工程流体力学压力管道水力计算

工程流体力学第五章压力管路的水力计算主讲 刘恩斌2011年10月 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 压力管道计算原理 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 管道按布置分 短管 长管 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 既是管道很长 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管路特性曲线 1 管路系统的水力特性 管路系统的性能曲线 管路系统流量和水头损失关系曲线 qV hf 2 泵的水力特性 泵性能曲线 水泵的出水流量qV分别与扬程H 效率 轴功率N的关系曲线 qV H qV qV N曲线 其中 水泵的qV H关系曲线称为水泵的水力性能曲线 3 泵与管路系统的水力耦合工况 M点工况为设计工况 qVm为设计流量 Hm为设计水头 工况点M变 则服务水头Hz变 水泵水力性能曲线越平坦则供水越稳定 在管网设计时 必须校验并使之满足在最大流量下控制点的服务水头满足设计要求 Hg Hz zt z0 5 2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 管道直径和管壁粗糙度均相同的一根管子或这样的数根管子串联在一起的管道系统 计算基本公式 连续方程 沿程损失 能量方程 5 2长管的水力计算 层流 水力光滑 水力粗糙 混合摩擦 列宾宗公式 三类计算问题 1 已知qV l d 求hf 2 已知hf l d 求qV 3 已知hf qV l 求d 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 l d 计算Re 计算 计算hf 第二类问题的计算步骤 2 已知hf l d 求qV 假设 由hf计算v Re 计算 New 校核 New New N Y 由hf计算v qV 第三类问题的计算步骤 3 已知hf qV l 求d hfqVl 计算 与d的函数曲线 计算 New 校核 New New N Y 由hf计算v qV 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 求总水头H 2 已知总水头H 求串联管道的流量qV 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 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 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 四 分枝管路 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 计算问题 新建管道 确定管径 起点压力 已知管网结构形式 地形 长度 用户位置 用量 用户所需水头 确定管径和管网起点水压 1根据管网布置图 将管网分段编号 3按照终点流量要求 确定各段流量 4以经济流速确定各段管径 5取标准管径后 计算流速和摩阻 6按长管计算各段水头损失hw 7按串联管道计算起点到控制点的总水头损失 2选定主干线 一般从起点到最远点 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 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 例1如图所示的离心泵 抽水流量qVh 306m3 h 吸水管长度为l 12m 直径d 0 3m 沿程损失因数 0 016 局部损失因数 带底阀吸水口 1 5 5 弯头 2 0 3 允许吸水真空度 hv 6m 试计算此水泵的允许安装高度HS 解 取基准面 列断面1 1 2 2的伯努利方程 其中 5 5孔口和管嘴泄流 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 薄壁孔口 厚壁孔口 小孔口 大孔口 一 定水头孔口泄流 令收缩系数 1 完善收缩 不完善收缩 局部收缩 C D A a L 3a B b L 3b L 3a L 3b 二 管嘴泄流 管嘴出流流量公式 比较孔口和管嘴的流速系数和流量系数 二 管嘴泄流 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 各种管嘴的出流系数 外伸管嘴 薄壁孔口 内伸管嘴 扩张管嘴 收缩管嘴 流