工程流体与粉体力学基础：第五章 压力管路的水力计算

1、第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressure pipe5.1 管路特性曲线 characteristic curve of flow in pipe一、预备知识1.流态的判别 Re2.沿程摩阻损失 hf 二、本节重点1.长管水力设计计算2.管路特性与综合阻力系数3.孔口泄流1 1.压力管路 凡是液流充满全管在一定压差下流动的管路都称为压力管路。其压力可以高于大气压(如泵的排出管线)，也可以低于大气压(如泵的吸入管线)。 例如： 炼厂的输油管陕京输气管线2第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of

2、 flow in pressure pipe5.1 管路特性曲线 characteristic curve of flow in pipe 2.长管 长输管线(包括输水干线)输送距离较远，两端压差较大，局部阻力所占比例较小，计算时为了简化，常可忽略流速水头和局部水头损失，或按局部水头损失等于510的沿程损失估算，这种情况的管路俗称“长管”(long pipe)。 3第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressure pipe5.1 管路特性曲线 characteristic curve of flow in pipe 3.短管 泵站、

3、库内管线总的距离较短，分支较多，压差较小，不能忽视局部阻力甚至流速水头，称之为“短管”(short pipe)。 4.管路水力特性 管路的基本水力特性是能量供应和消耗的平衡。当液体自高向低自由泄流时，能量的供应主要靠位差(即位置水头差)，能量消耗是水头损失。 4第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressure pipe5.1 管路特性曲线 characteristic curve of flow in pipe 据水头损失的计算通式，当有局部水头损失时可折算为当量长度并入沿程水头损失中，则有 (5-2)5第五章 压力管路的水力计算

4、hydraulic computation of flow in pressure pipe5.1 管路特性曲线 characteristic curve of flow in pipe 5.管路特性曲线 对一定管长和管径的管路，系数将随值而变化，给不同流量Q，将可以算出不同的水头损失。按上式绘成的曲线称为管路特性曲线。 6第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressure pipe5.1 管路特性曲线 characteristic curve of flow in pipe5.2.1 简单长管 simple long pipe 短途

5、无中继泵站的输液管线和长途两泵站间的管线都属于简单长管。 对输送流体管路，常把不同流态下的水头损失公式综合成一个公式表示。层流和水力光滑状态的沿程水力摩阻系数仅与雷诺数有关。 7第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressure pipe5.2 长管水力计算 hydraulic computation of flow in long pipe 层流时 (5-3)8第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressure pipe5.2 长管水力计算 hydraulic comput

6、ation of flow in long pipe水力光滑管 4000Re26.98 (D/e)8/7 (5-4)9第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressure pipe5.2 长管水力计算 hydraulic computation of flow in long pipe水力粗糙区 Re 4160 (D/2e)0.85(5-5)(5-6)混合摩擦区 26.98 (D/e)8/7 Re 4160(D/2e)0.8510第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressur

7、e pipe5.2 长管水力计算 hydraulic computation of flow in long pipe管路的设计计算常常会遇到以下三大类情况： (1)第一类情况 已知管径、管长和地形(即管线起点和终点的标高)，当一定流量的某种液体通过时，确定管路中的压力降，或确定起点所需的压头。 在管线初步或正式设计计算中会大量遇到。11第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressure pipe5.2 长管水力计算 hydraulic computation of flow in long pipe 程序是： 1)根据给定的流量、管

8、径、液体性质，算出雷诺数，确定流态。 2)根据流态，确定水力摩阻系数的计算式，再算出水头损失。 3)由式(5-1)计算压降或起点压头。 12第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressure pipe5.2 长管水力计算 hydraulic computation of flow in long pipe(2)第二类情况 已知管径、管长和地形，在一定压力降的限制下，确定某种液体通过时的最大输送能力，即输送量大小。（在役管道） 它是在已有设备能力条件下，作管线设计或校核时用之。由于流量是未知数，无法确定流态，可用试算法，即先设定流态，确

