《管道水力学原理》ppt课件

1、第四章第四章 管道水力学原理管道水力学原理自然情况下：水往低处流自然情况下：水往低处流施压条件下：任何位置流动施压条件下：任何位置流动草坪的灌溉系统草坪的灌溉系统 压力灌溉系统压力灌溉系统 管壁摩擦管壁摩擦 耗耗费压力水流能量费压力水流能量 减少流动高度减少流动高度了解管道耗费压力水流能量的规律了解管道耗费压力水流能量的规律 确定管道铺设长确定管道铺设长度、断面尺寸、流量大小、管道提供压力范围度、断面尺寸、流量大小、管道提供压力范围 能量高的位置能量高的位置 低低第一节第一节 管道水流及其能量管道水流及其能量管道水流管道水流 在水力学中，指管道横断面为圆形、水完全充溢在水力学中，指管道横断面为

2、圆形、水完全充溢管道并具有一定压力的管道水流。管道并具有一定压力的管道水流。 管道横断面上的平均流速：管道横断面上的平均流速：二二. 管道水流流态管道水流流态管道中流动的水分为层流和紊流两种流态。管道中流动的水分为层流和紊流两种流态。层流：当管道流速较小时，流体中液体质点彼此互不混杂，层流：当管道流速较小时，流体中液体质点彼此互不混杂，质点运动轨迹呈有条不紊的线状形状的流动。流体质点沿质点运动轨迹呈有条不紊的线状形状的流动。流体质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动。着与管轴平行的方向作平滑直线运动。紊流：速度、压强等流动要素随时间和空间作随机变化，质紊流：速度、压强等流动要素随时间和空间作随

3、机变化，质点轨迹曲折杂乱、相互混掺的流体运动。点轨迹曲折杂乱、相互混掺的流体运动。 由层流过渡到紊流与管道直径、管内流速、液体密度和液体由层流过渡到紊流与管道直径、管内流速、液体密度和液体黏滞性有关。黏滞性越小，越容易发生紊流。黏滞性有关。黏滞性越小，越容易发生紊流。黏滞性：流体企图阻止外力作用下流体流动的特性。黏滞性：流体企图阻止外力作用下流体流动的特性。雷诺数雷诺数Renolds number) Re: 用来表征流体流动情况的无量纲数用来表征流体流动情况的无量纲数黏滞系数 与密度、温度有关管道内径平均流速层流时，管道横断面上各点的流速分布是抛物面，断面平均流速是最大点流速的一半。紊流时，管

4、道横断面上各点的流速分布趋于均匀，呈对数曲线的旋转曲面。管道中流动水流产生能量损失：管道中流动水流产生能量损失：水流与管壁摩擦水流与管壁摩擦 管壁粗糙度、管壁附近的流速变管壁粗糙度、管壁附近的流速变化梯度。一样流量条件下，紊流的流速梯度比层化梯度。一样流量条件下，紊流的流速梯度比层流大。流大。水流内部作用的黏性。水流内部作用的黏性。三三. 管道水流的根本规律管道水流的根本规律延续性原理延续性原理 在单位时间内经过通道上任何截面的流体质量都是相等的。在单位时间内经过通道上任何截面的流体质量都是相等的。 根据质量守恒原理得到的。根据质量守恒原理得到的。截面窄，流体的流速快，截面宽，流体的流速慢。窄

5、水流快，路面窄风速大。2. 能量守恒原理能量守恒原理 两个断面之间流入的能量一定等于流出的能量。两个断面之间流入的能量一定等于流出的能量。 管道中流动的水流有：动能、势能重力势能和压管道中流动的水流有：动能、势能重力势能和压能压力势能。能压力势能。 水头：能头，用几何高度表示能量的大小。水头：能头，用几何高度表示能量的大小。 具有长度单位。具有长度单位。 动能动能 水流运动；势能水流运动；势能 位置高度；位置高度； 压能压能 管道断面压强管道断面压强 断面总水头：总机械能，断面总水头：总机械能，3种能量水头的和。种能量水头的和。摩擦和紊动耗费部分能量，导致能量损失 水头损失水头第1断面 第2断

