第5章压力管路的水力计算.ppt

1,第5章 压力管路的水力计算,2,第5章 压力管路的水力计算,压力管路：在压差作用下，管内充满流体流动的管路，称为压力管路。,前两章介绍了流体流动的基本原理，本章介绍这些原理在工程实际中的应用，具体应用时，常要参考设计和施工的经验，对前面所学的公式作一些简化。,长管,短管,从能量角度划分为,压力管路,3,第5章 压力管路的水力计算,长管：比动能和局部水头损失可以忽略的管路。,短管：比动能和局部水头损失不能忽略的管路。,对长管，hw=hf，能量方程变为：,H 表示能量供应，作用水头；hf 表示能量消耗，水头损失。,一般：hj=510%hf,则：,4,第5章 压力管路的水力计算,5.1 管路特性曲线,管路特性曲线：一条管路上的水头H与流量Q之间的关系曲线。即H=f(Q)，,对特定的管路，其关系一定。,令，称为管路综合系数。,例如：管路上的总水头损失,5,第5章 压力管路的水力计算,则,当L、d一定时，,将 画为曲线，称为管路特性曲线，见下图：,6,第5章 压力管路的水力计算,对有泵的管路，象如图的例子，泵的的扬程为：,有泵的管路特性曲线,通过管路特性曲线，可以了解管路的工作状况。,7,第5章 压力管路的水力计算,5.2 长管的水力计算,1、简单长管,单一直径管，所研究的管段内无泵、分支、阀门、变径等。只有沿程损失hf。,hf 的通式,层流,（1）,8,第5章 压力管路的水力计算,水力光滑区,（2）,水力粗糙区（阻力平方区）,混合摩擦区,大庆设计院推荐：,（3）,（4）,其中，,9,第5章 压力管路的水力计算,最后将（1）、（2）、（3）、（4）式归纳为：,列宾宗公式,其中，系数和指数m，根据不同流态由下表确定：,10,第5章 压力管路的水力计算,管路计算中的三类问题,第一类问题：,已知：d、L、布置（z1，z2）、流量Q，求：hf，进而求 i、p，已知 p2 求 p1。,求解步骤：,由已知Q、d、，求出Re，确定流态；选用 的计算公式（或确定、m值），求 hf；求 p、i，（，）当p2已知，可求得 p1，选泵。,11,第5章 压力管路的水力计算,第二类问题：,已知：d、L、布置（z1，z2）、p（hf），求：Q，即在压力降限制下的最大输送能力。,此类问题的问题：,可见：未知数Q、（、m）为两个未知数，应有二个方程，现只有一个，故不可解。,解法一：流态试算法,先设流态，选用、m，计算，,计算Re，校核流态。如流态与所设流态一致，则Q为所求，否则重新设流态计算。,12,第5章 压力管路的水力计算,解法二：用管路特性曲线求Q,先假设几个流量Q1、Q2、Qm，按第一类问题，计算hf1、hf2、hfm，绘成管路特性曲线，再由已知hf查得Q。,第三类问题：,已知：L、管路布置（z1，z2）、流量Q，求：设计最经济管径 d。,13,第5章 压力管路的水力计算,此类问题的问题：,当选用的管径太大，d大 用钢材多 成本高，但是，d大 V小 hf N泵 动力费用少 总费用少。,当选用的管径太小，d小 省钢材，但是，d小 V大 hf N泵 动力费用 总费用。,故：d 偏大、偏小都不合适，管径的选择必须全面考虑各方面的利弊。既要保证一定的流速，又要符合经济要求，使输油成本尽可能地节省。,根据经验，合理经济流速的选择：油田内部或库内管线：12 m/s 外输管线：13 m/s,14,第5章 压力管路的水力计算,设计管径的步骤大致如下：,根据设计流量，在适宜的流速范围内选择几种不同的管径；按照所选管径算出实际流速；根据实际流速，管径及油品粘度计算雷诺数，确定流态，进而计算水头损失；,由总水头损失及压降确定泵的扬程、功率，从而算出每年动力消耗费用，（如图曲线）；计算全部设备管线投资及每年的管理、保养等费用，（如图曲线）；把选用不同管径时，每年所需各种费用全部开支一一算出；以管径d为横坐标，年费用为纵坐标，绘成曲线，曲线表示两种费用总和与直径d的关系。取曲线最低点对应的直径dm即为经济直径。,这里，dm为最优，但是考虑将来的发展，取ddm即可。,15,第5章 压力管路的水力计算,2、串联和并联管路,串联管路,定义：由不同管径的简单管路顺次联接而成的管路。,16,第5章 压力管路的水力计算,水力特点：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。如果流入节点的流量为正，流出节点的流量为负，则可写成：,它反映了连续性原理,全线总水头损失为各分段水头损失之和。,它反映了能量守恒原理。