气体管网水力特征与水力计算.ppt

本章重点,1、气体管流的水力特征及其对管网设计与运行的影响；2、管网的能量平衡；3、流体输配管网水力计算的基本概念、原理及方法；4、气体输配管网水力计算案例。,2.1 气体管网水力特征,1.1 气体重力管流的水力特征1）竖向开口管道,2.1 气体管网水力特征,1-2断面间的能量方程静压位压动压,2.1 气体管网水力特征,当1断面和2断面分别为管道的进口和出口，这时静压均为0。若将出口的动压损失视为出口的一种流动局部阻力，则：,若只是截出的一段管段不具有此关系式！,2.1 气体管网水力特征,上式表明：此种情况下依靠位压（即重力的作用）克服流动阻力。流动方向取决于管内外的密度差。思考题：请分析楼梯间夏、冬季的自然通风气流情况。,2.1 气体管网水力特征,2）U型管道内的重力流断面1-D、断面D-2的能量方程为：,2.1 气体管网水力特征,两式相加有：进出口位于相同标高时，流动动力是竖管内的密度差与高差的乘积，与管外大气密度无关。流动方向取决于竖管内密度的分布情况。,2.1 气体管网水力特征,思考题1：请分析南门万家丽路地下通道的自然通风气流情况。思考题2：请分析1、2断面高度不等的情况。,2.1 气体管网水力特征,3）闭合管道内的重力流具有与进出口断面等高的U型重力流竖管相同的水力特征。,2.1 气体管网水力特征,注意：若管内密度分段不均匀时，在密度分界点选取计算断面分析。思考题：管内密度逐渐变化时，如何处理？,2.1 气体管网水力特征,1.2 气体压力管流水力特征当管道内外不存在密度差，或是水平管网时，位压为零，管道的任何两个断面间，如果没有机械动力装置，则有：,两个断面之间的能量方程！,2.1 气体管网水力特征,1.2 气体压力管流水力特征断面间的全压关系：位压为零的管流，全压克服阻力，驱使流体流动。管段中没有外界动力输入时，下游断面全压低于上游断面。,流速变化引起动压变化，必引起静压变化！,2.1 气体管网水力特征,断面间静压关系,可以通过改变流速改变断面静压,2.1 气体管网水力特征,思考题：通过改变流速改变断面静压，有什么用处？,2.1 气体管网水力特征,1.3 压力和重力综合作用下的气体管流水力特征 断面间的全压差反映压力作用，位压反映重力作用，二者综合作用，克服流动阻力，维持管内流动。位压驱动密度小的气体向上流动，密度大的气体向下流度；阻挡相反方向的流动。,能量平衡：动力等阻力。,2.1 气体管网水力特征,驱动力与流动的关系若压力驱动的流动方向与位压一致，则二者综合作用加强管内气体流动，若驱动方向相反，则由绝对值大者决定管流方向；绝对值小者实际上成为另加的流动阻力。,2.1 气体管网水力特征,思考题：请分析空调建筑装有排气风机的卫生间排气竖井，冬季和夏季位压对排气能力的影响，设计计算以哪个季节最佳。冬季在位压的辅助作用下，排气能力明显加强；夏季排气风机除克服竖井的阻力时，还要克服位压，排气能力削弱，尤其是高层建筑。,2.1 气体管网水力特征,当没有开启排风机、且未设防倒流阀，夏季竖井中密度低，室外空气经竖井进入室内；冬季竖井温度高，室内空气进入竖井。,2.1 气体管网水力特征,当密度沿高度变化时，位压为：若动力设备提供输入压力P，则：气体管流水力特征综合概括，适用于重力流、压力流及二者综合作用的性况。,2.2 管网水力工况分析理论基础,在管网的任意闭合回路中，驱使流体流动的动力与流动的阻力相平衡。什么是回路？,2.2 管网水力工况分析理论基础,回路是指一个闭合的“链”；回路方向是人为规定的，不要求其中的管段流向一致，也不要求管段流向与回路方向一致；闭合包括实际管道的闭合，也可以是开式管网的“虚拟闭合”。什么是“虚拟闭合”？,2.2 管网水力工况分析理论基础,“虚拟闭合”的概念与方法：针对开式管网，设“虚拟管路”使之闭合。虚拟管路：连接开式管网通向环境的两个开口之间的管路。该管路中的流体为环境流体（通常为大气），其密度为环境流体密度；虚拟管路的断面趋于无限大，流速趋于零，流动阻力为零。,2.2 管网水力工况分析理论基础,2.2 管网水力工况分析理论基础,稳态流量下，任意环路i的流动动力与流动阻力相等：由要求的流量、合理的管内流速、确定管道尺寸，得到环路流动阻力Pi。由环路内流体密度与环路空间走向得到重力形成的环路流动动力PGi。,2.2 管网水力工况分析理论基础,环路需用压力：环路所需要风机、水泵等动力设备提供的全压。小窍门：想一想“需”的意义？预算，成本，客观需要由动力设备给出的压力！,2.2 管网水力工况分析理论基础,环路资用压力：需用压力确定后，则环路的资用压力为：小窍门：想一想“资”的意义？投资，由某种形式产生而系统具备的动力：设备给出的压力与重力作用力之和！,2.2 管网水力工况分析理论基础,各环路的需用压力应作用在所有环路的共用管路上，每个环路得到的全压作用是相同的，则任意环路资用压力为：注意：系统的资用压力可能小于、等于、大于需用压力，现实与理想的关系！,2.2 管网水力工况分析理论基础,一般按照“最不利环路”来确定管网的需用压力。