流体的管内流动和水力计算管内流动的阻力特性曲线市公开课一等奖百校联赛获奖课件.pptx

第五节第五节管内流动阻力特征曲线第1页l概念：管路流动阻力特征曲线是流体在管路系统中经过流量与所需要水头（或能头）之间关系曲线。l计算：如图所表示，液体输送系统，由贮液槽、受液槽、泵和管路组成。假设贮液槽和受液槽压力分别为 和 ，两个液面之间高度差为 ，则可经过列断面1-1和2-2之间能量方程，得到其管路特征曲线第2页第3页其中 为管路阻抗。上式为管路阻力特征曲线，表示特定管路系统中、恒定流动条件下，动力设备所提供能量和管路系统流量之间关系，能够看出，提供能量随系统流量平方而改变，将此关系绘制在流量和压头为坐标直角坐标系中，以下列图所表示。它是一条在纵轴上截距为 抛物线。第4页第5页 同一管路系统中，恒定操作条件下，管路阻抗为一常数。若操作条件改变，则管路阻力会发生改变，随之改变，-也会对应改变。比如将离心式泵出口管路上节流阀关小时，管路阻力将增大，管路阻力特征曲线将变陡，如图中线。当阀门开大时，管路阻力将减小，管路阻力特征曲线将平缓，如图中线。第6页对应气体管路特征曲线方程为：当 时，上式可简化为：第7页【例例4-23】某管路系统风量为 时，系统阻力为 ，试绘出管路阻力特征曲线。假定管路阻力特征曲线中 。第8页【解解】因为 ，风机全压就等于管路系统阻力，即 。管路阻力特征曲线为：（1）计算气体管路阻抗：则该管路系统阻力特征曲线为：第9页描点法可得其管路阻力特征曲线如图所表示。管路阻力特征曲线第10页（2）绘制管路阻力特征曲线流量（）50100200250750全压（）3124875675第11页第六节第六节有压管中水击第12页 前面讨论都是不可压缩性流体稳定流动,没有考虑流体压缩性。但液体在有压管道中发生水击现象，则必须考虑液体压缩性，同时还要考虑管壁材料弹性。第13页一、水击现象概念 当液体在压力管道中流动时，因为某种外界原因（如阀门突然开启或关闭，或者水泵突然停车或开启，以及其它一些特殊情况）液体流动速度突然改变，引发管道中压力产生重复、急剧改变，这种现象称为水击（或水锤）。第14页特点 水击现象发生后，引发压力升高数值，可能到达正常压力几十倍甚至几百倍，而且增压和减压交替频率很高，其危害性很大，会使管壁材料及管道上设备承受很大应力，产生变形，严重时会造成管道或附件破裂。第15页特点压力重复改变会使管壁及设备受到重复冲击，发出强烈振动和噪音，尤如管道受到锤击一样，故又称为水锤。这种重复冲击还会使金属表面损坏，打出许多麻点，轻者增大了流动阻力，重者损坏管道及设备。第16页危害 水击对各种工业管道和生活中供水管道、水泵及其连接相关设备安全运行都是有害，尤其是在大流量、高流速长管中以及输送水温高、流量大水泵中更为严重。第17页应用 水锤泵（又称水锤扬水机）就是利用水击压力改变重复工作，且不需要任何其它动力设备。第18页二、水击传输过程1压缩过程 如图所表示，长度为L管道上当阀门突然关闭后，首先在N-N断面上液体停顿了流动，同时压力升高ph。然后相邻另一层液体也停顿了流动，压力也对应升高ph。这种压力升高以水击波传输速度a由阀门处一直向管道进口传输，如图（a）所表示。经时间传到管道进口，这时整个管道中压力都升高到p+ph。液体受到压缩，密度增高，管壁膨胀，这是一个减速增压压缩过程。第19页2压缩恢复过程 压缩过程结束后，管道中各处压力都比M-M断面左侧容器中压力高了ph。在压力差ph作用下，M-M断面右侧相邻一层液体将以速度v由管道流回容器内，如图（b）所表示。与此同时，这层液体压力由p+ph恢复到正常压力p，管壁膨胀也得到恢复，这种恢复以水击波传输速度a向管道末端N-N传输。从阀门关闭时间算起，经过时间 后，由M-M传输到N-N断面，使整个管道都恢复到正常数值。该过程是一个增速减压压缩恢复过程。第20页3膨胀过程 压缩恢复过程结束后，液体并不能停顿流动，在惯性作用下，液体还将以速度v继续向容器内流动，阀门N-N处液体首先降低，使其压力由p降低到p-ph。因而液体密度减小，体积膨胀，管壁对应收缩，同时液体流动速度也降为零。这一膨胀仍以水击波速度a向M-M断面传输如图（c）所表示。从阀门关闭时间算起，经过时间 后，使管道中液体都处于膨胀状态，压力比正常情况下压力降低了ph。此过程为减速减压膨胀过程。第21页4膨胀恢复过程结束后，因为容器内压力高于管道内压力，在压差作用下，液体以速度v流向管内如图（D）所表示。最先使管道进口M-M处压力恢复到正常情况下压力，管壁也恢复到正常情况。然后压力恢复由 M-M断面以水击波传输速度a向N-N断面传输。从关闭阀门时算起，经过时间 ，完成了增速增压膨胀过程，使整个管道中液体压力、密度都恢复到了正常值，从而结束了一个周期水击改变过程。第22页水击传输过程 第23页 断面N处水击压力随时间改变情况第24页 若不考虑水击传输过程中能量损耗，在t4时间后，管道中压力又要重复上述改变过程将一直周期地进行下去，如图（a）所表示。实际因为流动阻力及管壁变形能量耗损，水击压力将快速衰减，直至消失，如图（b）所表示。第25页 综观上述分析不难得出：引发管路中速度突然改变原因（如阀门突然关闭），这只是水击现象产生外界条件，而液体本身含有可压缩性和惯性是发生水击内在原因。第26页三、水击类型正水击：阀门快速关小，流量急剧降低，表现为管道中压力骤然升高水击。负水击：阀门快速开大，流量急剧增大，表现为管道中压力骤然下降水击。第27页四、消除水击办法尽可能延长阀门启闭时间，缩短管道长度，防止直接水击发生；减小流速，从而降低水击压力。可采取增大管道直径或限制流速方法，（普通液压系统中最大流速限制在57m/s左右）。第28页采取过载保护，在可能产生水击管道中装设安全阀、调压塔、溢流阀和蓄能器等以缓冲水击压力。增加管道弹性，比如液压系统中，铜管和铝管就比钢管有更加好防水击性能，或采取弹性较大软管，如橡胶或尼龙管吸收冲击能量，则可更显著地减轻水击。第29页小小 结结第30页 本章应用流体力学基本方程导出质量守恒、机械能守恒基本关系式，结合流体在管道中流动特点，从工程应用角度，介绍了管路水力计算方法。并简单介绍了管道内水击现象。第31页