,17,第5章 压力管路的水力计算,并联管路,定义：自一点分离而又汇合到另一点处的两条或两条以上的管路。,条件：在节点A处，满足：各管的压强相同：各管的位置水头相同：,18,第5章 压力管路的水力计算,水力特点：进入各并联管的总流量等于流出各并联管的流量之和，即 不同并联管段从AB单位重量液体的能量损失相同，即：,19,第5章 压力管路的水力计算,串联管路在多数情况下都是在流量已知的情况下，按合理流速来选择管径，然后按第一类问题求解，比较简单。并联管路则涉及各条管线的流量分配问题，即使总流量已知，但因各条管线流量不确定，使得其计算变为第二类问题，必须采用试算法。,串联和并联管路的水力计算,20,第5章 压力管路的水力计算,并联管路的水力计算：,设已知：Q，d1、d2、dn，l1、l2、ln求：Q1，Q2，Qn，hfAB？,解：设各管流态不同（流态试算法）,21,第5章 压力管路的水力计算,(a),(b),22,第5章 压力管路的水力计算,如果Q1求出来，则Q2、Q3、Qn即可得到。,又对1管，有：,由上(a)、(b)、(c)三式解出 n+1个未知数。,(c),校核流态：,由Q1 V1 Re1 定出流态（与假设相同时，Q1为所求）Q2 V2 Re2 定出流态（与假设相同时，Q2为所求）Qn Vn Ren 定出流态（与假设相同时，Qn为所求）,所以，Q1、Q2、Q3、Qn、hf 均求出。,23,第5章 压力管路的水力计算,当各管的流态相同时，1 2 n，m1m2mn，更为简单。,(a)式可得到简化，用上法可求出Q1、Q2、Q3、Qn、hf。,24,第5章 压力管路的水力计算,3、分支管路,定义：从一根总管分支出几根支管后不再汇合的管路。,分支管路的形式,从一处送往多处：,从多处汇集到一处：,25,第5章 压力管路的水力计算,分支管路的水力特点,分支管路相当于串联管路的复杂情况，它具备串联管路的两个特点。,节点处：,沿串联线上：,26,第5章 压力管路的水力计算,例题1：,某水罐1液面高度位于地平面以上60m，通过分支管把水引向高于地平面15m和30m的水罐2和水罐3，假设l1l2l32500m，d1d2d30.5m，各管的沿程阻力系数均为0.04，试求引入每一水罐的流量。,解：由已知条件，本题可列为长管计算问题，局部损失忽略。,1和2罐之间应用伯诺利方程：,代入各已知数值，得：,27,第5章 压力管路的水力计算,（1）,1和3罐之间应用伯诺利方程：,代入各已知数值，得：,（2）,28,第5章 压力管路的水力计算,由连续性方程可得：,即：,又,联立（1）、（2）、（3）三式，可得：,（3）,则，引入水罐2和3的流量分别为：,29,第5章 压力管路的水力计算,例题2：（教材P167页，第5-8题）,图示一管路系统，CD管中的水由A、B两水池联合供应。已知L1500m，L0500m，L2300m，d10.2m，d00.25m，10.029，20.026，00.025，Q0100L/s。求Q1、Q2及d2。,解：列A、D两断面的能量方程：,30,第5章 压力管路的水力计算,列B、D两断面的能量方程：,31,第5章 压力管路的水力计算,32,第5章 压力管路的水力计算,5.3 短管的水力计算,这些管路，其上管件较多，沿程直径亦有所变化，常属于短管。短管的水力计算一般可以用能量方程求解，但计算比较麻烦。,为了使计算简化，常先把所有阻力系数综合在一起，再代入能量方程，或作出管路特性曲线，可以解各类问题。,井场上的管路;油站内的管路;室内管路;泵的吸入管路，等,例如：,33,第5章 压力管路的水力计算,1、综合阻力系数,已知一短管系统，如图：局部阻力系数分别为1、2、9，粗管长l1，管径d1，细管长l2，管径d2。,34,第5章 压力管路的水力计算,总水头损失：,由,代入上式：,35,第5章 压力管路的水力计算,全管路总损失：,令,c 综合阻力系数，与流态、局部阻力形式、几何尺寸有关。,36,第5章 压力管路的水力计算,2、短管实用计算通式,取1-1、2-2两断面，列伯诺利方程：,定义，称为作用水头,37,第5章 压力管路的水力计算,令，称为流量系数。,一般写为：短管的实用计算公式,式中，AA2出口截面积,用此公式可解管路的第一、第二两类问题：,38,第5章 压力管路的水力计算,（1）第一类问题：已知Q，求H0（或 p）,已知Q V Re 流态，c（、）H0 p，当p2已知时，求起点压强p1。,（2）第二类问题：已知H0，求Q,解法一：试算法。设流态 c Q 检验流态。,解法二：利用管路特性曲线。,其中，随c及流态而变。