第五章有压管道中的恒定流5-1简单管道水力计算的基本公式

第五章有压管道中的恒定流 5 1简单管道水力计算的基本公式5 2简单管道 短管水力计算的类型及实例5 3长管水力计算5 4串联 分叉和并联管道水力计算5 5沿程均匀泄流管道水力计算 第五章有压管道中的恒定流 有压管道 管道周界上的各点均受到液体压强的作用 有压管中的恒定流 有压管中液体的运动要素不随时间而变 管道根据其布置情况可分为 简单管道与复杂管道 复杂管道又可分为 串联管道 并联管道 分叉管道 均匀泄流管道 根据与两种水头损失在损失中所占比重的大小 将管道分为长管及短管两类 有压管道 管道周界上的各点均受到液体压强的作用 1水电站的压力引水隧洞和压力钢管2水库的有压泄洪洞或泄水管3供给工农业和生活用水水泵装置系统及给水管网4虹吸管以及输送石油的管道特点 有压管道各点的压强一般不等于大气压强 有压管中的恒定流 有压管中液体的运动要素不随时间而变 有压管中的非恒定流 运动要素随时间而变 简单管道 管道直径不变且无分支的管道 其水力计算分为自由出流和淹没出流 自由出流淹没出流 简单管道 管道直径不变且无分支的管道 实际工程中常见的有虹吸管和水泵 虹吸管水泵 1 串联管道 有直径不同的几段管道依次连接而成的管道 2 并联管道 凡是两条或两条以上的管道从同一点分叉而又在另一点汇合而成的管道 串联管道并联管道 3 分叉管道 分叉后不再汇合的管道 4 沿程均匀泄流管道 沿程有流量泄出的管道 分叉管道沿程均匀泄流管道 5 1简单管道水力计算的基本公式 简单管道 指管道直径不变且无分支的管道 简单管道的水力计算可分为自由出流和淹没出流 一 简单管道自由出流 对1 1断面和2 2断面建立能量方程 令 且因 故 上式表明 管道的总水头将全部消耗于管道的水头损失和保持出口的动能 因为沿程损失 局部水头损失 取 则 管中流速 通过管道流量 式中称为管道系统的流量系数 当忽略行近流速时 流量计算公式变为 二 简单管道淹没出流 管道出口淹没在水下称为淹没出流 取符合渐变流条件的断面1 1和2 2 列能量方程 因 则有 在淹没出流情况下 包括行进流速的上下游水位差完全消耗于沿程损失及局部损失 因为 整理后可得管内平均流速 通过管道的流量为 式中称为管道系统的流量系数 当忽略掉行近流速时 流量计算公式为 注 相同条件下 淹没出流还是自由出流流量系数值是相等的 以上是按短管计算的情况 如按长管的情况 忽略局部水头损失及流速水头损失 有 水利工程的有压输水管道水流一般属于紊流的水力粗糙区 其水头损失可直接按谢齐公式计算 用则 令 即得或 在水力学中K称为流量模数或特性流量 它综合反映了管道断面形状 尺寸及边壁粗糙对输水能力的影响 给水管道中的水流 一般流速不太大 可能属于紊流的粗糙区或过渡粗糙区 可近似认为当v 1 2m s时 管流属于过渡粗糙区 约与流速v的1 8次方成正比 故当按常用的经验公式计算谢齐系数C求应在右端乘以修正系数k 即 管道的流量模数K 以及修正系数k可根据相关手册资料得到 例5 1一简单管道 如图4 3所示 长为800m 管径为0 1m 水头为20m 管道中间有二个弯头 每个弯头的局部水头损失系数为0 3 已知沿程阻力系数 0 025 试求通过管道的流量 局部损失共包括进口损失和弯头损失 一 先将管道作为短管 求通过管道流量 根据 4 4 式并且不考虑行近流速水头 则 故 进口局部损失系数 二 计算沿程损失及局部损失 管中流速 流速水头 沿程损失 局部损失 故沿程水头损失占总水头的百分数为 所以该管道按长管计算就可以了 三 按长管计算管道所通过的流量 根据 故按长管计算与短管计算所得流量相差0 00004m3 s 相对误差为 由此可见 将上述管道按长管计算 