特点 节点处 沿串联线上 26 第5章压力管路的水力计算 例题1 某水罐1液面高度位于地平面以上60m 通过分支管把水引向高于地平面15m和30m的水罐2和水罐3 假设l1 l2 l3 2500m d1 d2 d3 0 5m 各管的沿程阻力系数均为0 04 试求引入每一水罐的流量 解 由已知条件 本题可列为长管计算问题 局部损失忽略 1和2罐之间应用伯诺利方程 代入各已知数值 得 27 第5章压力管路的水力计算 1 1和3罐之间应用伯诺利方程 代入各已知数值 得 2 28 第5章压力管路的水力计算 由连续性方程可得 即 又 联立 1 2 3 三式 可得 3 则 引入水罐2和3的流量分别为 29 第5章压力管路的水力计算 例题2 教材P167页 第5 8题 图示一管路系统 CD管中的水由A B两水池联合供应 已知L1 500m L0 500m L2 300m d1 0 2m d0 0 25m 1 0 029 2 0 026 0 0 025 Q0 100L s 求Q1 Q2及d2 解 列A D两断面的能量方程 30 第5章压力管路的水力计算 列B D两断面的能量方程 31 第5章压力管路的水力计算 32 第5章压力管路的水力计算 5 3短管的水力计算 这些管路 其上管件较多 沿程直径亦有所变化 常属于短管 短管的水力计算一般可以用能量方程求解 但计算比较麻烦 为了使计算简化 常先把所有阻力系数综合在一起 再代入能量方程 或作出管路特性曲线 可以解各类问题 井场上的管路 油站内的管路 室内管路 泵的吸入管路 等 例如 33 第5章压力管路的水力计算 1 综合阻力系数 已知一短管系统 如图 局部阻力系数分别为 1 2 9 粗管长l1 管径d1 细管长l2 管径d2 34 第5章压力管路的水力计算 总水头损失 由 代入上式 35 第5章压力管路的水力计算 全管路总损失 令 c 综合阻力系数 与流态 局部阻力形式 几何尺寸有关 36 第5章压力管路的水力计算 2 短管实用计算通式 取1 1 2 2两断面 列伯诺利方程 定义 称为作用水头 37 第5章压力管路的水力计算 令 称为流量系数 一般写为 短管的实用计算公式 式中 A A2 出口截面积 用此公式可解管路的第一 第二两类问题 38 第5章压力管路的水力计算 1 第一类问题 已知Q 求H0 或 p 已知Q V Re 流态 c H0 p 当p2已知时 求起点压强p1 2 第二类问题 已知H0 求Q 解法一 试算法 设流态 c Q 检验流态 解法二 利用管路特性曲线 其中 随 c及流态而变 39 第5章压力管路的水力计算 5 4孔口和管嘴泄流 自流管路 不加外来能量 完全靠自然位差获得能量来排泄液体的管路 定水头出流 稳定出流 液体在出流过程中 作用水头H0不随时间变化的出流 自由出流 出流于大气中的液流 淹没出流 出流于液体中的液流 40 第5章压力管路的水力计算 1 定水头孔口泄流 薄壁孔口 流体与孔口边缘为线接触 流体阻力只有局部阻力hj 小孔口 孔径d小于十分之一的作用水头H0 即 小孔口断面上的速度分布可视为均匀的 出流特点 由于惯性作用 流线不能突然转折 当实际液体流经孔口时 在离孔口约处形成最小收缩断面c c 41 第5章压力管路的水力计算 设收缩断面面积为Ac 孔口的断面积为A 则孔口断面收缩系数 为 列0 0 c c两断面的伯诺利方程 令 为作用水头 即 42 第5章压力管路的水力计算 解出 令 为流速系数 则 流量 令 为流量系数 则 43 第5章压力管路的水力计算 实验表明 当是理想流体时 Q理 Q实 即 的物理意义为实际流量与理想流量之比 44 第5章压力管路的水力计算 对于孔口淹没出流 如图所示 列1 1 2 2断面的能量方程 这里 突然扩大的局部阻力系数 故 45 第5章压力管路的水力计算 上述能量方程变为 令 这里 46 第5章压力管路的水力计算 可见 淹没出流与自由出流的水力计算公式虽然形式相同 但两者之间的区别在于 对淹没出流 对自由出流 涉及上 下游两个断面 最后指出 淹没出流的 孔与自由出流的情况相差不大 实用上可认为二着相等 作用水头定义不同 47 第5章压力管路的水力计算 2 定水头管嘴泄流 标准圆柱管嘴 自孔口接出与孔口直径d相同而长度l 3 4 d的短管 流动特性 流体在管嘴内先收缩后扩大 封住出口流出 损失包括三部分 48 第5章压力管路的水力计算 管嘴损失的计算 令 管嘴综合阻力系数 49 第5章压力管路的水力计算 列1 1 2 2断面的伯诺利方程 50 第5章压力管路的水力计算 即 H0 实验证明 作用水头 流速系数 实际计算时用这个值 51 第5章压力管路的水力计算 对管嘴而言 孔口与管嘴的流量比较 设d H0相同 可见 大左右 52 第5章压力管路的水力计算 问题 由前面已知 管嘴的阻力系数 c 0 53 大于孔口的阻力系数 孔 0 06 当液体流径阻力较大的管嘴时 其流量反而大于孔口的流量 为什么 解释 对管嘴 列1 1 c c断面的能量方程 定水头出流 则 又 53 第5章压力管路的水力计算 取平方 则 如果容器敞口 且为管嘴自由出流 则 于是 则 54 第5章压力管路的水力计算 即 取 则 此式表示在管嘴出流时 收缩断面c c处的压强小于大气压强 即产生真空 由真空作用所产生的水头为0 75H 这相当于比孔口增大了一个压头差 而对孔口 这是一个不小的数值 该数值远大于由于液流阻力的增加所损失的水头 因此 在同样的H和A的条件下 55 第5章压力管路的水力计算 注意 作用水头不宜太大 一般情况下 c c断面上真空度大则流量大 但真空度不是越大越好 若真空度过大 将产生汽化现象 同时 管嘴外部的空气在大气压作用下 将进入管嘴 其结果使管嘴内的液流脱离管嘴的内壁面 这种情况如同孔口出流一样 因而达不到增加流量的目的 不同液体汽化压力不同 对水来说 为了防止汽化 允许的真空度水柱 则作用水头 管嘴长度 若太长 则阻力增大 流量减小 若太短 则液流尚未充满管嘴就已流出 或真空区过于靠近管嘴出口因受大气的影响而被破坏 56 例题 二联水箱上装有三个处于同一高度且面积同为3cm2 流量系数同为0 6的孔口 进水量为Q 3L s 在稳定流动情况下 试求 Q1 Q2 Q3 H1 H2 解 57 第5章小结 1 基本概念 1 压力管路 长管 短管 2 作用水头 管路特性曲线 3 管路计算的三类问题 各类问题的解法 4 串 并联管路及其水力特性 分支管路