实际管网中，各环路重力作用力通常不同，在全压相同时，各环路资用压力不同，这也是管网设计和调控失败的原因！作业：查GB507362012热水管网平衡分析时关于重力作用力的规定！,2.2 管网水力工况分析理论基础,重力作用力的计算方法：闭合回路，并规定回路的流动方向；沿回路方向划分管段，原则：按照流体密度变化划分管道段落，与管段内的实际流动方向、高差的起伏变化无关；沿回路方向列出各管段的重力作用力，方法：,2.2 管网水力工况分析理论基础,叠加闭合回路中所有段落的重力作用力，得到该回路沿规定回路方向的总重力作用力。重力作用力值为正，表明该回路中重力作用力推动规定回路方向的流动；其值为负，阻碍规定回路方向的流动。,2.2 管网水力工况分析理论基础,闭合回路中的压力驱动力：压力容器或上级管网。与环境交界面的压力；流体机械提供的压力。作用点在环路的一个“断面”位置，作用于整个环路，作用于共用管段时，则共用该管段所有环路受到全压相同。将回路中的压力叠加。压力作用力有方向性，当其方向与回路方向一致时取正值，反之取负值。,2.2 管网水力工况分析理论基础,闭合回路流动阻力的代数和的计算方法：（1）划分计算管段；（2）按流体力学方法计算各管段的流动阻力；（3）求取沿回路方向各管段流动阻力的代数和，当实际流动方向与回路规定方向一致时，阻力取正值；反之取负值。,2.2 管网水力工况分析理论基础,闭合回路的能量平衡1、闭合回路，并规定回路的流动方向；2、求沿规定回路方向的重力作用力；3、求沿规定回路方向的压力作用力代数和;4、求沿回路方向的管路流动阻力的代数和;5、建立回路能量平衡方程式。,2.2 管网水力工况分析理论基础,作业1：写出下图所示排风系统能量平衡方程。,2.2 管网水力工况分析理论基础,作业2：冬季工况下，热源的供水温度为60（=985kg/m3），回水温度为40（=992 kg/m3），分别计算用户S1和S2与热源所形成的回路的重力循环作用力。设水泵输出总压力为P，建立两个回路的能量平衡方程。,2.2 管网水力工况分析理论基础,作业3：如图所示，设液面的压力P1=P2=0,水泵输出压力为P，试建立该管网的能量平衡方程。,2.2 管网水力工况分析理论基础,独用管段与共用管段,2.2 管网水力工况分析理论基础,独用管段与共用管段通路一：1-3-5-6-7通路二：2-3-5-6-7通路一、二：管段1、2分别为的独用管段，管段3-5-6-7为两个通路的共用管段。,2.2 管网水力工况分析理论基础,水力计算的本质：水力计算即将资用压力分配到环路管段。与最不利环路的共用管段的资用压力，由最不利环路资用动力分配确定。任意环路只在独有管路上有分配资用压力的自由。,2.2 管网水力工况分析理论基础,环路独用管段资用压力分配方法：共用管路的资用压力等于共用管路的流动阻力Pg。独用管路的资用压力Pd=PzbL-Pg。按确定的方案将Pd分配给独用管路的每一段管路。上述方法实质为压损平均法。思考题：如何确定管段流动阻力？,2.2 管网水力工况分析理论基础,独用管路的流动阻力等于其获得的资用压力。环路资用压力=与最不利环路的共用管路资用压力+不与最不利环路共用的独用管路资用压力与最不利环路的共用管路上，分配的资用压力等于其流动阻力。,2.2 管网水力工况分析理论基础,任意环路i独用管路的资用压力Pi,d：环路i独用管段资用压力Pi,d等于最不利环路Pzi,zbl减去环路i与最不利环路的共用管段Pi,g。管网系统设计目的在于，让独用管路的阻力与其资用压力相等。管网环路平衡的实质在于：不同环路的独用管路平衡。,2.2 管网水力工况分析理论基础,独用管路的压损平衡：通过调整管路尺寸，改变管内流速，使其在要求的流量下，流动阻力等于资用动力，保证管网运行时，独用管路的流量达到要求值。思考题：管网设计时，管路尺寸（流速）能无限制调整吗？为什么？如何正确调整？,2.2 管网水力工况分析理论基础,并联管路压损平衡：管路处于并联地位时，若它们各自所在环路的重力作用形成的动力相等，则这些并联管路的资用动力相等。想想，为什么资用压力相等？那么，并联管路的阻力也应相等。,2.2 管网水力工况分析理论基础,可见，并联管路阻力平衡是压损平衡的特例。在各环路重力作用形成的动力相等时适用。思考题：并联管路重力作用力不相等时，环路压损平衡应注意什么？,2.2 管网水力工况分析理论基础,重要内容回顾：需用压力与资用压力概念；需用压力、资用压力计算方法；重力作用力与环路能量平衡；环路共用管段与独用管段概念；环路共用管段与独用管段压力关系；环路压损平衡方法。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,什么是水力计算？布置管网，通过计算，选择、确定构成管网的要素（如：管道尺寸；动力装置性能参数；调节装置及其安装位置），使管网能够实现规定的流体输配。水力计算是流体输配管网设计与调节的基本手段，是管网实现流体输配要求的基本手段。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,水力计算的前提条件：已知管网的流体输配要求。