压力管道水力计算分解.pptx

工程流体力学工程流体力学工程流体力学工程流体力学 第五章第五章第五章第五章 压力管路的水力计算压力管路的水力计算压力管路的水力计算压力管路的水力计算主主主主 讲：刘恩斌讲：刘恩斌讲：刘恩斌讲：刘恩斌 2011201120112011年年年年10101010月月月月有压管道：有压管道：管道被水充满，管道周界各点受到液体压强作用，管道被水充满，管道周界各点受到液体压强作用，其断面各点压强，一般不等于大气压强。其断面各点压强，一般不等于大气压强。液液 体体管管 壁壁有压管道有压管道液体自由面液体自由面 管管 壁壁无压管道无压管道压力管道计算原理 工程中，常用各种有压管道输送液体，如水电站压力引水工程中，常用各种有压管道输送液体，如水电站压力引水钢管；水库有压泄洪隧洞或泄水管；供给的水泵装置系统及钢管；水库有压泄洪隧洞或泄水管；供给的水泵装置系统及管网；输送石油的管道。管网；输送石油的管道。管道按布置分管道按布置分简单管道简单管道复杂管道复杂管道串联管道串联管道并联管道并联管道 分枝管道分枝管道短管短管 长管长管 两种水头损失大小比重两种水头损失大小比重局部水头损失、流速水头占局部水头损失、流速水头占总水头损失比例较大（大于总水头损失比例较大（大于5%5%），计算时不能忽略），计算时不能忽略沿程水头损失水头为主，沿程水头损失水头为主，局部损失和流速水头在总局部损失和流速水头在总水头损失中所占比重很小，水头损失中所占比重很小，计算时可忽略。计算时可忽略。1 1 长管和短管不按管道绝对长度决定。长管和短管不按管道绝对长度决定。2 2 当管道存在较大局部损失管件，例如局部开启闸当管道存在较大局部损失管件，例如局部开启闸门、喷嘴、底阀等。既是管道很长，局部损失也门、喷嘴、底阀等。既是管道很长，局部损失也不能略去，必须按短管计算。不能略去，必须按短管计算。3 3 长管：长管：忽略局部水头损失和流速水头（沿程损忽略局部水头损失和流速水头（沿程损失不能略去），计算工作大大简化，其对结果又失不能略去），计算工作大大简化，其对结果又没有多大影响。没有多大影响。注意注意注意注意 压力管道水力计算的压力管道水力计算的主要内容主要内容就是确定水头损失，包就是确定水头损失，包括沿程水头损失和局部水头损失。括沿程水头损失和局部水头损失。5.1 5.1 管路特性曲线管路特性曲线1管路系统的水力特性管路系统的水力特性管路系统的性能曲线：管路系统的性能曲线：管路系统流量和水头损失关系曲线（管路系统流量和水头损失关系曲线（qV hf）2泵的水力特性泵的水力特性 泵性能曲线：水泵的出水流量泵性能曲线：水泵的出水流量qV分别与扬程分别与扬程H、效率、效率、轴功率、轴功率N的关系曲线（的关系曲线（qV H，qV ，qV N曲线）。曲线）。其中：水泵的其中：水泵的qV H关系曲线关系曲线称为水泵的水力性能曲线称为水泵的水力性能曲线3泵与管路系统的水力耦合工况泵与管路系统的水力耦合工况M点工况为设计工况点工况为设计工况;qVm为设计流量为设计流量;Hm为设计水头。为设计水头。工况点工况点M变，则服务水头变，则服务水头Hz变；变；水泵水力性能曲线越平坦则供水越稳定；水泵水力性能曲线越平坦则供水越稳定；在管网设计时，必须校验并使之满足在最大流量下控制点的服务水在管网设计时，必须校验并使之满足在最大流量下控制点的服务水头满足设计要求。头满足设计要求。Hg=Hz+（ztz0）5.2 5.2 长管的水力计算长管的水力计算管道的种类管道的种类:简单管道简单管道串联管道串联管道并联管道并联管道一、简单管道一、简单管道 管道直径和管壁粗糙度均相同的一根管子或这样的数管道直径和管壁粗糙度均相同的一根管子或这样的数根管子串联在一起的管道系统。根管子串联在一起的管道系统。计算基本公式计算基本公式连续方程连续方程沿程损失沿程损失能量方程能量方程5.2 5.2 长管的水力计算长管的水力计算层流层流水力光滑水力光滑水力粗糙水力粗糙混合摩擦混合摩擦列宾宗公式列宾宗公式三类计算问题三类计算问题（1 1）已知）已知qV、l、d、，求，求hf；（2）已知）已知hf、l、d、，求，求qV；（3）已知）已知hf、qV、l、，求，求d。