,39,第5章 压力管路的水力计算,5.4 孔口和管嘴泄流,自流管路：不加外来能量，完全靠自然位差获得能量来排泄液体的管路。,定水头出流（稳定出流）：液体在出流过程中，作用水头H0不随时间变化 的出流。,自由出流：出流于大气中的液流。,淹没出流：出流于液体中的液流。,40,第5章 压力管路的水力计算,1、定水头孔口泄流,薄壁孔口：流体与孔口边缘为线接触。流体阻力只有局部阻力hj。,小孔口：孔径d小于十分之一的作用水头H0，即,小孔口断面上的速度分布可视为均匀的。,出流特点：由于惯性作用，流线不能突然转折，当实际液体流经孔口时，在离孔口约 处形成最小收缩断面c-c。,41,第5章 压力管路的水力计算,设收缩断面面积为Ac，孔口的断面积为A，则孔口断面收缩系数 为：,列0-0，c-c两断面的伯诺利方程：,令，为作用水头。,即,42,第5章 压力管路的水力计算,解出：,令，为流速系数。,则：,流量：,令，为流量系数。,则：,43,第5章 压力管路的水力计算,实验表明：,当是理想流体时：,Q理 Q实，即 的物理意义为实际流量与理想流量之比。,44,第5章 压力管路的水力计算,对于孔口淹没出流，如图所示。,列1-1、2-2断面的能量方程：,这里，突然扩大的局部阻力系数：,，,故：,45,第5章 压力管路的水力计算,上述能量方程变为：,令,（这里）,46,第5章 压力管路的水力计算,可见，淹没出流与自由出流的水力计算公式虽然形式相同，但两者之间的区别在于：,对淹没出流：,对自由出流：,涉及上、下游两个断面！,最后指出：淹没出流的、孔与自由出流的情况相差不大，实用 上可认为二着相等。,作用水头定义不同！,47,第5章 压力管路的水力计算,2、定水头管嘴泄流,标准圆柱管嘴：自孔口接出与孔口直径d相同而长度 l(34)d 的短管。,流动特性：流体在管嘴内先收缩后扩大，封住出口流出。损失包括三部分：,48,第5章 压力管路的水力计算,管嘴损失的计算：,令,管嘴综合阻力系数,49,第5章 压力管路的水力计算,列1-1、2-2断面的伯诺利方程：,50,第5章 压力管路的水力计算,即,H0,实验证明：,作用水头,流速系数,实际计算时用这个值。,51,第5章 压力管路的水力计算,对管嘴而言：,孔口与管嘴的流量比较：,设d、H0相同，,可见：，大 左右。,52,第5章 压力管路的水力计算,问题：,由前面已知，管嘴的阻力系数c0.53，大于孔口的阻力系数孔0.06，当液体流径阻力较大的管嘴时，其流量反而大于孔口的流量，为什么？,解释：,对管嘴，列1-1、c-c断面的能量方程：,定水头出流，则，,又,53,第5章 压力管路的水力计算,取平方，则,如果容器敞口，且为管嘴自由出流，则，于是,则,54,第5章 压力管路的水力计算,即,取，则,此式表示在管嘴出流时，收缩断面c-c处的压强小于大气压强，即产生真空。由真空作用所产生的水头为0.75H，这相当于比孔口增大了一个压头差（而对孔口，），这是一个不小的数值，该数值远大于由于液流阻力的增加所损失的水头。因此，在同样的H和A的条件下，。,55,第5章 压力管路的水力计算,注意：,作用水头不宜太大,一般情况下，c-c断面上真空度大则流量大，但真空度不是越大越好。若真空度过大，将产生汽化现象。同时，管嘴外部的空气在大气压作用下，将进入管嘴，其结果使管嘴内的液流脱离管嘴的内壁面。这种情况如同孔口出流一样，因而达不到增加流量的目的。,不同液体汽化压力不同，对水来说，为了防止汽化，允许的真空度 水柱，则作用水头：。,管嘴长度,若太长，则阻力增大，流量减小；若太短，则液流尚未充满管嘴就已流出，或真空区过于靠近管嘴出口因受大气的影响而被破坏。,56,例题：,二联水箱上装有三个处于同一高度且面积同为3cm2、流量系数同为0.6的孔口，进水量为 Q3L/s，在稳定流动情况下，试求：Q1，Q2，Q3，H1，H2,解：,57,第5章 小结,1、基本概念,（1）压力管路，长管，短管；（2）作用水头，管路特性曲线；（3）管路计算的三类问题，各类问题的解法；（4）串、并联管路及其水力特性，分支管路及求解步骤；（5）自流管路，定水头小孔口、管嘴及水力特性；（6）流速系数，流量系数，收缩系数；（7）管嘴的流量比孔口的流量大的原因。,2、重要公式,（1）能量方程：,（2）长管：,58,第5章 压力管路的水力计算,或,记住：层流时 4.15，m1；水力光滑区时 0.0246，m0.25,记住：层流时；水力光滑区时,（3）短管：,作用水头：,59,第5章 压力管路的水力计算,（4）孔口：,（5）管嘴：,各参数（H0、A）相同时，管嘴比孔口多一水头差，故，,