9、定水力摩阻系数计算式中的系数。13第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressure pipe5.2 长管水力计算 hydraulic computation of flow in long pipe 再给定一个水力摩阻系数，算出相应的Q，或相反；最后用算出的流量Q，计算雷诺数校核流态，看是否与原假设流态相符。如不符，再重新假设流态试算。 也可先假定几个流量，按第一类情况算出各流量相应的hf，绘管路特性曲线，再按给定压降由式(5-1)算出hf，由管路特性曲线上查得满足此压降的流量值。 14第五章 压力管路的水力计算 hydraulic

10、 computation of flow in pressure pipe5.2 长管水力计算 hydraulic computation of flow in long pipe(3)第三类情况 已知管长、地形及输送某种液体的流量，要求设计最经济的管径。 在进行初步设计时经常遇到的。 在设备、管材未订货前都要从经济上进行核算。这时，管径和压降都是未知的，在一定流量下，管径大小直接影响流速大小和流态变化，因而水头损失不同，压降也不同。 15第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressure pipe5.2 长管水力计算 hydraul

11、ic computation of flow in long pipe 选择的管径过小，用管材较省，且易于运输和安装，能降低造价；但另一方面，若保证一定流量，管路中流速将较大，从而水头损失大。 选管径过大，则管线所用钢材较多，运输安装不便，管线造价高；但流速较小，水头损失小，需要的设备投资及运转动力费都可较省。 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，使操作管理方便。 16第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressure pipe5.2 长管水力计算 hydraulic computation of

12、 flow in long pipe 设计管径的步骤: 1)根据设计流量，在适宜的流速范围内选择几个不同的管径。 2)按照所选管径算出实际流速。 3)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。 4)由总水头损失及压降确定泵的扬程、功率，算出每年动力消耗费用。 17第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressure pipe5.2 长管水力计算 hydraulic computation of flow in long pipe 5)计算全部设备投资、管线投资及每年平均折旧费。 6)计算每年的检修、保养及管理费

13、。 7)把选用不同管径时每年所需各种费用全部开支一一算出。 8)以管径为横坐标，年费用为纵坐标，绘成曲线，如图所示。曲线表示直径与动力费的关系；曲线表示直径与设备投资、管理、保养等费用的关系；曲线表示两种费用总和与直径的关系。取曲线最低点对应的直径，即为经济直径。 18第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressure pipe5.2 长管水力计算 hydraulic computation of flow in long pipe图5-1所示。19第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow

14、 in pressure pipe5.2 长管水力计算 hydraulic computation of flow in long pipe5.2.2 串联和并联管路series and parallel connection pipe 由不同长度、不同直径的管段依序联接的管路就是串联管路。 series connection pipe 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为并联管路。 parallel connection pipe20第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressure pipe5.2 长管水力计算 h

15、ydraulic computation of flow in long pipe(1)串联和并联的水力特性 串联 如图5-2表示三种不同直径的管段的串联。虚线箭头表示在该点接有支线分出一部分流量。图5-221第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressure pipe5.2 长管水力计算 hydraulic computation of flow in long pipe 2)全线总的水头损失为各分段水头损失的总和串联管路的水力特点： 1)各联结点(称为节点)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。22第五章 压力管

16、路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressure pipe5.2 长管水力计算 hydraulic computation of flow in long pipe并联 如图5-3，AB表示三条管线并联。A、B两节点处可有分流，亦可无分流。图5-323第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressure pipe5.2 长管水力计算 hydraulic computation of flow in long pipe(5-9)(5-10)并联管路的水力特点： 1)进入各并联管的总流量等于流

17、出各并联管的流量之和 2)不同并联管段从A到B单位重量液体的能量损失都相等24第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressure pipe5.2 长管水力计算 hydraulic computation of flow in long pipe(2)串联管和并联管的水力计算 串联管路，都是在给定流量条件下，按合理流速选定管径，然后分段按第一类情况求解。 并联管路，涉及各条并联管中的流量分配问题。因为总流量一般是已知，但各并联管的流量则都是未知数。同时，水头损失也是未知数。如果有n条管线并联，就要有n+1个未知数，需列出n+1个方程求解