即各使用流体的末端用户的位置是明确的、其流量需求是已知的。思考题：如何确定管网末端位置和流量？请查阅GB507362012。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,设计计算：（确定需用压力）确定下列参数：各管段断面尺寸、阻力；管网总阻力与阻抗；动力设备（风机、水泵）的位置、性能参数、型号、台数。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,校核计算：（分配资用压力）根据已定的动力设备，确定保证流量输配的各管段断面尺寸；根据已定的管道尺寸，确定保证流量输配的动力设备性能参数。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,水力计算理论依据：流体力学一元流动连续性方程、能量方程。流体流动阻力计算的基本理论。管网质量平衡节点处流量的平衡；管网能量平衡任意闭合(虚拟闭合)回路中,驱动流体流动的动力与阻力的平衡。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,管段流动阻力计算方法：管段阻力是构成管网阻力的基本单元。管段中流体流动的阻力有两种:摩擦阻力，也称为沿程阻力；局部阻力。管段：流动断面与流量保持不变的管道段落。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,摩擦阻力计算：当管材、断面尺寸、流体密度、温度和流量不变时，对不可压缩流体，摩擦阻力可用下式计算：Rm为比摩阻，表示单位管长摩擦阻力，流量已知时，还需什么参数才可确定其值？,2.3 管网水力计算基本原理和方法,RS为水力半径，等于过流断面面积除以湿周。流量一定时，流速是影响阻力的关键因数，为什么？流速断面 RS，Rm。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,工程上常根据自身的工程特点，编制相应的计算图/表帮助计算。P56任何计算公式或图表，都有其制图条件和使用范围，使用时要特别注意。当工程条件与得出公式或图表的条件有差异时，常采用修正的方法。P54 如密度和黏度修正、温度和热交换修正以及管壁粗糙度修正等。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,P56线算图制图条件：标准大气压；温度t=20；密度1.204kg/m3；运动黏度：15.0610-6m2/s；圆形截面风管。思考题：非圆管时如何处理？,2.3 管网水力计算基本原理和方法,非圆管比摩阻计算方法：当量直径假设某一圆形风管中的空气流速与非圆形风管中的空气流速相等，并且两者的单位长度摩擦阻力也相等，则该圆形风管的直径就称为此矩形风管的流速当量直径，以Dv表示。断面为ab的矩形风管的流速当量直径Dv用下式计算，查表时用矩形风管中的实际流速。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,设某一圆形风管中的流量与矩形风管的空气流量相等，并且单位长度摩擦阻力也相等，则该圆形风管的直径就称为矩形风管的流量当量直径，以DL表示。矩形风管的流量当量直径可近似按下式计算，查表时用矩形风管中的流量。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,务必注意：非圆管查表求比摩阻时，流量当量直径与流量对应，流速当量直径与流速对应，不可交叉。不可将水力半径与当量直径混淆！,2.3 管网水力计算基本原理和方法,局部阻力计算：产生原因：流动边界几何形状改变，使流动产生涡旋、流动方向变化，引起能量损失。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,局部阻力系数与其安装条件（受流动环境的影响）、各部分的几何尺寸有关（如突扩）。同名的局部阻力在不同的场合有不同的阻力系数值。局部阻力系数值一般通过实验获得。局部阻力系数值总是与所指的断面动压对应，使用时必须注意。各工程设计手册给出了常用的局部阻力系数或当量长度。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,水力计算方法：假定流速法压损平均法静压复得法,2.3 管网水力计算基本原理和方法,假定流速法的特点：先按技术经济要求选定管内流速，再结合所需输送的流量，确定管道断面尺寸，进而计算管道阻力,得出需要的作用压力（动力）。假定流速法适用于作用压力未知的情况。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,假定流速法的基本步骤：绘制管网轴测图，对各管段进行编号，标出长度和流量。选定最不利回路。合理选定最不利回路各管段的管内流体流速。根据各管段的流量和确定的流速，确定最不利回路各管段的断面尺寸。计算最不利回路各管段的阻力。按照闭合回路能量（压力）平衡原理，计算其他管路：由于已完成最不利回路的计算，因此常利用与最不利回路的并联关系进行。