第五章 管路计算.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第五章 管路计算,第一节 管路计算的任务,第二节 简单管路计算,第三节 串联与并联管路计算,第四节 管网计算基础,第五节 压力管路中的水击,第六节 无压均匀流计算,第一节 管路计算的任务,工程是几种的各种流体输配管路，例如,供水管,路,、,供热管路、通风管路,等都会涉及到管路的计算,问题，即,流量、能量损失,和,管道几何尺寸,之间关系,的确定问题。管路计算的任务就是利用流体力学的,基本理论，根据流体在管路中的具体流动规律，确,定其流量、能量损失和管道几何尺寸之间的关系，,工程是几种也将管路计算称为水力计算。,一、管路计算问题的类型：,1,、,设计计算,：设计计算是在管路布置已经确定、,流量已知的条件下，选择合适的管径并计,算水头损失，以便合理地选用泵与风机。,例如在供热、通风管路设计中，管路的布置和流量,是根据工程的具体要求确定，管路计算的任务就是,经济合理地,确定各管段的管径,，计算流动时所产生,的,能量损失,，合理地选择出泵与风机。这类问题在,从事新工程设计时会经常遇到。,2,、校核计算：,校核计算一般是在管路直径、作用,压头已知的条件下，确定通过管路的流量，即,校核,管路的输送能力,。这类问题在旧工程的改建或扩建,中会经常遇到。,二、管路流动的类型：,1,、“短管”：指局部损失在总损失中所占的比例较,大（超过沿称损失的,10%,）两部分损失必须是,同时考虑,的管路。工程实际中的大多数管流都,需要按照“短管”来处理。,2,、“长管”：指局部损失在总损失中所占的比例较,小（不超过沿程损失的,10%,），计算时可将其,忽略,或,按照沿程损失百分比（,5%10%,）,进行估,算的管路。城市中的给水干管、供热干管以及,长距离输油管道可以按照“长管”考虑。,三、管路的构成类型：,1,、简单管路：,简单管路是指,管径和流量沿程不发生变,化,的管路。简单管路是构成各种复杂管路的,基本单元。,2,、复杂管路：,复杂管路是指管径或流量沿程发生变化,的管路。根据其具体的布置情况又可以分为,串联管路,、,并联管路,和,管网,。管网属于分支,管路，按其分枝的特点可划分为枝状管网和,环状管网。,第二节 简单管路计算,一、“短管”的计算：,如图所示的简单管路短管系统，管道的直径为,d,，,管道的长度为,L,，水箱中的水通过该简单管路流入大气,中。取基准面,O-O,通过管道的轴线，水箱水面到基准面,的距离为,H,。,列水箱水面,11,和管道出口断面,22,的能量方程,整理可得,如果将出口处的流速水头看作,=1,的局部水头损失，并,且合并到,中去，则,将 代入上式可得：,另 能量方程转化为,（,1,）,H,作用水头。（,m,）,S,H,阻抗，也称为管路特性阻力系数（,s,2,/m,5,）,Q,流量。（,m,3,/s,）,如果是气体管路，不具有明显的水头特征，应该采,用压强来表示，即在（,1,）式两端乘以容重,，则其计算,公式变为,p,作用压强（,N/m,2,）,S,p,阻抗（,kg/m,7,）,Q,流量（,m,3,/s,）,注：上述计算式中的包含了系统中所有的局部阻,力构件及管道出口处的局部阻力系数。,二、“长管”的计算：,在长距离输水系统中，局部损失和出口处的流速水头,要比沿程损失小的多，因此可以,忽略不计,。,列水箱水面,1-1,和管道出口断面,2-2,之间能量方程,将方程进行整理并忽略局部水头损失和流速水头，可得,式中,长管管路阻抗（,s,2,/m,5,）,上式是长管的特性阻力方程式，在给水工程中，常,将该式写为,式中,A,长管管路比阻，（,s,2,/m,6,）,L,管道长度（,m,）,Q,流量（,m,3,/s,）,在实际工程中，为了简化计算，常将比阻值整理成,专用水力计算表，可在设计手册中查到。,第三节 串联与并联管路计算,一、串联管路：,串联管路是由许多简单管路首尾相接组合而成，如,图所示。,简单管路是构成复杂管路的基本单元。,特性一、流量规律,当无节点分流：,特性二、阻力损失规律,即,特性三、阻抗规律,因：串联管路,故 即,S,管路总阻抗数（）,各管段的阻抗数（）,而对于长管：,二、并联管路：,流体从总管路节点,a,上分出两根以上的管段，而这,些管段同时又汇集到另一节点,b,上，在,a,和,b,之间的各管,段称为并联管路。,特性一、流量规律,由质量守恒定律 流入流量,=,流出流量,特性二、阻力损失规律,节点,a,b,处单位能量只有一个值，即（）,a,或,b,，所以单位重量流体通过任意并联分支的能量损失必然相等。,特性三、阻抗规律,由上式得,:,又因并联管路 得,并联管路各管段流量之比为：,例题：某两层楼的供暖立管，管段,1,的直径为,20mm,，总长为,20m,，,=15,。管段,2,的直径为,20mm,，总长为,10m,，,=15,，,管路的,=0.025,，干管中的流量,Q,V,=110,-3,m,3,/s,，求,Q,V1,和,Q,V2,。