《流体输配管网 第4版》 课件 第1章 流体输配基础

流体输配管网

第4版

第1章流体输配基础

1.1有压管网水力计算基础1.1.1枝状管网与环状管网

流体输配管网基本任务：

一、流体（物质）的转运与分配

二、能量的转运与分配

在流体（物质）、能量的转运与分配过程中，存在流体的机械能损失。

建筑流体输配管网按照目的和用途来划分，大致可分为下述4类：

1.满足（建筑）环境控制（生产工艺或生活所需要的环境）目标的管网系统；

2.满足生产工艺及生活需要的用水，用气管网系统；

3.安全消防；

4.其它，如制冷机组各元件（零部件）之间的连接管道、空压管道等。

1.1.1.1枝状管网

枝状管网是指输送流体的管道通过串联与并联的组合呈树枝状排列的管道系统（管网）。

图1-1枝状管网

根据并、串联管路的计算原则，可得到该风机应具有的压头为

（1-1）

风机应具有的风量为

（1-2）

图1-2均匀泄流管路管段每单位长度上泄出的流量均相同即等于qV，这种管路称为均匀泄流管路

（1-3）

（1-4）

近似写作

近似写作

（1-5）

引入计算流量qVc（1-6）

（1-7）

流量qVz=0

（1-8）

1.1.1.2环状管网

1、Hardy-Cross方法

环状管网是指管道通过串联与并联的组合存在一个以上闭合环路的管道系统（管网）。

图1-3

环状管网遵循串联和并联管路的计算原则，

根据其特点，并存在下列两个条件：

（1）任一节点（如点）流入和流出的流量相等。

（2）任一闭合环路（如）中，如规定顺时针方向流动的阻力损失为正，反之为负，则各管段阻力损失的代数和必等于零。（1）哈迪·克罗斯（Hardy-Cross）方法

图1-4环路划分

计算程序如下：

①将管网分成若干环路如图1-4上分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个闭合环路。按节点流量平衡确定流量，选取限定流速

，定出管径D。

②按照上面规定的流量与损失在环路中的正负值，求出每一环路的总损失。

③根据上面给定的流量，若计算出来的不为零，则每段管路应加校正流量，而与此相适应的阻力损失修正值为。

④用同样的程序，计算出第二次校正后的流量，第三次校正后的流量……，直至满足工程精度要求为止。

图1-5 环网计算图

（2）燃气环状管网水力计算方法

手工表格法步骤：

①布置管网，绘制管网平面示意图。

②计算管网各管段的途泄流量。

③假定各管段的气流方向并选择零速点。

④求管网各管段的计算流量。

⑤选择管径。

⑥进行初步计算。

⑦进行校正计算，即水力平差计算。

[例1-2]有一低压环网，环网中管段的长度及环内建筑用地面积均如图1-6所示，人口密度每公顷为500人，每人每小时的平均用气量为0.08m3，在2、6、9节点处有三个集中用户，用气量如图所示。现供应该管网的是城市焦炉燃气，燃气对空气相对密度为0.55，求管网中各段的管径。图1-6燃气环网计算图1.1.2小密度差管流流动图1-7热水采暖示意图

对1-1，2-2两个截面，其伯努利方程

（1-20）

式（1-20）考虑的是浮力（密度差）对流动过程的影响，称之为小密度差管流能量方程。

热水自然循环

（1-21）

管内流体与管外流体存在的密度差所导致的流动，这一类存在两种场合：

一是密度与空气不同的其它气体流动，如燃气流动，其密度大多轻于空气。

另一个场合是高温烟气流动，烟气密度一般也低于当地空气的密度。

对于恒定气流流动，其能量方程可表示为：

（1-23）

是断面1、2的相对压强，专业上习惯称为静

压。

习惯称为动压。

是容重差与高程差的乘积，称为位压，表

示管内外流体密度差的作用

当气流方向（向上或向下）与实际作用力（重力或浮力）方向相同时，位压为正。当二者方向相反时，位压为负。应当注意，气流在有效浮力作用下，位置升高，位压减小；位置降低，位压增大。这与气流在有效重力作用下，位置升高，位压增大；位置降低，位压减小正好相反。

是1，2两断面间的压强损失。

静压和位压相加，称为势压，以表示。

势压与管中水流的测压管水头相对应。

静压和动压之和，称为全压，以表示。

静压，动压和位压三项之和以表示，称

为总压，与管中水流的总水头线相对应。

存在位压时，总压等于位压加全压。位压

为零时，总压就等于全压。

位压（）（）实际上就表示了管内

外流体存在密度差时所具有的附加压头。

烟气流动

图1-9

对1-1断面处烟囱内外之流体可分别写出

其静力学基本方程：

（1-25）

（1-26）

若

在1-1断面处烟囱内外两侧压差大小为：

（1-27）

本章理解难点：1、设计工况2、水力平衡与最不利工况3、并联管路阻力特性原理4、习题主要为基本概念理解，有关环路管网可参见燃气输配例题1.2无压流动基础—明渠均匀流1.2.1概述