误差很小 5 2简单管道 短管水力计算的类型及实例 对恒定流 有压管道的水力计算主要有下列几种 1 输水能力计算 已知管道布置 断面尺寸及作用水头时 要求确定管道通过的流量 2 当已知管道尺寸和输水能力时 计算水头损失 计算如下例所示 即要求确定通过一定流量时所必须的水头 计算如上节例题 一 水力计算的任务 例5 2由水塔沿长度L为3500m 直径d为300mm的新铸铁管向工厂输水 见图 设安置水塔处的地面高程为130 0m 厂区地面高程为110 0m 工厂所需水头为25m 若须保证工厂供水量Q为85lm s 求水塔高度 即地面至水塔水面的垂直距离 解 给水管道常按长管计算 由表4 1查得d 300m的新铸铁管K 1 144m3 s 管道内流速 故修正系数k 1 计算水头损失 所需水塔高度为 流量系数与管径有关 需用试算法确定 3 管线布置已定 当要求输送一定流量时 确定所需的断面尺寸 圆形管道即确定管道直径 这时可能出现下述两种情况 1 管道的输水能力 管长l及管道的总水头H均已确定 若管道为长管 流量模数 由表4 1即可查出所需的管道直径 若为短管 2 管道的输水量Q 管长l已知 要求选定所需的管径及相应的水头 从技术和经济条件综合考虑 1 管道使用要求 管中流速大产生水击 流速小泥沙淤积 2 管道经济效益 管径小 造价低 但流速大 水头损失也大 抽水耗费也增加 反之管径大 流速小 水头损失减少 运转费用少 但管道造价高 当根据技术要求确定流速后管道直径即可由右式计算 例5 3一横穿河道的钢筋混凝土倒虹吸管 如图所示 已知通过流量Q为3m3 s 倒虹吸管上下游渠中水位差z为3m 倒虹吸管长l为50m 其中经过两个300的折角转弯 其局部水头损失系数 b为0 20 进口局部水头损失系数 e为0 5 出口局部水头损失系数 0为1 0 上下游渠中流速v1及v2为1 5m s 管壁粗糙系数n 0 014 试确定倒虹吸管直径d 因为沿程阻力系数 或谢才系数C都是d的复杂函数 因此需用试算法 解 倒虹吸管一般作短管计算 本题管道出口淹没在水下 而且上下游渠道中流速相同 流速水头消去 因 所以 而 先假设d 0 8m 计算沿程阻力系数 故 又因 可求得 与假设不符 故再假设d 0 95m 重新计算 得 因所得直径已和第二次假设值非常接近 故采用管径d为0 95m 4 对一个已知管道尺寸 水头和流量的管道 要求确定管道各断面压强的大小 先分析沿管道总流测压管水头的变化情况 再计算并绘制测压管水头线 因为流量和管径均已知各断面的平均流速即可求出 入口到任一断面的全部水头损失也可算出 该点压强为 由此可绘出总水头线和测压管水头线 管内压强可为正值也可为负值 当管内存在有较大负压时 可能产生空化现象 二 简单管道水力计算实例 1 虹吸管的水力计算 虹吸管是一种压力输水管道 其顶部高程高于上游供水水面 顶部真空理论上不能大于10m 一般其真空值小于 虹吸管长度一般不大 应按短管计算 特点 例5 4有一渠道用两根直径d为1 0m的混凝土虹吸管来跨过山丘 见图 渠道上游水面高程 1为100 0m 下游水面高程 2为99 0m 虹吸管长度l1为8m l2为12m l3为15m 中间有600的折角弯头两个 每个弯头的局部水头损失系数 b为0 365 若已知进口水头损失系数 c为0 5 出口水头损失系数 0为1 0 试确定 1 每根虹吸管的输水能力 2 当吸虹管中的最大允许真空值为7m时 问虹吸管的最高安装高程是多少 解 1 本题管道出口淹没在水面以下 为淹没出流 当不计行近流速影响时 可直接计算流量 上下游水头差为 先确定 值 用曼宁公式 计算C 对混凝土管n 0 014 则 故 管道系统的流量系数 每根虹吸管的输水能力 