18、。 25第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressure pipe5.2 长管水力计算 hydraulic computation of flow in long pipe 象第二类情况一样，因流量是未知数，则流态未知，故也需要试算。 一般是先设定流态，确定水力摩阻系数计算式中的系数。然后以某管线为准，求出与其它管线的流量比，再代入流量方程即可求解。然后进行流态校核，看是否与原假设流态相符。如不符，再重新假设流态试算。 26第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressure

19、 pipe5.2 长管水力计算 hydraulic computation of flow in long pipe例5-1 现有输原油的两条并联管路，已知总输量为182th，原油密度为0.895tm3，运动粘度为0.42 St，管径和管长分别为d1=156mm，d2=203mm，L1=lOkm，L2=8km，试确定流量及其水头损失。27第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressure pipe5.2 长管水力计算 hydraulic computation of flow in long pipe解：由于Q1和Q2都是未知数，流动

20、状态无法确定。先假设都为水力光滑区，因流态相同，则 28第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressure pipe5.2 长管水力计算 hydraulic computation of flow in long pipe 校核流态 均在水力光滑区，与假设相符。流量均可用。最后求水头损失 29第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressure pipe5.2 长管水力计算 hydraulic computation of flow in long pipe5.2.3 分支管路

21、 division pipe 输油和给水管路，是从一处送往多处，属于分支管路。分支管路的特点是相当于串联管路的复杂情况。 短管：一般室内管线及自流管线。短管系统通常都可直接由能量方程求解。 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，便可解问题。 30第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressure pipe5.2 长管水力计算 hydraulic computation of flow in long pipe 2)按各终点流量要求，从末端前推，分配各管段流量。 3)根据流量及合理流速，选定各段管径。 4)计算干

22、线各段水头损失，确定干线上各节点处压头，推算起点压头泵压。 5)以算出的节点压头为准，确定各支管的水头损失，校核水头损失,直到满意为止。 分支管路的计算内容包括： 1)根据管线布置选定主干线，一般以从起点到最远点为主干线。 31第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressure pipe5.2 长管水力计算 hydraulic computation of flow in long pipe5.3.1 综合阻力系数 synthesize resistant coefficient 假设所计算的管段上，由两种不同直径的直管和各种管件组成

23、，如图5-4所示 图5-432第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressure pipe5.3 短管水力计算 hydraulic computation of flow in short pipe 全管段的总水头损失应为所有沿程水头损失和所有局部水头损失的总和 (5-11) 为便于计算，常利用连续原理把流速化为一个相同的流速，一般以出口处流速为准。 33第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressure pipe5.3 短管水力计算 hydraulic computatio

24、n of flow in short pipe 令方括号内所有系数总和为 ,称综合阻力系数， 则34第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressure pipe5.3 短管水力计算 hydraulic computation of flow in short pipe5.3.2 短管实用计算通式 对图5-4所示AB段列能量方程 (5-13)35第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressure pipe5.3 短管水力计算 hydraulic computation of f

25、low in short pipe实用计算中，一般直接用流量代替流速，可写成(5-14)(5-16)按式(5-14)还可写成 可用式(5-14)和(5-16)来解管路的第一、第二两类情况： 36第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressure pipe5.3 短管水力计算 hydraulic computation of flow in short pipe 第一类情况，流量是已知数，流速很易求出，可确定流态，求出综合阻力系数，可直接由式(5-14)求出H0。 第二类情况，像长管一样，需用式(5-16)试算，或用式(5-14)作出管

26、路特性曲线，由曲线来确定在给定H0的情况下的流量Q。但要注意是随综合阻力系数及流态而变的，至少算三个点才能绘成曲线。 37第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressure pipe5.3 短管水力计算 hydraulic computation of flow in short pipe 不加外来能量，完全靠自然位差获得能量来源达到输送或排泄液体的管路称为自流管路self flow pipe。 （油田单井储罐） 38第五章 压力管路的水力计算 hydraulic computation of flow in pressure pipe5.4 孔口泄流 discharge in hole 储