明渠是一种具有自由表面水流的渠道。

可分为

天然明渠，如天然河道。

人工明渠，如人工渠道（输水渠、排水

渠等）、运河及未充满水流

的管道等。

明渠水流与有压管流不同，它具有自由表面，表面上各点受大气压强作用，其相对压强为零，故又称为无压流动或重力流动。1.2.1.1明渠的分类

由于过水断面形状、尺寸与底坡的变化对明渠水流运动有重要影响，故明渠一般分为以下类型：

1.棱柱形渠道与非棱柱形渠道:

凡是断面形状及尺寸沿程不变的长直渠道，称为棱柱形渠道，否则为非棱柱形渠道。

图1-10常见渠道断面形状2.顺坡、平坡和逆坡渠道:

明渠底一般是个斜面，在纵剖面上，渠底便成一条斜直线，这一斜线就是渠道底线的坡度便是渠道底坡，它单位流程上渠底高程降低值。

一般规定：

渠底沿程降低的底坡为称为顺坡；渠底水平时，称为平坡；渠底沿程升高时，称为逆坡。图1-11渠道底坡类型1.2.1.2明渠均匀流的条件与特征均匀流是一种渐变流的极限情况，即流线是绝对平行无弯曲的流动。明渠均匀流的水流具有如下特征：断面平均流速沿程不变；水深也沿程不变；而且总能线即总水头线，水面及渠底相互平行，也就是说，其总水头线坡度（水力坡度），测管水头线坡度（水面坡度）和渠道底坡彼此相等（图1-13），亦即

图1-13明渠均匀流

1.2.2明渠均匀流的计算公式

明渠水流一般属于紊流阻力平方区即第二自模区。明渠均匀流水力计算中的流速公式，长期以来一般表示为如下形式：

（1-31）

1.谢才公式

1769年，法国工程师谢才（AntoineChezy）提出了明渠均匀流的计算公式即谢才公式

（1-32）

2.流量模数与正常水深

根据谢才公式可得流量计算式

(1-34)3.曼宁公式与巴甫洛夫斯基公式

爱尔兰工程师曼宁（RobertManning）1889年亦提出了一个明渠均匀流公式。

（1-37）

将谢才公式与曼宁公式相比较，便得

（1-38）

此式表明了谢才系数与曼宁粗糙系数之间的重要关系，称之为曼宁公式。

4.粗糙系数n

粗糙系数值的大小综合反映渠道壁面（包括渠底）对水流阻力的作用，它不仅与渠道表面材料有关，同时和水位高低（即流量大小）以及运行管理的好坏有关。

因此，正确地选择渠道壁面的粗糙系数对于渠道水力计算成果和工程造价的影响颇大。

1.2.3明渠水力最优断面和允许流速

1.水力最优断面

明渠均匀流输水能力的大小取决于渠道底坡、粗糙系数以及过水断面的形状和尺寸。在设计渠道时，底坡一般随地形条件而定，粗糙系数取决于渠壁的材料，于是，渠道输水能力只取决于断面大小和形状。

当i、n及A大小一定，使渠道所通过的流量最大的那种断面形状称为水力最优断面。

梯形断面的水力最优条件

设明渠梯形过水断面（图1-10a）的底为b，水深为h，边坡系数为m，水力最优条件为

2.渠道的允许流速

式中

是免遭冲刷的最大允许流速，简称不冲允许流速；

是免受淤积的最小允许流速，简称不淤允许流速。1.2.4明渠均匀流水力计算的基本问题

明渠均匀流的水力计算，主要有以下三种基本问题，现以最常用的梯形断面渠道为例分述如下：

1.验算渠道的输水能力

这类问题主要是对已成渠道进行校核性的水力计算，特别是验算其输水能力问题。

2.决定渠道底坡

设计渠道底坡时，一般已知土壤或护面材料、设计流量以及断面的几何尺寸，即已知n、qV和m、b、h0各量，求所需要的底坡i。

3.决定渠道断面尺寸

在设计一条新渠道时，一般已知流量qV、渠道底坡i、边坡系数m及粗糙系数n，求渠道断面尺寸b和h。1.2.5无压圆管均匀流的水力计算

1.2.5.1.无压圆管均匀流的水力特征

1、水力特征

（1）明渠均匀流动，对于比较长的无压圆管来说，直径不变的顺直段，其水流状态与明渠均匀流相同，它的水力坡度、水面坡度以及底坡彼此相等。

（2）无压圆管道均匀流之流速和流量分别在水流为满流之前，达到其最大值。

水流在无压圆管中的充满程度可用水深对直径的比值即充满度来表示。其输水性能最优时的水流充满度可根据水力最优条件导出。