流体输配管网(第2章)

1、1第第2章章 气体管流水力特征与水力计算气体管流水力特征与水力计算22.1 气体管流水力特征气体管流水力特征 气体气体重力重力管流水力特征管流水力特征 气体气体压力压力管流水力特征管流水力特征 压力和重力压力和重力综合作用下气体管流水力特征综合作用下气体管流水力特征32.1.1 气体气体重力重力管流水力特征管流水力特征管流的能量方程管流的能量方程 1-2 1-2断面的能量方程：断面的能量方程：21222122112)(2PvPHHgvpjaj（2-1-1)2-1-1)静压静压动压动压位压位压阻力阻力1 jp2jP221v222v)(12HHga21P当密度差由温差引起时，工程上将此时的位压称为

2、当密度差由温差引起时，工程上将此时的位压称为热压热压4讨论几种情况：讨论几种情况： （1 1）竖向开口管道）竖向开口管道 若若1 1、2 2断面位于进口外和出口处，这时静压均为断面位于进口外和出口处，这时静压均为0 0，进口流速为，进口流速为0 0，则：则：也可以将出口的动压损失视为出口的一种流动局部阻力，则：也可以将出口的动压损失视为出口的一种流动局部阻力，则：)2(2)(212212pHHga则：(2-1-2)(2-1-2) 上式表明：上式表明：流动阻力依靠位压（即重力的作用）克服，流动方向流动阻力依靠位压（即重力的作用）克服，流动方向取决于管内外的密度差。取决于管内外的密度差。 以厨房排

3、烟管网为例：以厨房排烟管网为例：当没有开启排风机、且未设防倒流阀，夏当没有开启排风机、且未设防倒流阀，夏季竖井中温度低，室外空气经竖井进入室内；冬季竖井温度高，室内季竖井中温度低，室外空气经竖井进入室内；冬季竖井温度高，室内空气进入竖井。空气进入竖井。2112)(pHHga5（2 2）U U型管道内的重力流型管道内的重力流 通过列写断面通过列写断面1-D1-D、断面、断面D-2D-2的能量方程，综合后得到：的能量方程，综合后得到： 上式表明：上式表明：进、出口位于相同标高时，流动动力是竖管内的密度进、出口位于相同标高时，流动动力是竖管内的密度差与高差的乘积，与管外大气密度无关。流动方向取决于竖

4、管内密度差与高差的乘积，与管外大气密度无关。流动方向取决于竖管内密度的相对大小。的相对大小。 请分析请分析1 1、2 2断面高差不等的情况。断面高差不等的情况。21211222122122)(pHHg(2-1-2)(2-1-2)211221)(pHHg 若断面若断面1 1和和2 2分别在进口和出口外，将进口和出口的阻力损失放分别在进口和出口外，将进口和出口的阻力损失放在在pp1 12 2中，上式可以简写成：中，上式可以简写成：6（3 3）闭式管道内的重力流）闭式管道内的重力流 将将U U型管的型管的1 1、2 2断面合为一体，形成闭式循环管断面合为一体，形成闭式循环管道，则：道，则： 上式表明

5、上式表明闭式管道内的重力流闭式管道内的重力流与进出口断面与进出口断面等高的等高的U U型竖管重力流型竖管重力流具有相同的水力特征。具有相同的水力特征。lpHHg)(1221式中式中ppl l表示环路阻力。表示环路阻力。72.1.2 气体气体压力压力管流水力特征管流水力特征压力管流的能量方程压力管流的能量方程当位压为零而且没有机械动力装置时当位压为零而且没有机械动力装置时: : 2122221122PPvPvjj（2-1-7)2-1-7)定义全压为定义全压为 ，则上式变成：，则上式变成：22vPPjq2121PPPqq（2-1-8)2-1-8) 表明：表明：位压为位压为0 0的管流中，两断面之间