6、面水流 能量高的断面 低的断面能量方程伯努利方程：能量方程伯努利方程：第二节第二节 水头损失与计算水头损失与计算水头损失及分类水头损失及分类 单位分量液体机械能的损失。单位分量液体机械能的损失。水头损失水头损失沿程水头损失沿程水头损失 水流边境外形和大小沿程不水流边境外形和大小沿程不变，水流在长且直的流段中发生的变，水流在长且直的流段中发生的水头损失。水头损失。hf表示。单位长度上损表示。单位长度上损失相等，与管道长度成正比。失相等，与管道长度成正比。部分水头损失部分水头损失 水流边境外形或大小沿流程水流边境外形或大小沿流程急剧变化所产生的水头损失。急剧变化所产生的水头损失。hj水流流经整个流

7、程的水头损失：水流流经整个流程的水头损失：沿程水头损失计算实际沿程水头损失计算实际管道沿程水头损失计算根本公式管道沿程水头损失计算根本公式 达西达西-威斯巴赫公式威斯巴赫公式计算管流的雷诺数 流态 选用沿程阻力系数计算公式。2. 层流的沿程阻力系数层流的沿程阻力系数Re 2000时时 紊流：速度和雷诺数变化范围大，紊流：速度和雷诺数变化范围大，较小雷诺数和较大雷诺数时的沿程阻力系数不同，较小雷诺数和较大雷诺数时的沿程阻力系数不同，需分区计算。需分区计算。根据管壁粗糙度能否对水流影响，将紊流分为紊根据管壁粗糙度能否对水流影响，将紊流分为紊流光滑区、紊流过渡区、紊流粗糙区阻力平方流光滑区、紊流过渡

8、区、紊流粗糙区阻力平方区。区。 紊流光滑区紊流光滑区Re 2000后，管道水流流态为后，管道水流流态为 紊流，但接近管紊流，但接近管壁极薄的一层水仍为层流，该层称黏性底层，其壁极薄的一层水仍为层流，该层称黏性底层，其厚度随雷诺数的增大而减少。厚度随雷诺数的增大而减少。 2000 4000 时，层流向紊流过渡，沿程阻时，层流向紊流过渡，沿程阻力系数仅与雷诺数有关，与相对光滑度无关。力系数仅与雷诺数有关，与相对光滑度无关。Re 4000 时，时， 流态进入紊流，但雷诺数相对较流态进入紊流，但雷诺数相对较小，黏性底层较厚，足够淹没管壁粗糙度。小，黏性底层较厚，足够淹没管壁粗糙度。此时的水流实践上是在

9、水光滑的馆内流动。沿程此时的水流实践上是在水光滑的馆内流动。沿程阻力系数仅与雷诺数有关，与管壁粗糙度无关。阻力系数仅与雷诺数有关，与管壁粗糙度无关。紊流平滑区的沿程阻力系数计算公式：紊流平滑区的沿程阻力系数计算公式：适用于适用于Re105的紊流平滑区的紊流平滑区紊流过渡区紊流过渡区 随着雷诺数的增大，黏性底层厚度相对减薄，随着雷诺数的增大，黏性底层厚度相对减薄，以致不能淹没管壁粗糙度。沿程阻力系数不仅与雷以致不能淹没管壁粗糙度。沿程阻力系数不仅与雷诺数有关，而且与管壁粗糙度有关。用可里布鲁克诺数有关，而且与管壁粗糙度有关。用可里布鲁克(Colebrook)公式计算：公式计算：紊流粗糙区紊流粗糙

10、区 当雷诺数继续增大，黏性底层继续变薄，紊流当雷诺数继续增大，黏性底层继续变薄，紊流绕过壁面突出高度时已构成小漩涡，此时管壁粗糙绕过壁面突出高度时已构成小漩涡，此时管壁粗糙度对沿程阻力系数起主要作用，与雷诺数无关。度对沿程阻力系数起主要作用，与雷诺数无关。三. 沿程水头损失计算阅历公式布拉休斯公式计算塑料管道沿程水头损失 多数塑料管道的流态属于紊流光滑区：s管道的比阻率或比阻抗2. 哈森哈森-威廉斯公式计算沿程水头损失威廉斯公式计算沿程水头损失 适于较大的管道适于较大的管道(d5cm)，适中的流速，适中的流速3m/sC沿程摩擦系数四四. 部分水头损失计算部分水头损失计算计算原理计算原理 在管道

