压力管路的水力计算

1、第5章 压力管路的水力计算,压力管路的水力计算,2,引 言,压力管路：在一定压差下，液流充满全管的流动管路。 压力管路按照管路结构可以分为： 简单管路：等径无分支管路 复杂管路：串联、并联、分支及管网等 压力管路按照能量比例大小分为：长管和短管,压力管路的水力计算,3,长管：长输管线输送距离比较远，两端压差比较大，局部阻力和流速水头所占能量比例较小。和沿程水头损失相比，流速水头和局部水头损失可以忽略的管路称为长管。有时近似取 。 能量方程变为（无泵）： 记H0为作用水头： 则有： 。表示了能量供给与能量损耗之间的平衡。 对于有泵情况：,压力管路的水力计算,4,短管：泵站、库内管线总距离比较短，

2、分支较多，两端压差较小，并且有大量管子连接部件。和沿程水头损失相比，流速水头和局部水头损失不可以忽略，称之为短管。 作用水头： i长管、短管的划分并不仅仅是由于管线的长短，更重要在于从能量的角度考察比动能和局部水头损失的比例。,压力管路的水力计算,5,主要内容,长管水力计算,短管水力计算,孔口管嘴出流,第5章 压力管路的水力计算,管路特性曲线,压力管路的水力计算,6,定义：水头损失与流量的关系曲线称为管路的特性曲线。 其中： 把 代入上式得： 可见：水头损失与流量成平方指数关系。,5.1 管路特性曲线,压力管路的水力计算,7,管路特性曲线是管路能量平衡（能量供给=能量消耗）的直观反映。 对于给

3、定管路，其特性曲线一定。 如：对于长管无泵和有泵两种情况，管路特性曲线如下图： 管路特性曲线对于确定泵的工况以及自由泄流工况有重要应用价值。,压力管路的水力计算,8,5.2 长管的水力计算,一、简单长管 定义：由许多管径相同的管子组成的长输管路，且沿程损失较大、局部损失较小，计算时可忽略局部损失和流速水头。 计算公式：简单长管计算一般涉及公式：,压力管路的水力计算,9,为计算方便，将 代入hf 的计算公式 ，得到一种更常用的公式： 。 层流流态： 即： 4.15，m1 紊流流态水力光滑区： 即： 0.0246，m0.25,压力管路的水力计算,10,紊流流态混合摩擦区（大庆设计院推荐公式）： 其

4、中： 即： 0.0802A，m0.123 紊流流态水力粗糙区： 即： 0.0826，m0,压力管路的水力计算,11,长输管道沿程阻力的计算公式为： 对于不同的流态， 和 m 的取值见下表：,压力管路的水力计算,12,3、简单长管的三类计算问题 第一类问题： 已知：Q ，z ，d，L，求：hf ，p 分析：,Q,V,确定流态,掌握,用于管线初步或正式设计计算。常需要计算几种不同油品或几种不同输量时的压降或水头损失，绘成管路特性曲线，为选泵做准备。,压力管路的水力计算,13,第二类问题： 已知： p ，z ，d，L，求：Q 分析：,Q,V,确定流态,？,？,？,假设流态法、试算法或绘图法,在既有设

5、备能力下，做管线设计或校核。,压力管路的水力计算,14,假设流态法： 先假设一流态，取， m值，计算： 验证假设： 如由 Q 及Re 得出的流态和假设流态一致，则 Q 为所求Q； 如由 Q 及Re 得出的流态和假设流态不一致，则重新假设流态，重复计算。,Q ,V ,校核流态,压力管路的水力计算,15,试算法： 设定Q1，解得hf1。判断：若hf1 hf，则减小流量，取Q2 Q1，重新计算。循环往复，直至hfnhf，停止计算。,绘图法： 按第一类问题的计算方法，选取足够多Q，算出 hf值，然后绘制图形。使用时由 hf 查找 Q 即可。,压力管路的水力计算,16,第三类问题： 已知： Q，p，z，

6、L，求： 经济管径d 经济管径计算：其一，d，材料费，施工费；其二，d，动力费用，设备（泵）费。如何解决这一矛盾，正是一个管径优选问题。 分析：,Q,V,确定流态,？,？,？,一般用于管道初步设计。,压力管路的水力计算,17,二、长管的串联和并联,1、串联管路 定义：由不同管径的管道依次连接而成的管路。 应用实例：输水干线、集油干线,压力管路的水力计算,18,水力特性： a、各联结点（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: （设流量流进节点为正，流出为负）。它反映了质量守恒的连续性原理。 b、全线水头损失为各分段水头损失之和，即： 它反映了能量守恒原理。,压力管路的水力