虹吸管中最大真空一般发生在管子最高位置 本题中最大真空发生在第二个弯头前 即B B断面 以上游渠道自由面为基准面 令B B断面中心至上游渠道水面高差为 对上游断面0 0及断面B B列能量方程 式中 为从虹吸管进口至B B断面的长度 取 则 具体分析如下 式中为允许真空值 7m 则 若要求管内真空值不大于某一允许 即 即 而 故虹吸管最高点与上游水面高差应满足 6 24m 二 水泵装置的水力计算 在设计水泵装置系统时 水力计算包括吸水管及压力水管的计算 吸水管属于短管 压力水管则根据不同情况按短管或长管计算 吸水管管径一般是根据允许流速计算 通常吸水管的允许流速为为0 8 1 25m s 流速确定后管径为 主要任务是确定吸水管的管径及水泵的最大允许安装高程 水泵的最大允许安装高程决定于水泵的最大允许真空值和吸水管的水头损失 1 吸水管的水力计算 列1 1和2 2断面能量方程有 由此得 上式表明水泵向单位重量液体所提供的机械能一方面是用来将水流提高一个几何高度 另一方面是用来克服水头损失 水流经过水泵时 从水泵的动力装置获得了外加的机械能 因而动力机械的功率为 2 压力水管的水力计算 压力水管的计算在于决定必需的管径及水泵的装机容量 其直径由经济流速确定 对于排水管道 式中x为系数 可取0 8 1 2 为水泵向单位重量液体所提供的机械能 称为水泵的总水头或扬程 例5 5用离心泵将湖水抽到水池 流量Q为0 2m3 s 湖面高程 1为85 0m 水池水面高程 3为105 0m 吸水管长l1为10m 水泵的允许真空值hv4 5m 吸水管底阀局部水头损失系数 e 2 5 900弯头局部水头损失系数 b 0 3 水泵入口前的渐变收缩段局部水头损失系数 g 0 1 吸水管沿程阻力系数 0 022 压力管道采用铸铁管 其直径d2为500mm 长度l2为1000m n 0 013 见图 试确定 1 吸水管的直径d1 2 水泵的安装高度 2 3 带动水泵的动力机械功率 解 一 确定吸水管的直径 采用设计流速v 1 0m s 则 决定选用标准直径d1 500mm 安装高程是以水泵的允许真空值来控制的 令水泵轴中心线距湖面高差为 则 2 1 计算值 水泵轴最大允许安装高程 2 85 4 28 89 28m 二 水泵安装高程的确定 三 带动水泵的动力机械功率 因 为吸水管及压力管水头损失之和 已求得吸水管水头损失为0 22m 当压力管按长管计算时 整个管道的水头损失为 设动力机械的效率为0 7 水的重率为9800N m3 压力管的流量模数 则 即可求得所需动力机械功率 5 3长管水力计算 当管道很长 局部水头损失和流速水头可忽略 管道可为长管 水力计算大大简化 1 1 v0 0 0 v 2 2 H0 0v02 2g 1v2 2g 略去不计的项 工程中有压管道一般属紊流粗糙区 水头损失可按谢才公式计算 则 0 0 v 2 式中 K为流量模数或者特性流量 水力坡度J 1时 Q K 故K的量纲和流量相同流量模数K综合地反映管道断面形状 尺寸及边壁粗糙对输水能力的影响 三个方面 不同管径及粗糙系数的圆管 当谢才系数用曼宁公式计算时 其流量模数K详见管道的流量模数 也可直接计算 钢管及铸铁管修正系数k值 5 4串联 分叉和并联管道水力计算 由直径不同的几段管道依次连接而成的管道 给水工程中串联管道常按长管计算 1 按长管计算 一 串联管道 2 按短管计算 当管道长度不是很大 局部损失不能略去时 应按短管计算 水电站引水系统中 经常碰到由一根总管从压力前池引水 然后按水轮机台数分成数根支管 每根支管供水给一台水轮机 这种分叉后不再汇合的管道称为分叉管道 对管道ABC有 对管道ABD有 从而可得 二 分叉管道 三 并联管道 凡是两条或两条以上的管道