11、系统中通常装有阀门、弯管、变截面管等部在管道系统中通常装有阀门、弯管、变截面管等部分安装。流体流经这些部分安装时流速将重新分布，分安装。流体流经这些部分安装时流速将重新分布，流体质点与质点及与部分安装之间发生碰撞、产生流体质点与质点及与部分安装之间发生碰撞、产生漩涡，使流体的流动遭到妨碍，由于这种妨碍是发漩涡，使流体的流动遭到妨碍，由于这种妨碍是发生在部分的急变流动区段，所以称为部分阻力。流生在部分的急变流动区段，所以称为部分阻力。流体为抑制部分阻力所损失的能量，称为部分损失。体为抑制部分阻力所损失的能量，称为部分损失。边境与水流流线越吻合,对水流干扰越小部分损失与流速水头成正比部分损失与流速

12、水头成正比: :在工程实践中，绝大多数管道系统是由许多等直管段和在工程实践中，绝大多数管道系统是由许多等直管段和一些管道附件衔接在一同所组成的，所以在一个管道系一些管道附件衔接在一同所组成的，所以在一个管道系统中，既有沿程损失又有部分损失。沿程阻力和部分阻统中，既有沿程损失又有部分损失。沿程阻力和部分阻力二者之和称为总阻力，沿程损失和部分损失二者之和力二者之和称为总阻力，沿程损失和部分损失二者之和称为总能量损失。总能量损失应等于各段沿程损失和部称为总能量损失。总能量损失应等于各段沿程损失和部分损失的总和分损失的总和 能量损失的叠加原理能量损失的叠加原理2. 部分管道衔接部位的部分阻力系数部分管

13、道衔接部位的部分阻力系数 绝大多数的部分水头损失要经过实验确定，绝大多数的部分水头损失要经过实验确定，因此计算中必需参照现有的部分水头损失计因此计算中必需参照现有的部分水头损失计算图表。算图表。 不同管道进口方式的部分阻力系数不同管道进口方式的部分阻力系数0.51.0=0.5+033cosa + 0.2cos2a0.04管道断面忽然减少与扩展管道断面忽然减少与扩展管道断面忽然减少或扩展：管道断面忽然减少或扩展：忽然扩展的部分水头损失等于两个断面流速差的流速水头。管道断面渐变小或扩展：管道断面渐变小或扩展：管道转弯管道转弯转弯角度为转弯角度为90并光滑地转弯，并光滑地转弯，部分阻力系数与管道转弯

14、半部分阻力系数与管道转弯半径与管道直径的比值有关径与管道直径的比值有关管道分叉管道分叉管道闸阀管道闸阀闸阀的部分损失比较大，取决于闸阀类型和开度。闸阀的部分损失比较大，取决于闸阀类型和开度。d0闸阀内径， h开度第三节第三节 串联和分支管道水力计算串联和分支管道水力计算一一. 串联管道水力计算串联管道水力计算管道流量管道流量串联管道串联管道: 具有不同管径、不同流量和不同管具有不同管径、不同流量和不同管长的管段相互串联起来的管道。相互衔接点长的管段相互串联起来的管道。相互衔接点为节点，节点上可以有分流。草坪灌溉系统为节点，节点上可以有分流。草坪灌溉系统中比较典型的串联灌溉单元如下，一个节点中比

15、较典型的串联灌溉单元如下，一个节点就是一个喷头。就是一个喷头。根据水流的延续性原理，节点上流入根据水流的延续性原理，节点上流入的能量与流出的能量相平衡。假定每的能量与流出的能量相平衡。假定每个喷头的流量都相等为个喷头的流量都相等为q q，那么各段流，那么各段流量依次为：量依次为： 或 2 管道直径管道直径确定喷灌系统中各级管道的直径确定喷灌系统中各级管道的直径 管网设计的主要管网设计的主要义务义务.根据确定的管道资料和相应的管道规格规范，参考各根据确定的管道资料和相应的管道规格规范，参考各种管材和管径的适宜流速，初步拟定管道直径；种管材和管径的适宜流速，初步拟定管道直径；经过水头损失计算校验初