6、的流动阻力是的管流中，两断面之间的流动阻力是靠全压差克服的。靠全压差克服的。管段没有外界动力输入时，下游断面管段没有外界动力输入时，下游断面的全压低于上游断面。的全压低于上游断面。8断面间静压的关系：断面间静压的关系：可以通过改变流速在一定范围内调整静压可以通过改变流速在一定范围内调整静压92.1.3 压力和重力压力和重力综合作用下的气体管流水力特征综合作用下的气体管流水力特征（2-1-11)2-1-11)211221)()(pHHgppaqq式中：式中： 断面之间的全压差断面之间的全压差 反映压力作用；反映压力作用； 位压位压 反映重力作用；反映重力作用； 二者综合作用克服流动阻力二者综合作

7、用克服流动阻力 ，维持管内流动。，维持管内流动。211221)()(pHHgppaqq211221)()(pHHgppaqq211221)()(pHHgppaqq1011122.2 流体输配管网水力计算的基本原理和方法流体输配管网水力计算的基本原理和方法两种水力计算：两种水力计算：设计计算、校核计算设计计算、校核计算目的目的设计计算：设计计算：根据要求的流量分配，确定管网的各段根据要求的流量分配，确定管网的各段管径管径（或断面尺寸）（或断面尺寸）和和阻力阻力。对枝状管外，求得。对枝状管外，求得管网特性曲线管网特性曲线，为匹配管网动力设备准备好条件，进而为匹配管网动力设备准备好条件，进而确定动力

8、设备（风确定动力设备（风机、水泵等）的型号机、水泵等）的型号。13校核计算：校核计算：根据已定的根据已定的动力设备动力设备，确定保证流量输配的，确定保证流量输配的管道尺寸管道尺寸；或者根据已定的；或者根据已定的管道尺寸管道尺寸，确定保证流量输配，确定保证流量输配的的动力设备动力设备。水力计算是保证管网设计及其运行质量的基本手段水力计算是保证管网设计及其运行质量的基本手段14基本理论依据基本理论依据流体力学一元流动流体力学一元流动连续性方程连续性方程、能量方程能量方程串、并联管路串、并联管路流动规律流动规律：管网的流动动力管网的流动动力等于等于管网流动总阻力；管网流动总阻力；若干管段串联后的阻力

9、，若干管段串联后的阻力，等于等于各管段阻力之和；各管段阻力之和；各并联管段的起点（终点）相同，具有相同的压力，不包各并联管段的起点（终点）相同，具有相同的压力，不包含动力源的并联管段，阻力应含动力源的并联管段，阻力应相等相等；管段阻力是构成管网阻力的管段阻力是构成管网阻力的基本单元基本单元；管段总阻力等于管段总阻力等于摩擦阻力摩擦阻力（沿程阻力）和（沿程阻力）和局部阻力局部阻力之和。之和。152.2.1 摩擦阻力计算摩擦阻力计算摩擦阻力的普适计算公式摩擦阻力的普适计算公式lsmldlRP242当管道材料不变，断面尺寸不变，流体密度与流量不随当管道材料不变，断面尺寸不变，流体密度与流量不随沿程变

10、化时：沿程变化时：lRlRPmsml242R Rs s=f/X=f/X分析：分析：当要求的流量一定时，流速是影响阻力的关键参数。当要求的流量一定时，流速是影响阻力的关键参数。 根据流速和流量根据流速和流量 管道断面管道断面R Rs s、R Rm m 161718工程上常根据自身的工程特点，编制相应的计算图表帮工程上常根据自身的工程特点，编制相应的计算图表帮助计算。助计算。任何计算公式或图表，都有其使用范围，使用时要特别任何计算公式或图表，都有其使用范围，使用时要特别注意。注意。当工程条件与得出公式或图表的条件有差异时，常采用当工程条件与得出公式或图表的条件有差异时，常采用修正的方法，如：密度和