简单管道的水力计算是其它复杂管道水力计算的基础。简单管道的水力计算是其它复杂管道水力计算的基础。第一类问题第一类问题的计算步骤的计算步骤（1 1）已知）已知qV、l、d、，求，求hf；qV、l、d计算计算Re计算计算 计算计算 hf第二类问题的计算步骤第二类问题的计算步骤（2）已知）已知hf、l、d、，求，求qV；假设假设 由由hf计算计算 v、Re计算计算 New校核校核 New=NewNY由由hf计算计算 v、qV第三类问题的计算步骤第三类问题的计算步骤（3）已知）已知hf、qV、l、，求，求d。hf qV l 计算计算 与与 d的函数曲线的函数曲线计算计算 New校核校核 New=NewNY由由hf计算计算 v、qV二、串联管道二、串联管道 由不同管道直径和管壁粗糙度的数段根管子连接在一由不同管道直径和管壁粗糙度的数段根管子连接在一起的管道。起的管道。ABH21串联管道特征串联管道特征1.1.各管段的流量相等各管段的流量相等2.2.总损失等于各段管总损失等于各段管 道中损失之和道中损失之和两类计算问题两类计算问题ABH21（1 1）已知串联管道的流量）已知串联管道的流量qV，求总水头，求总水头H ；（2）已知总水头）已知总水头H，求串联管道的流量，求串联管道的流量qV。v0Q1Q2Q3q1q2l1 d1l2 d2l3 d3hf1hf2hf 3H11按长管计算按长管计算 上式是串联管道的基本公式，联立以上三式，可上式是串联管道的基本公式，联立以上三式，可解算解算Q、d、H 等问题。等问题。IR1UIR2IR3v0Q1Q2Q3q1q2l1 d1l2 d2l3 d3hf1hf2hf 3H11 在长管的条件下，各段的测压管水头线与总水头在长管的条件下，各段的测压管水头线与总水头线重合，管道水头线呈折线，因为各管段流速不同，线重合，管道水头线呈折线，因为各管段流速不同，水头线坡度也各不相同。水头线坡度也各不相同。v01l1 d1 v1l2 d2 v2l3 d3 v3v3H12 v222g1 v122g3 v322g 按短管计算按短管计算 v01l1 d1 v1l2 d2 v2l3 d3 v3v3H12 v222g1 v122g3 v322g对上游断面和出口断面列能量方程，则对上游断面和出口断面列能量方程，则三、并联管道三、并联管道 由几条简单管道或串联管道，入口端与出口端分别连由几条简单管道或串联管道，入口端与出口端分别连接在一起的管道系统。接在一起的管道系统。并联管道特征并联管道特征1.1.总流量是各分管段流量之和。总流量是各分管段流量之和。2.2.并联管道的损失等于各分管并联管道的损失等于各分管道的损失。道的损失。AQQ1 d1 hw1Q2 d2 hw2Q3 d3 hw3BQ特点：一般按长管进行水力计算特点：一般按长管进行水力计算两类计算问题两类计算问题（1）已知）已知A点和点和B点的静水头线高度（即点的静水头线高度（即z+p/g)，求总流量，求总流量qV；AQQ1 d1 hw1Q2 d2 hw2Q3 d3 hw3BQ假设假设 由由hf计算计算 v、Re由由Re、查莫迪图得查莫迪图得 New校核校核 New=NewNY由由hf计算计算 v、qV 求解方法相当求解方法相当于简单管道的第于简单管道的第二类计算问题。二类计算问题。（2 2）已知总流量）已知总流量q qV V，求各分管道中的流量及能量损失，求各分管道中的流量及能量损失 。