16、步拟定直径的合理性；经过水头损失计算校验初步拟定直径的合理性；存在明显不合理，反复调整计算。存在明显不合理，反复调整计算。PVC塑料管道的适宜流速为塑料管道的适宜流速为0.5-2.0m/s，管径初步计，管径初步计算：算：根据管道流量选择适宜的管径PVC管道直径、流量与流速的关系管道直径、流量与流速的关系3 水头损失水头损失 管道长度根据管道布置确定。确定了管段流量、管道管道长度根据管道布置确定。确定了管段流量、管道直径后，运用管道水头损失计算公式可以计算喷灌单直径后，运用管道水头损失计算公式可以计算喷灌单元的水头损失。不同类型的喷灌单元，沿程水头损失元的水头损失。不同类型的喷灌单元，沿程水头损

17、失的计算有所不同。对于串联管道，从进口到末端的沿的计算有所不同。对于串联管道，从进口到末端的沿程水头损失是各段沿程损失的和。程水头损失是各段沿程损失的和。部分损失计算部分损失计算 可根据管道布置情况进展逐个计算，包括可根据管道布置情况进展逐个计算，包括 闸阀、闸阀、三通、弯道、喷头、提升管的管件处的部分损失。三通、弯道、喷头、提升管的管件处的部分损失。 也可根据管道布置和特点，按部分损失占沿程也可根据管道布置和特点，按部分损失占沿程 损损失的一个百分比估算，普通为失的一个百分比估算，普通为10%-15%。4 压力分布压力分布 计算了喷灌单元总水头损失后，程度铺设的单元进口计算了喷灌单元总水头损

18、失后，程度铺设的单元进口所需求的任务压力就是：所需求的任务压力就是：管道上恣意一点的压力水头为：管道上恣意一点的压力水头为：各点的压力水头数据绘在管线图上并衔接起来各点的压力水头数据绘在管线图上并衔接起来 管道的压力水头分布图管道的压力水头分布图5 压力变化与流量变化的关系压力变化与流量变化的关系 喷头位置影响喷头的实践任务压力，离进口近那么大。喷头位置影响喷头的实践任务压力，离进口近那么大。一个喷灌系统中，尽能够要求各个喷头的出流量一样，一个喷灌系统中，尽能够要求各个喷头的出流量一样，以便草坪得到均匀的灌水量。需了解压力变化与流量以便草坪得到均匀的灌水量。需了解压力变化与流量变化的关系。变化

19、的关系。距管道进口最近的一个喷头与最远的一个距管道进口最近的一个喷头与最远的一个喷头之间的流量变化与压力变化可用流量喷头之间的流量变化与压力变化可用流量变化率表示：变化率表示：二二. 分支管道水力计算分支管道水力计算水头损失水头损失确定了管道布置后确定了管道布置后 与串联管道一样，从各分支的末与串联管道一样，从各分支的末端或总进口端逐段推算管道流量端或总进口端逐段推算管道流量 根据管段流量根据管段流量和适宜流速拟定各管段管径和适宜流速拟定各管段管径 水头损失计算。水头损失计算。选择管线最长和流量最大的分支或距管道进口最远的选择管线最长和流量最大的分支或距管道进口最远的分支计算，其他分支水头损失

20、较小，任务压力能满分支计算，其他分支水头损失较小，任务压力能满足要求。假设分支管网比较复杂，无法判别哪个分足要求。假设分支管网比较复杂，无法判别哪个分支水头损失最大，可分别计算各分支，然后选取其支水头损失最大，可分别计算各分支，然后选取其中的最大值作为确定管网进口压力或选择加压水泵中的最大值作为确定管网进口压力或选择加压水泵的根据。的根据。 或 管线最长1-2-5-7由1-2，2-5， 5-7串联分别计算 1-2-5-7，3-2-5-7， 4-5-7， 6-5-7四个分支，确定最大值2 压力分布压力分布 分支管道压力分布计算：分支管道压力分布计算：1确定各个支管末端需求的任务压力确定各个支管末