11、黏度修正、温度和热交换修正以修正的方法，如：密度和黏度修正、温度和热交换修正以及管壁粗糙度修正等。及管壁粗糙度修正等。192.2.2 局部阻力计算局部阻力计算产生原因产生原因： 流动边界几何形状改变，使流动产生涡流动边界几何形状改变，使流动产生涡旋、流动方向变化，引起能量损失。旋、流动方向变化，引起能量损失。局部阻力基本计算公式：局部阻力基本计算公式：局部阻力系数局部阻力系数局部阻力处流动处于阻力平方区，局部阻力系数只与几何局部阻力处流动处于阻力平方区，局部阻力系数只与几何形状有关；形状有关；局部阻力系数一般通过实验获得，可从各设计手册查出；局部阻力系数一般通过实验获得，可从各设计手册查出；局

12、部阻力系数总是与所指的断面动压对应的，使用时必须局部阻力系数总是与所指的断面动压对应的，使用时必须注意。注意。 22vP（2-1-11)2-1-11)202.2.3 常用的水力计算方法常用的水力计算方法假定流速法假定流速法压损平均法压损平均法静压复得法静压复得法21假定流速法的特点：假定流速法的特点：先按技术经济要求选定管内流速，再结合所需输送的流先按技术经济要求选定管内流速，再结合所需输送的流量，确定管道断面尺寸，进而计算管道阻力量，确定管道断面尺寸，进而计算管道阻力, ,得出需要的得出需要的作用压力。作用压力。假定流速法适用于作用压力（动力）未知的情况。假定流速法适用于作用压力（动力）未知

13、的情况。22假定流速法的基本步骤：假定流速法的基本步骤：（1 1）绘制管网轴测图，对各管段进行编号，标出长度和流量，确定最绘制管网轴测图，对各管段进行编号，标出长度和流量，确定最不利环路。不利环路。（2 2）合理确定最不利环路各管段的管内流体流速。合理确定最不利环路各管段的管内流体流速。（3 3）根据各管段的流量和流速，确定最不利环路各管段的断面尺寸。根据各管段的流量和流速，确定最不利环路各管段的断面尺寸。（4 4）计算最不利环路各管段的阻力。计算最不利环路各管段的阻力。（5 5）平衡并联管路。确定并联管路的管径，使各并联管路的计算阻力平衡并联管路。确定并联管路的管径，使各并联管路的计算阻力与

14、各自的资用压力相等，可用压损平均法计算。这是保证流量按要求分与各自的资用压力相等，可用压损平均法计算。这是保证流量按要求分配的关键。若并联管路计算阻力与各自的资用压力不相等，在实际运行配的关键。若并联管路计算阻力与各自的资用压力不相等，在实际运行时，管网会自动调整各并联管路流量，使并联管路的实际流动阻力与各时，管网会自动调整各并联管路流量，使并联管路的实际流动阻力与各自的资用压力相等。这时各并联管路的流量不是要求的流量。自的资用压力相等。这时各并联管路的流量不是要求的流量。 （6 6）计算管网的总阻力，求取管网特性曲线。计算管网的总阻力，求取管网特性曲线。 （7 7）根据管网特性曲线、所要求输

15、送的总流量以及所输送流体的种类、根据管网特性曲线、所要求输送的总流量以及所输送流体的种类、性质等诸因素，综合考虑为管网匹配动力设备，确定动力设备所需的参性质等诸因素，综合考虑为管网匹配动力设备，确定动力设备所需的参数。数。23压损平均法的特点：压损平均法的特点：将已定的总作用压力，按干管长度平均分配给每一管段，将已定的总作用压力，按干管长度平均分配给每一管段，以此确定管段阻力，再根据每一管段的流量确定管道断面以此确定管段阻力，再根据每一管段的流量确定管道断面尺寸。尺寸。当管道系统的动力已定时进行水力计算，此法较为方便。当管道系统的动力已定时进行水力计算，此法较为方便。当然，也可按其他技术经济性

16、更好的方法将已定作用压力当然，也可按其他技术经济性更好的方法将已定作用压力分配给各管段。分配给各管段。24压损平均法的基本步骤：压损平均法的基本步骤：（1 1）绘制管网轴测图，对各管段进行编号，标出长度和流绘制管网轴测图，对各管段进行编号，标出长度和流量，确定最不利环路。量，确定最不利环路。（2 2）根据确定的最不利环路的资用动力，计算最不利环路根据确定的最不利环路的资用动力，计算最不利环路单位管长的压力损失。单位管长的压力损失。（3 3）根据最不利环路单位管长压力损失和各管段流量，确根据最不利环路单位管长压力损失和各管段流量，确定其各管段管径。定其各管段管径。（4 4）确定其他支路的资用动力