,解：节点,a.b,间并联有,1.2,两管段,由 得 ，,计算,S1,、,S2,，,所以,则：,又因：,于是得：,第四节 管网计算基础,管网是一种在许多节点处有分支、由简单管路经过,串联和并联所构成的复杂管路。工程中的一切复杂管路,系统均为,管网,。管网按其布置方式可分为,枝状管网,和,环,状管网。,如下图所示。,枝状管网 环状管网,一,.,管网水力计算的类型,设计计算：确定,d,，和进行阻力平衡。,校核计算：核算阻力损失及,Q,和动力设备。,二,.,管网的水力计算方法,支状管网：,划分管段，进行节点编号,确定,最不利的管线,，即确定一条主干线。,初选管径 通过限定流速,V,来计算,d,。,确定实际管径,d,，根据查取标准规格的管径,d,，确定,d,之后再核算流速,v,，（,v=,）在流速范围内即满,足要求。,阻力损失计算,选择动力设备，根据 选择,阻力平衡,（二）环状管网：,1,、任一节点（如,G,点）流入流出的流量相等，即,2,、任一闭合环路（如,ABGFA,）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，即,哈迪,.,克罗斯计算程序：,（,1,）将管网分成若干环路如图,5-19,上分成,、,、,三个闭合环路。按节点流量平衡确定流量,Q,V,，选取限,定流速,v,，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,每一环路的总水头损失 （以后写作 ）。,（,3,）根据上面给定的流量,Q,V,，若计算出来的 不为零，,则每段管路应加校正流量,Q,V,：,在每一管段上加校正流量，便得出第一次校正后流量,Q,V1,。,（,4,）重复上述程序，算出第二次校正后流量,Q,V2,，直到满足,工程精度要求为止。,第五节 压力管路中的水击,一,.,压力管路中的水击现象,定义：压力管路中运动的液体，由于外界条件的改变（阀门,的启闭和水泵的启闭）使液体的流速发生突然的改变，,从而引起压强的突然升高和降低（升高和降低在交替,中进行）现象称为水击。,实际：增压和减压过程的交替。,二,.,水击现象发生的过程,如图所示，假设阀门突然关闭，（即关闭时间趋于,0,，,且采用无粘性液体模型）设阀门关闭前水流的速度为,V,0,，,水击发生的过程如下：,1.,减速增压过程,当阀门突然关闭，,m-n,断面最先停止流动，动量在,瞬间发生变化。其动量变化量,=,压强瞬间上升,（），这样水层,m-n,受到压缩，而管壁则受到,膨胀。,m-n,停止运动后，后面的各水层会相继停止流动，,形成以波的形式从阀门开始的减速增压过程，直到,靠近水池的水层停止。（,C-,水击波速）,2.,减速增压过程,由于惯性及压差作用，管道中水的压缩得以缓解，以,波的形式向阀门方向传递，这是解压波。当 时，,解压波传递到阀门。,3.,减速减压过程,由于惯性，管道中的水流压强由,P,0,降低为（），这个低压弹性波又以波的速度从阀门向水池方向传播，当,时传到水池，管道处于瞬时低压（）状态。,4.,增速增压过程,管道中压强为,P,0,，水池中为 时，增压弹,性波传递到阀门。此四个过程构成一个周期，即 ，,往返两次。,往返一次所需的时间称为,水击相,三,.,水击压强的计算,直接水击,时,C,水击波速（,m/s,）,C=,管径大，管壁薄，管材弹性模量小的管道，其水击,波速小。,（二）间接水击,时,间接水击压强比直接水击压强小,。,四,.,减小水击危害的措施,1.,规定最大流速,2.,延长阀门启动时间,3.,采用管径大，管壁薄，弹性模量小的管道。,4.,设置安全阀,5.,设置缓冲装置,第六节 无压均匀流的计算,无压流：液体在重力作用下产生的流动，通常具有,自由表面，且自由表面上受大气作用。,无压均匀流：流线是相互平行的直线的无压流。,例如：天然河道中流动和明渠流,一,.,无压均匀流的特点及产生条件,特点：过流断面形状，尺寸及深度沿程不变。,流速分布，断面平均流速沿程不变。,坡度,i,不变,=,水面坡度,=,总水头线坡度,合外力为,产生条件：,流量沿程不变，且为,恒定流,长直管道或棱柱形正底坡的长渠道,固体壁面的表面,粗糙系数,沿程不变，且流道,中无障碍物,二,.,无压均匀流的水力计算方法,水力计算公式,则任意断面：,设,C=,则开方得：,C,谢才系数（）,反映沿程阻力变化规律的系数，与 和,有关,经验公式：,C=,n,粗糙系数，可查表得,此式在,n0.5m,范围内使用,而对无压均匀流：故,则 代入,C=,则,（二）圆管,无压均匀流的计算,若设满管流的速度和流量为,V,0,Q,0,，非满管流的速度和流量为,V Q,，则：,流量比,:,结论：,流量比和流速比都是充满度的函数,特点：,原因：,R=A/X,，当充满度达到一定值后，随着充满度的,增加，过流断面积的增长率小于湿周的增长率而,水力半径变小，使,Q,和,V,也减小。,流体力学,泵与风机精品课程 第五章,