第5章 压力管路的水力计算

1ChinaUniversityofPetroleum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。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：fhpzpz2211fhppzzH2121H——表示能量供应，作用水头；hf——表示能量消耗，水头损失。一般：hj=5～10%hf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。则：3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。gVdLgVdLhhhjfw2222当2244dQVdVQ25222284212QdLLgdQgdLLgVdLLhw当当当令，称为管路综合系数。528dLLg当例如：管路上的总水头损失4第5章压力管路的水力计算则2Qhw当L、d一定时，dRe,~将画为曲线，称为管路特性曲线，见下图：Qfhw5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：whzzH12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。6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25222284212QdLgdQgdLgVdLhfdQVd4Re①层流Qd16Re64425215.4168dLQQdLQdghf∴（1）7第5章压力管路的水力计算②水力光滑区25.025.043164.0Re3164.0Qd∴75.425.075.12525.020246.043164.08dLQQdLQdghf（2）③水力粗糙区（阻力平方区）522520826.08dLQQdLghf④混合摩擦区大庆设计院推荐：877.4123.0877.10802.0dLQAhf（3）（4）其中，627.0lg127.010dA8第5章压力管路的水力计算最后将（1）、（2）、（3）、（4）式归纳为：mmmfdLQh52列宾宗公式其中，系数和指数m，根据不同流态由下表确定：流态m层流4.151水力光滑0.02460.25混合摩擦0.0802A0.123水力粗糙0.082609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：①由已知Q、d、，求出Re，确定流态；②选用的计算公式（或确定、m值），求hf；③求p、i，（，）当p2已知，可求得p1，选泵。2121ppzzhfLhif10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：∵mmmfdLQh52∴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，mmmfLdhQ25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。11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。12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：1～2m/s；外输管线：1～3m/s13第5章压力管路的水力计算设计管径的步骤大致如下：①根据设计流量，在适宜的流速范围内选择几种不同的管径；②按照所选管径算出实际流速；③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；④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①）；⑤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②）；⑥把选用不同管径时，每年所需各种费用全部开支一一算出；⑦以管径d为横坐标，年费用为纵坐标，绘成曲线，曲线③表示两种费用总和与直径d的关系。取曲线③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d＞dm即可。14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。15第5章压力管路的水力计算水力特点：①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：0iQ它反映了连续性原理②全线总水头损失为各分段水头损失之和。fnfffhhhhi21它反映了能量守恒原理。16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：AnAAppp21AnAAzzz2117第5章压力管路的水力计算水力特点：①进入各并联管的总流量等于流出各并联管的流量之和，即②不同并联管段从A→B单位重量液体的能量损失相同，即：iQQfnffffABhhhhhi2118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19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）111511211mmmfdlQh222522222mmmfdlQhnnnmnnmmnnfdlQh5220第5章压力管路的水力计算∴212151522122211212llddQQmmmmmm313151532123311313llddQQmmmmmmnnmmmmnmmnllddQQnnn11515212111∵nQQQQ21∴1131211QQQQQQQQn(a)(b)21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：111511211mmmfdlQh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。22第5章压力管路的水力计算当各管的流态相同时，1＝2＝…＝n，m1＝m2＝…＝mn，更为简单。(a)式可得到简化，用上法可求出Q1、Q2、Q3、…、Qn、hf。23第5章压力管路的水力计算串联和并联管路在长输管线上的应用在已建成的长输管线上，目的：①提高输送能力；②延伸输送距离。措施：增设副管或变径管原理：无论副管还是变径管，都是A↑→V↓→hf↓→i↓，达到用剩余能量来提高输量或延伸输送距离的目的。24第5章压力管路的水力计算（1）加副管或变径管后水力坡降的变化①副管②变径管（2）具体应用①提高输量；②延伸输送距离；③克服翻越点。25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：26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：0iQ沿串联线上：iffhh27第5章压力管路的水力计算分支管路的计算步骤与内容①根据管线布置以最远点（用户）选为干线；②按终点流量要求，从末端向前推算出各管段的流量Q；③根据流量及合理流速V，选定各段管径d；④计算干线各段水头损失hf，确定出干线上各节点处的压头，推算出起点总压头，从而确定出泵压或罐塔高；⑤以算出的各节点上的压头为准，确定各支管的水头损失；再据设定的管径d校核水头损失（节点处给的压头够不够），比较后，相差太大时，需重新选支管管径d。上五步的顺序：选干线→Q→d→计算干线各段hf→p1→计算支管的损失，校核管径（支管）。28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l1＝l2＝l3＝2500m，d1＝d2＝d3＝0.5m，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：gVdlgVdlzz222222211121代入各已知数值，得：29第5章压力管路的水力计算8.925.0250004.08.925.0250004.015602221VV∴41.42221VV（1）1和3罐之间应用伯诺利方程：gVdlgVdlzz2223332111318.925.0250004.08.925.0250004.030602321VV代入各已知数值，得：∴94.22321VV（2）30第5章压力管路的水力计算由连续性方程可得：321QQQ即：233222211444dVdVdV又∵321ddd∴321VVV联立（1）、（2）、（3）三式，可得：（3）sm67.11Vsm28.12Vsm39.03V则，引入水罐2和3的流量分别为：sm2512.05.0428.14322222dVQsm0765.05.0439.04322333dVQ31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L1＝500m，L0＝500m，L2＝300m，d1＝0.2m，d0＝0.25m，1＝0.029，2＝0.026，0＝0.025，Q0＝100L/s。求Q1、Q2及d2。解：列A、D两断面的能量方程：gVdLgVdLzzDA222000021111sm038.225.04101004232000dQV∴8.92038.225.0500025.08.922.0500029.0520221V32第5章压力管路的水力计算∴sm0646.11Vsm0334.02.040646.14322111dVQsm0666.00334.01010033102QQQ列B、D两断面的能量方程：gVdLgVdLzzDB22