假设管假设管1的的 qV1 由由qV1计算管计算管1的的hf1 由由hf1求求qV2和和 qV3hf1=hf2=hf3qV1=qV1N结束计算结束计算按按qV1、qV2 和和qV3的比例计算的比例计算qV1、qV2 和和qV3计算计算hf1、hf2和和hf3 YAQQ1 d1 hw1Q2 d2 hw2Q3 d3 hw3BQQhfQHABhfAhf1=hf2=hf3=hfl1 d1 Q1l3 d3 Q3l2 d2 Q2HBHA设各管径、流量为设各管径、流量为di、Qi，i=1，3，考虑能量方程，则，考虑能量方程，则QhfQHABhfAhf1=hf2=hf3=hfl1 d1 Q1l3 d3 S3 Q3l2 d2 K2 Q2HBHA各支的流量与总流流量各支的流量与总流流量之间之间应满足连续方程，即应满足连续方程，即各支水头损失，按长管计算，则各支水头损失，按长管计算，则各支的流量与总流流量各支的流量与总流流量之间之间应满足连续方程，即应满足连续方程，即 设各管径、流量分别为设各管径、流量分别为di、Qi，i=1，3。考虑每一支的能量方程，则考虑每一支的能量方程，则 hf 求出后，再求出各支管的流量求出后，再求出各支管的流量 若总流的流量及各并联支管的直径、长度、若总流的流量及各并联支管的直径、长度、和粗糙度已知时，可求出总流量、支流量以及水和粗糙度已知时，可求出总流量、支流量以及水头损失；头损失；四、分枝管路四、分枝管路分支管道特征分支管道特征 流入汇合点的流流入汇合点的流量等于自汇合点流出量等于自汇合点流出的流量。的流量。计算问题新建管道，确定管径、起点压力计算问题新建管道，确定管径、起点压力 已知管网结构形式（地形、长度、用户位置）、用量、用已知管网结构形式（地形、长度、用户位置）、用量、用户所需水头，确定管径和管网起点水压。户所需水头，确定管径和管网起点水压。213Jz2z1z31 根据管网布置图，将管网分段编号3 按照终点流量要求，确定各段流量4 以经济流速确定各段管径5 取标准管径后，计算流速和摩阻6 按长管计算各段水头损失hw7 按串联管道计算起点到控制点的总水头损失。2 选定主干线，一般从起点到最远点欧洲天然气管道 北海海底管网阿意输气管道 美国天然气管道 湾流管道系统 一个抽水系统通过水泵转动转轮的作用，在水泵进一个抽水系统通过水泵转动转轮的作用，在水泵进水口形成真空，使水流在池面大气压强的作用下沿吸水口形成真空，使水流在池面大气压强的作用下沿吸水管上升，流经水泵时从水泵获得新的能量，进入压水管上升，流经水泵时从水泵获得新的能量，进入压力管，再流入水塔。力管，再流入水塔。1 1 水泵吸水管的水力计算水泵吸水管的水力计算5.4 5.4 短管的水力计算短管的水力计算吸水管和压力水管吸水管和压力水管 吸水管吸水管:短管短管 压力水管压力水管:长管长管 例例1 如图所示的离心泵，抽水流量如图所示的离心泵，抽水流量qVh=306 m3/h，吸水管长度为，吸水管长度为l=12 m,直径直径d=0.3 m，沿程损失因数，沿程损失因数=0.016，局部损失因数：带底阀吸水口，局部损失因数：带底阀吸水口 1=5.5，弯头，弯头 2=0.3。允许吸水真空度。允许吸水真空度hv=6 m，试计算此水泵的允许安，试计算此水泵的允许安装高度装高度HS。解：取基准面，列断面解：取基准面，列断面11、22的伯努利方程的伯努利方程 其中其中 将将=0.016，l=12 m，d=0.3 m，代入上式可得代入上式可得 5.5 孔口和管嘴泄流孔口和管嘴泄流流体在水头或压差作用下流过器壁孔口或孔板都称为孔口出流。薄壁孔口：厚壁孔口：小孔口：大孔口：一、定水头孔口泄流一、定水头孔口泄流令收缩系数令收缩系数 1完善收缩：不完善收缩：局部收缩：CDAaL3aBbL3bL3aL3b二、管嘴泄流管嘴出流流量公式比较孔口和管嘴的流速系数和流量系数 管嘴=1 =0.82=0.82 孔口 =0.64 =0.97 =0.62二、管嘴泄流 柱状管嘴内的真空度列c-c,2-2断面的伯努力方程突然扩大：各种管嘴的出流系数各种管嘴的出流系数外伸管嘴外伸管嘴薄壁孔口薄壁孔口内伸管嘴内伸管嘴扩张管嘴扩张管嘴收缩管嘴收缩管嘴流线性管嘴流线性管嘴损失系数损失系数收缩系数收缩系数Cc流速系数流速系数Cv流量系数流量系数Cq0.060.50.510.090.0940.040.040.631 110.980.9811 10.970.820.820.710.960.960.450.980.980.610.820.820.710.950.950.450.980.98