可用压损平均法计算。这是保证流量按要求分配的关键。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,计算管网的总阻力和阻抗，得到管网特性曲线。根据管网特性、所要求输送的总流量以及所输送流体的种类、性质等诸因素，综合考虑为管网匹配动力设备，确定动力设备所需的参数。关键点：流速的合理选取；最不利回路；并联管路间的平衡。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,压损平均法的特点:将已知的总作用压力（动力），按干管长度平均分配给每一管段，以此确定管段阻力，再根据每一管段的流量确定管道断面尺寸。当管道系统的动力已知时，此法较为方便。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,压损平均法的基本步骤：绘制管网轴测图，对各管段进行编号，标出长度和流量，确定最不利环路。根据确定的最不利回路的资用动力，计算最不利环路单位管长的压力损失。根据最不利环路单位管长压力损失和各管段流量，确定其各管段断面尺寸。确定其他支路的资用动力，计算单位管长的压力损失，根据单位管长压力损失和各管段流量，确定其管径。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,静压复得法的特点通过调整管道断面尺寸，维持管道在不同断面处的管内静压。送风管道若要求各个风口风量均匀，常用此方法保证要求的风口风速。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,静压复得法的基本步骤：,2.3 管网水力计算基本原理和方法,不论采用何种方法，水力计算前必须完成管网系统和设备的布置，确定管道材料及每个管段的流量，然后循着各种方法所要求的步骤进行计算。水力计算中，各种计算公式和基础数据的选取，应遵循相关规范、标准的规定。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,以通风空调工程的空气输配管网为例，学习枝状气体输配管网水力计算的具体方法。设计计算要确定管径和动力大小，主要采用假定流速法。需先完成管网的布置，确定各送排风点要求的风量；各管段的输送风量。制作风管的水力计算表格。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,实例：下图所示通风除尘管网，风管用钢板制作，输送含有轻矿物粉尘的空气，气体温度为常温。当地气压接近标准大气压力，除尘器清灰前阻力Pc=1200Pa。对该管网进行水力计算，获得管网特性曲线，及机械动力需求。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,1 确定最不利环路的管内流速和断面尺寸1）绘制风管系统轴测图，并划分管段，对各管段编号，标注其长度和设计流量。管段：管内流量和管道断面均不变化。管段长度按中心线长度计算，不扣除管件（如三通、弯头）本身的长度。如需要考虑重力作用，应保证同一管段的密度不变。对于枝状管网，已知各用户的流量要求，利用节点流量平衡的原理可以逐次确定出各管段的设计流量。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,2.3 管网水力计算基本原理和方法,2）选定最不利回路。本系统选择1-3-5-除尘器-6-风机-7为最不利回路（环路）。解释：最不利回路。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,3）确定管内流速管内流速对管网系统的经济性和技术条件的影响：流速高，管道断面小，占用的空间小，材料耗用少，建造费用小；但是系统的阻力大，动力消耗增大，运行费用增加，且增加噪声。若流体中含有杂质等，还会增加设备和管道的磨损。流速低，阻力小，动力消耗少；但是风管断面大，材料和建造费用大，管道占用的空间也大。流速过低会使杂质沉积堵塞管道。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,必须通过全面的技术经济比较选定合理的流速。根据工程经验，总结出了通风空调工程中风管内较为合理的空气流速。如教材表2-3-1，2-3-2，2-3-3（P52，P53）作业：查阅GB507362012对通风除尘系统管内流速的规定。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,根据表2-3-3，输送含有轻矿物粉尘的空气时，风管内最小风速为:垂直风管12m/s、水平风管14m/s。考虑到除尘器及风管漏风，取5%的漏风系数，管段6及7的计算风量为63001.05=6615m3/h。作业：查阅GB50736-2012关于风管漏风量的规定。