7、计算,19,2、并联管路 定义：两条以上的管路在同一处分离，后又在同一处汇合。,压力管路的水力计算,20,水力特征： a、进入各并联管的总流量等于流出各并联管的总流量之和，即： b、不同并联管段AB，单位重量液体的能量损失相同，即：,压力管路的水力计算,21,3、串、并联管路的水力计算 串联管路通常属于长管计算的第一类问题，例如： 已知：Q，求：hf 分析：根据串联管路水力特性求解全管路的沿程水头损失hf。 并联管路通常属于长管计算第二类问题，例如： 已知：hf，求：各管路Q 分析：根据并联管路水力特性解决流量Q的分配问题。,掌握,压力管路的水力计算,22,4、串、并联管路的水力意义在长输管线

8、上的应用 在已建成的长输管线上，增设串联变径管或者并联副管可以增加管路输送量、延长管路输送距离，或者爬过地形的翻越高点。 通常，副管与主管的直径相同，变径管直径大于主管。 下面以自由泄流情况为例，通过绘制管路总水头线分别进行说明。,压力管路的水力计算,23,1). 给定管路流量Q，在已建成的长输管线AB段增设并联副管可以延长管路的输送距离。 并联副管后，主管AB段Q （） ，v （） ，hf （） ， 即：hfO-B hf。则：作用水头H仍有部分能量剩余，可供给管中水流继续前进一段距离至C点。,未设副管前,A,B,hf,hfO-B,C,hfO-A,增设副管后,O,压力管路的水力计算,24,2)

9、. 在已建成的长输管线AB段增设并联副管可以增加管路输送量。 并联副管且增加流量后，主管OA段Q（），hfO-A（）；主管AB段经过副管分流，可能Q（）， hfA-B（） 。最终仍可能满足hfO-B =hf。确保管路正常运行。,未增流量前,A,B,hf,hfO-A,增加流量后,hfO-B,O,压力管路的水力计算,25,3). 给定管路流量Q，在已建成的长输管线AB段改设串联变径管可以延长管路的输送距离。 串联变径管后，主管AB段d（），v （） ，hf （） ， 即：hfO-B hf。则：作用水头H仍有部分能量剩余，可供给管中水流继续前进一段距离至C点。,hf,hfO-B,C,O,A,B,未设

10、变径管前,hfO-A,设变径管后,压力管路的水力计算,26,4). 在已建成的长输管线AB段改设串联变径管可以增加管路输送量。 串联变径管且增加流量后，主管OA段Q（），hfO-A（）；主管AB段经过变径管， d（），v （），hfA-B（） 。最终仍可能满足hfO-B=hf。确保管路正常运行。,hf,O,A,B,未增流量前,hfO-B,hfO-A,增加流量后,压力管路的水力计算,27,5). 在已建成的长输管线上改设串联变径管或并联副管以翻越高点。 串联变径或加副管后，Q（不变），OA段hfO-A（不变）；主管AB段经过变径管或加副管， d（），v （），hfA-B（） 。在所需压头不大的情

11、况下，采用此办法可使管线内液体具有翻阅高点的水头。,H,O,C,A,B,压力管路的水力计算,28,5、串、并联管路的管路特性曲线 已知单管路1、2的管路特性曲线，根据串、并联管路的水力特性有：,1,2,1,2,压力管路的水力计算,29,水力特性： 各节点处流量平衡： 沿一条干线上总水头损失为各点水头损失之和：,三、分支管路,定义：各支管只在流体入口或出口处连接在一起，而另一端分开不相连接的管路。,压力管路的水力计算,30,5.3 短管的水力计算,掌握,许多室内管线，集油站及压水站内管线管件较多，属于短管。 在短管的水力计算中，必须考虑局部水头损失以及流速水头。 一、综合阻力系数 根据伯努利方程

12、，有： 其中管路水头损失： 可记为： 。c 称为综合阻力系数。,压力管路的水力计算,31,已知：如图所示短管，大直径管段：直径d1，长l1，小直径管段：直径d2，长l2，孔板直径d，各局部管件阻力系数如下： 大闸头：1 孔板： 2 大小头： 3 弯头：4、5、6 小闸门： 7 求：全管路的总水头损失,v w,例,压力管路的水力计算,32,解：,以出口速度作为标准，把其它速度化成出口速度表示的形式。,（c 即为综合阻力系数）,压力管路的水力计算,33,二、短管实用计算通式 由1、2断面的伯努利方程，有： 记作用水头： 则有： 得： 为流量系数。,压力管路的水力计算,34,5.4 孔口和管嘴泄流,

13、中心内容： 孔口、管嘴流量计算公式 分析依据： 连续性方程 伯努利方程 基本概念 自流管路：完全靠自然位差获得能量来源输送或排泄液体的管路。 孔口：储液罐壁或底部打开的小孔。 管嘴：在孔口处接出短管。,掌握,压力管路的水力计算,35,H,d,H,c,c,d,相同孔口直径d、相同作用水头H条件下，孔口、管嘴哪种方式泄流量大？,孔口 管嘴,0,0,压力管路的水力计算,36,分类： 自由出流流体流经孔口直接泄入大气 淹没出流流体流经孔口进入另一充满流体的空间 界定条件： 定水头固定作用水头H，稳定流（定常流） 薄壁孔口为锐缘，液体与孔口周围只有线接触 圆形小孔口孔口直径 （自由）或 （淹没）,一、孔