17、，计算单位管长的压力损失。确定其他支路的资用动力，计算单位管长的压力损失。（5 5）根据各支路单位管长压力损失和各管段流量，确定其根据各支路单位管长压力损失和各管段流量，确定其各管段管径。各管段管径。25静压复得法的特点：静压复得法的特点：通过调整管道断面尺寸，改变流速，维持管道在不同断通过调整管道断面尺寸，改变流速，维持管道在不同断面处的管内静压。面处的管内静压。送风管道若要求各个风口风量均匀，常用此方法保证要送风管道若要求各个风口风量均匀，常用此方法保证要求的风口风速。求的风口风速。26静压复得法的基本步骤：静压复得法的基本步骤：27说明：说明：不论采用何种方法，水力计算前必须完成管网系统

18、和设备不论采用何种方法，水力计算前必须完成管网系统和设备的布置，确定管道材料及每个管段的流量，然后循着各种方的布置，确定管道材料及每个管段的流量，然后循着各种方法所要求的步骤进行计算。法所要求的步骤进行计算。水力计算中，各种计算公式和基础数据的选取，应遵循相水力计算中，各种计算公式和基础数据的选取，应遵循相关规范、标准的规定。关规范、标准的规定。问题：为什么有多种水力计算方法？问题：为什么有多种水力计算方法？282.3 气体输配管网水力计算气体输配管网水力计算 大多数的气体输配管网是开式枝状管网，本节学习大多数的气体输配管网是开式枝状管网，本节学习开开式枝状气体输配管网水力计算式枝状气体输配管

19、网水力计算的具体方法。的具体方法。292.3.1 开式枝状气体输配管网水力计算开式枝状气体输配管网水力计算开式枝状气体管网类型开式枝状气体管网类型 吸入式通风除尘管网吸入式通风除尘管网 压送式通风空调管网压送式通风空调管网 室内燃气管网室内燃气管网 水力计算的前期工作水力计算的前期工作 空气输配管网的布置，包括系统划分；空气输配管网的布置，包括系统划分； 管道布置，设备和各送排风点位置的确定；管道布置，设备和各送排风点位置的确定； 确定各送排风点和各管段的输送风量。确定各送排风点和各管段的输送风量。按所选定的计算方法（按所选定的计算方法（一般采用假定流速法一般采用假定流速法）的）的步骤进行水力

20、计算步骤进行水力计算30管内流速和管段断面尺寸管内流速和管段断面尺寸绘制风管系统轴测图绘制风管系统轴测图 划分管段、管段编号、标注长度、标注流量划分管段、管段编号、标注长度、标注流量确定管内流速确定管内流速 速度与经济性的关系速度与经济性的关系 速度与技术性的关系速度与技术性的关系 确定各管段的断面尺寸确定各管段的断面尺寸 管道尺寸有统一的规格管道尺寸有统一的规格 调整为标准规格后，再计算实际流速调整为标准规格后，再计算实际流速 313233摩擦阻力计算摩擦阻力计算阻力计算应从最不利环路开始阻力计算应从最不利环路开始通风空调管段：通风空调管段：先求阻力系数：先求阻力系数：再求比摩阻再求比摩阻：

21、根据上两式绘制出的的根据上两式绘制出的的线算图线算图进行计算进行计算（图（图2-3-12-3-1） 对于参数对于参数L L、d d、R Rm，只要知道其中任意两个，即可利用线算，只要知道其中任意两个，即可利用线算图求出其它参数。图求出其它参数。注意注意：实际条件与线算图计算条件不符时应进行修正实际条件与线算图计算条件不符时应进行修正 密度和粘度的修正；空气温度、大气压力和热交换的修正；管壁密度和粘度的修正；空气温度、大气压力和热交换的修正；管壁粗糙度的修正。粗糙度的修正。 Re51. 271. 3lg21dK22 dRm 343536非圆管利用图表引入非圆管利用图表引入“当量直径当量直径”流速