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,3）确定管内流速和管径：管段1包含有水平风管，初定流速为14m/s，则管径为：查图2-3-1，没有这个标准规格，取为d=200mm则实际风速为：同理确定出管段3、5、6、7的管内流速和管径。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,4）沿程阻力：查图得管段1的比摩阻为12.5Pa/m，填入计算表中，并计算管段的摩擦阻力。同理查得3、5、6、7管段的比摩阻和摩擦阻力。检查是否需要修正。本例无需进行修正。如需修正的情况，在水力计算表中留出填写这些参数的位置。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,5）局部阻力：各种管件（弯头、三通等）的局部阻力系数通常查图表确定，查图表时要注意依据的参数值。还要注意对应的特征速度。设备的局部阻力或局部阻力系数，由设备生产厂商提供。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,管段1设备密闭罩=1.090弯头=0.17直流三通13=0.20=1.0+0.17+0.20=1.37 计算出管段1的局部阻力损失为：147.5Pa。同理计算出管段3、5、6、7的局部阻力。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,2 利用回路能量平衡原理计算其他管路需要计算的管段：2、4计算2管段时，找出最不利环路中已计算的管路，或虚拟管路，使其加上2管段后能构成闭合回路。本例中，管段1，2以及虚拟管路构成闭合回路。规定回路方向为与管段2同向（可任意），有：,2.3 管网水力计算基本原理和方法,2.3 管网水力计算基本原理和方法,对于管路1、2构成的回路，有：,2.3 管网水力计算基本原理和方法,管段2（压损平均法）：按流量0.22m3/s和比摩阻31.7Pa/m，查线算图，得：D=126mm取130mm。查图得Rm=26pa/m，沿程阻力156pa。速度16.7m/s，局部阻力100.9Pa管段2总阻力为256.9Pa。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,不平衡率：基本符合要求。按相同步骤，对管段4进行压损平衡，确定其管径。作业：查阅GB507362012关于管路不平衡率的规定。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,教材提供了另外一种计算方法：先选管径，再按压损平衡调整。P61管径调整的方法：建议：初学者用教材所述方法。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,3 管网总阻力、阻抗及对风机的需求总阻力：(最不利环路)阻力1814Pa阻抗：管网特性曲线：,注意：并非所有管网特性曲线都是此形式。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,3 管网总阻力、阻抗及对风机的需求确定对风机的需求：在工作风量6615m3/h时，提供全压1814Pa。作业1：查阅GB50736关于风机选择与布置的规定，注意变速与定速风机的选择区别。作业2:查阅“建筑节能标准”和“风机”标准关于能效比、耗电输冷（热）比的规定。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,2.3 管网水力计算基本原理和方法,均匀送风系统设计：静压复得法空气在风管内流动，静压垂直作用于管壁，若侧壁开孔，空气由于静压差从风口流出：空气在管内流速为：,2.3 管网水力计算基本原理和方法,出流角：实际速度与风管轴线夹角。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,分析管段断面不变时，从条缝口吹出和吸入的速度分布状态。动静压转换：送风时风量减小，风速减小，动压减小，静压增大，出流风量增大，管内风量减小。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,均匀送风措施：,2.3 管网水力计算基本原理和方法,实现管道均匀送风的条件保持各个侧孔静压相等。保持各个侧孔流量系数相等。增大出流角。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,如图所示总风量为8000m3/h的圆形均匀送风管道，采用8个等面积的侧孔送风，孔间距为1.5m。试确定其孔口面积、各断面直径及总阻力。,2.3 管网水力计算基本原理和方法,2.3 管网水力计算基本原理和方法,2.3 管网水力计算基本原理和方法,2.3 管网水力计算基本原理和方法,2.3 管网水力计算基本原理和方法,2.3 管网水力计算基本原理和方法,按照上述过程，依次确定后续各管段的断面尺寸。自学：教材例2-5；完成习题2-11和2-14（圆形风管、风量2X104m3/h,4个风口，风口风速8m/s，间距3米）。,