14、口泄流,压力管路的水力计算,37,泄流特点： 孔口出流速度认为均匀分布 由于流线具有不能折转的特性，形成收缩断面cc，收缩断面距出口约为d/2。记： 为断面收缩系数。,1、孔口自由出流,H,c,c,0,0,dc,p0,压力管路的水力计算,38,流量计算公式： 取00 、 cc 断面列伯努利方程，以表压计算，则有： 作用水头： 为流速系数,压力管路的水力计算,39,因此，孔口泄流计算公式如下： 其中： 为流量系数 i 通常对于液池，有： i 若左端液池敞口于大气中，则： 若液池封闭，则：,压力管路的水力计算,40,i 为理论流速，孔口泄流的实际流量为： 。其中，流量系数： i实验证明： i对于理

15、想流体：,压力管路的水力计算,41,2、孔口淹没出流,H1,d,1,1,p1,H2,2,2,p2,压力管路的水力计算,42,流量计算公式： 取11 、22 断面列伯努利方程，以表压计算，则有： i 通常对于液池，有： i 若两端液池敞口于大气中，则： 若液池封闭，则： i 流动阻力包括孔口断面收缩以及收缩后再扩大两部分局部阻力：,压力管路的水力计算,43,因此，对于敞口淹没孔口出流，有： 实验证明：各系数取值与自由出流相同。,压力管路的水力计算,44,标准圆柱型管嘴：自孔口接出一短管，直径与孔口直径d相等，长度 l（34）d。,二、管嘴泄流,c,c,l=(34) d,d,H,c,c,d,1,1

16、,0,0,l,p0,压力管路的水力计算,45,泄流特点： 流体在管嘴内部先收缩，再扩张充满全管，最后封住管口均匀泄出。与孔口出流的流态不同。 管嘴出流过程中，应考虑流体收缩后再扩大的局部水头损失以及l长度管嘴的沿程水头损失。 管嘴的分类： 圆柱型管嘴（内伸或外伸） 圆锥型管嘴（收缩或扩张） 流线型管嘴,压力管路的水力计算,46,1、管嘴自由出流,流量计算公式： 取00 、11 断面列伯努利方程，以表压计算，则有： i 流动阻力包括孔口断面收缩、收缩后再扩大两部分局部水头损失以及沿程水头损失。记为： 则：,c,c,l,p0,压力管路的水力计算,47,实验证明：,以上公式适用于所有类型管嘴，流速及

17、流量系数查表5-4。,压力管路的水力计算,48,2、管嘴淹没出流,流量计算公式：,损失增加一项：管嘴到液池断面突然扩大的局部水头损失 各系数取值与自由泄流相同。,压力管路的水力计算,49,三、孔口、管嘴的流量比较,对于孔口、管嘴出流，相同作用水头H0、相同孔口直径d条件下，流量计算公式为： 对于孔口： 对于管嘴： 因此：,压力管路的水力计算,50,在孔口处接上管嘴后，流体发生内部收缩。在收缩断面cc处， 液流带走一部分气体形成真空（负压），产生抽吸作用。真空抽吸高度可达 。相当于在 0c 断面之间增加了一个0.75H的作用水头，导致管嘴出流量增加。,管嘴流量大于孔口流量，为什么？,压力管路的水

18、力计算,51,证明：,取0c 列伯努利方程，取绝对压力计算： 由于： ，可得：,c,c,d,1,1,0,0,l,p0,压力管路的水力计算,52,管嘴的正常工作条件： 为避免水体汽化（导致管路空化空蚀），要求管内最大真空度不超过7mH2o。即： 管嘴长度满足： l（34）d 管嘴过短，液流收缩后不能充分扩张，形不成满管管嘴出流；另，真空点不宜距管嘴出口过近。 管嘴过长，增加沿程水头损失，达不到管嘴增加出流量的目的。,说明：,压力管路的水力计算,53,水从封闭水箱上部直径d1=30mm的孔口流至下部，然后经d2=20mm的圆柱形管嘴排向大气。流动恒定后，水深h1=2m，h2=3m，水箱上压力计读数为4.9MPa（表压）。设为稳定流，孔口、管嘴流量系数： 。 求流量Q和压强p2。,v w,例,，,压力管路的水力计算,54,解：对于稳定流动，应满足流量守恒：Q =Q1（孔口）=Q2（管嘴）,解得：,压力管路的水力计算,55,水从封闭的立式容器