21、端需求的任务压力 选水头损失最选水头损失最大的分支末端作为端点，确定其最小任务压力；大的分支末端作为端点，确定其最小任务压力； 2 在此任务压力的根底上，分段加上该管段的水头损在此任务压力的根底上，分段加上该管段的水头损失失上一节点的压力水头；上一节点的压力水头； 3依次类推，计算到管道进口依次类推，计算到管道进口需求的进口压力水头。需求的进口压力水头。 具有坡度管道的具有坡度管道的 压力分布压力分布 当管道末端的任务压力当管道末端的任务压力He确定后，第确定后，第i个节点的压力水头：个节点的压力水头： 管道进口处需求的压力水头：管道进口处需求的压力水头：普通沿最大水头损失分支上的总水头损失不

22、宜超普通沿最大水头损失分支上的总水头损失不宜超越进口压力水头的越进口压力水头的20%，否那么各个分流点的灌，否那么各个分流点的灌水均匀度得不到保证。水均匀度得不到保证。三三. 沿程出流多孔管道水力计算沿程出流多孔管道水力计算沿程出流多孔管道主要作为安装喷头的支管以及具有沿程出流多孔管道主要作为安装喷头的支管以及具有微喷头或滴头的毛管，具以下的特点：微喷头或滴头的毛管，具以下的特点：1水流沿管道以一定间隔间隔分流，且分流点较水流沿管道以一定间隔间隔分流，且分流点较多；多；2分流点的间隔间隔普通等距，以便于田间管道分流点的间隔间隔普通等距，以便于田间管道布置；布置；3同一管道上安装的喷头、微喷头或

23、滴头普通都同一管道上安装的喷头、微喷头或滴头普通都是同一类型或一样的规格。是同一类型或一样的规格。由此可假定：沿程出流间隔间隔相等；各个喷头或滴由此可假定：沿程出流间隔间隔相等；各个喷头或滴头出流量一样。头出流量一样。 或 1 管道流量管道流量假设沿程各个孔口的流量为假设沿程各个孔口的流量为q，总进口流量为，总进口流量为Q0， 那么沿管道任一孔口前管段流量为：那么沿管道任一孔口前管段流量为：当当i = 1时，时， Q1 = nq，即第一个孔前管段的流，即第一个孔前管段的流量；当量；当i = n时时, Qn = q，即最末一个孔前管段，即最末一个孔前管段的流量。的流量。2 水头损失水头损失确定了

24、沿程流量分布及管径，管段长度已定，沿程水确定了沿程流量分布及管径，管段长度已定，沿程水头损失可逐段计算，累计后就是总沿程水头损失：头损失可逐段计算，累计后就是总沿程水头损失：为计算方便，适用中常用多孔系数法计算：为计算方便，适用中常用多孔系数法计算：X：从管道进口到第一个孔口的长度与孔口间距的比值3 压力分布压力分布沿程出流管道压力水头分布可按串联管道的方法逐段沿程出流管道压力水头分布可按串联管道的方法逐段计算，也可按近似的简化方法计算：计算，也可按近似的简化方法计算：在在dx管段上的沿程损失：管段上的沿程损失：当当x=L时时在多孔管道上约4/5的水头损失发生在距管道进口一半的管段，只需1/5发生在较远的一半。沿程泄流，末端流量很小第四节第四节 管网水力计算管网水力计算一一 环形管网环形管网 一切管段首末顺序衔接一切管段首末顺序衔接串联管道管线串联管道管线 其他衔接其他衔接管网管网管网越大，计算越复杂管网越大，计算越复杂当环形管网外形已定，节点流量为知时，各管段的流量有许当环形管网外形已定，节点流量为知时，各管段的流量有许多分配方案，各管段的流量、管径都是未知数，管内水流多分配方案，各管段的流量、管径都是未知数，管内水流方向也无法直接确定。根据节点流量