22、当量直径流速当量直径 假设圆形风管中的空气流速与非圆形风管中的空气流假设圆形风管中的空气流速与非圆形风管中的空气流速相等，并且两者的单位长度摩擦阻力也相等，则该圆形速相等，并且两者的单位长度摩擦阻力也相等，则该圆形风管的直径就称为此矩形风管的流速当量直径，以风管的直径就称为此矩形风管的流速当量直径，以DvDv表示。表示。 根据这一定义根据这一定义, ,断面为断面为a ab b的矩形风管的流速当量直的矩形风管的流速当量直径径DvDv用下式计算。用下式计算。查表时用矩形风管中的流速查表时用矩形风管中的流速。baabDv2（2-3-10)2-3-10)37流量当量直径流量当量直径 设某一圆形风管中的

23、空气流量与非圆形风管的空气流设某一圆形风管中的空气流量与非圆形风管的空气流量相等，并且单位长度摩擦阻力也相等，则该圆形风管的量相等，并且单位长度摩擦阻力也相等，则该圆形风管的直径就称为非圆形风管的流量当量直径，以直径就称为非圆形风管的流量当量直径，以D DL L表示。表示。 根据推导，矩形风管的流量当量直径可近似按下式计根据推导，矩形风管的流量当量直径可近似按下式计算。算。查表时用矩形风管中的流量查表时用矩形风管中的流量。（2-3-11)2-3-11)25. 0625. 0)()(3 . 1baabDL38风管局部阻力计算风管局部阻力计算计算公式：计算公式：22 p确定局部阻力系数及其对应的特

24、征速度确定局部阻力系数及其对应的特征速度 代入上式计算局部阻力代入上式计算局部阻力 各管件的局部阻力系数查设计手册各管件的局部阻力系数查设计手册39并联管路的阻力平衡并联管路的阻力平衡阻力平衡阻力平衡的含义的含义 为了保证各管路达到预期的风量，在水力计算中应使并为了保证各管路达到预期的风量，在水力计算中应使并联支管的计算阻力相等，工程上称为并联管路阻力平衡。联支管的计算阻力相等，工程上称为并联管路阻力平衡。要求：要求： 一般通风系统一般通风系统两支管的计算阻力差应两支管的计算阻力差应 15； 含尘风管含尘风管两支管的计算阻力差应两支管的计算阻力差应 10 。 超过上述规定应进行超过上述规定应进

25、行阻力平衡阻力平衡，方法如下：，方法如下：调整支管管径调整支管管径 阀门调节通过改变阀门的开度调节管道阻力阀门调节通过改变阀门的开度调节管道阻力225. 0/iiPPDD40计算系统总阻力及获得管网特性曲线计算系统总阻力及获得管网特性曲线 管网特性曲线方程：管网特性曲线方程：2LSp pp最不利环路所有串联管段阻力之和最不利环路所有串联管段阻力之和根据计算的管网总阻力根据计算的管网总阻力pp和要求的总风量和要求的总风量L L，计算管网，计算管网阻抗阻抗S S，获得管网特征曲线。，获得管网特征曲线。 管网阻抗：管网阻抗： 串联管路阻抗：串联管路阻抗： 并联管路阻抗并联管路阻抗：2LpSiSS 2121 iSS41详见详见P5862422.3.2 均匀送风管道设计均匀送风管道设计43均匀送风管道设计原理均匀送风管道设计原理 静压静压Pj垂直作用于管壁，如在侧壁开垂直作用于管壁，如在侧壁开孔面积孔面积f0，Pj将产生静压流速将产生静压流速vj，出流角，出流角为为 。管内流速为。管内流速为vd。有关计算式如下：。有关计算式如下：）（；21-3-2 2sinsin ; 2 ; 20000jjjdjddjjPfvfvafLavvPPtgaP vPv44保持各个侧孔流速相等的方法：保持各个侧孔流速相等的方法：45实现均匀送风的基本条件实现均