第五章 压力管路的水力计算

2020/2/16第五章压力管路的水力计算第五章压力管路的水力计算[教学目的]1、理解串、并联管路和分支管路的特点，熟练计算相关未定参数；2、了解孔口和管嘴出流。[本章的重、难点分析]学习重点：串并联管路和分支管路的相关计算。学习难点：孔口和管嘴出流。2020/2/16第五章压力管路的水力计算[教学内容纲要]1、串联管路定义、水力特性；2、并联管路定义、水力特性；3、分支管路定义、水力特性；4、孔口与管嘴出流孔口出流、管嘴出流。2020/2/16第五章压力管路的水力计算工程中为了输送液体，常须设置各种有压管道如城市供水管网、输送石油的管道等。这类管道的整个断面均被液体所充满，断面的周界就是湿周；所以管道周界上的各点均受到液体压强的作用，因此称为压力管路。压力管道断面上各点的压强，一般不等于大气压强。压力管路：在一定压差下，液流充满全管的流动管路。（管路中的压强可以大于大气压，也可以小于大气压）2020/2/16第五章压力管路的水力计算通常根据这两种水头损失在总损失中所占比重的大小，而将管道分为长管及短管两类：1、长管是指水头损失以沿程水头损失为主，其局部损失和流速水头在总损失中所占的比重很小，计算时可以忽略不计，这样的管道称为长管；2、短管是局部损失及流速水头在总损失中占有相当的比重，而沿程损失可以忽略不计，这样的管道称为短管。2020/2/16第五章压力管路的水力计算一、定义：水头损失与流量的关系曲线二、特性曲线第一节管路的特性曲线llLgVdLgVdllgVdldlgVdlgVhhhfjw当当当其中，222222222224dQAQV代入上式得：把225222284212QQdgLdQgdLgVdLhw2020/2/16第五章压力管路的水力计算管路特性曲线有泵的管路特性曲线225222284212QQdgLdQgdLgVdLhw225222284212QQdgLdQgdLgVdLhwhw2020/2/16第五章压力管路的水力计算第二节长管的水力计算实际工程中，根据长管道布置情况可分为简单长管与复杂管道。复杂管道又可分为串联管道、并联管道及分叉管道。简单管道是最常见的，也是复杂管道的基本组成部分，其水力损失计算方法是各种管道水力计算的基础。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根管子串联在一起的管道系统。2020/2/16第五章压力管路的水力计算计算公式：简单长管一般计算涉及公式vAQgvdlhhfw22whgvgpgvgp22222211连续方程沿程损失能量方程2020/2/16第五章压力管路的水力计算2528QdgLhf15112415.415.4dLQdLQhfRe6424dQAQV层流时因为水力光滑区25.0Re3164.05225220826.082dLQQdgLgVdLhf水力粗糙区在混合摩擦区按大庆设计院推荐的公式877.4123.0877.10802.0dLQAhf2020/2/16第五章压力管路的水力计算mmmfdLQh52流态βm层流4.151水力光滑0.02460.25混合摩擦0.0802A0.123水力粗糙0.0826λ0为了计算方便，hf的计算采用如下通式：其中，β、m值如下：2020/2/16第五章压力管路的水力计算（1）第一类已知：输送流体的性质μ，γ；管道尺寸d，L，Δ；地形Δz；流量Q。求：hf，Δp，i。管路设计计算的三类问题Q、L、d计算Re、判断流态由Re、Δ/d查莫迪图得计算hf2020/2/16第五章压力管路的水力计算分析：Q未知→v未知、Re未知、流态未知→λ无法确定（2）第二类已知：输送流体的性质μ，γ；管道尺寸d，L，Δ；地形Δz；压差Δp。求：流量Q。压差Δp→hf?V、Q2020/2/16第五章压力管路的水力计算假设由Δp、Δz计算v、Re由Re、Δ/d查莫迪图得校核=NewNY由Δp、Δz计算v、QA迭代法（试算法）2020/2/16第五章压力管路的水力计算B绘图法按第一类问题的计算方法，选取足够多Q，算出hf值，然后绘制图形。使用时由hf查找Q即可。2020/2/16第五章压力管路的水力计算考虑两方面的问题①d↑：材料费↑，施工费、运输费↑；V↓，损失↓，管理费用↓。②d↓：一次性费用↓；V↑，损失↑，设备（泵）费↑。如何解决这一矛盾，正是一个管径优选问题。（3）第三类：已知：输送流体的性质μ，γ；管道部分尺寸L，Δ；地形Δz；压差Δp；流量Q。求:经济管径d。2020/2/16第五章压力管路的水力计算迭代法（试算法）由Δp、Δz、Q等已知条件计算与d的函数关系求得Re、Δ/d查莫迪图得校核=NewNY根据与d关系求d假设计算d2020/2/16第五章压力管路的水力计算1、串联管路①定义：由不同管径的管道依次连接而成的管路。②水力特征：各联结点处流量出入平衡，即进入节点的总流量等于流出节点的总流量。全线水头损失为各分段水头损失之和，即：fnffffhhhhhi21二、串、并联管路2020/2/16第五章压力管路的水力计算例：图示供水管路，已知L1=25m，L2=10m，D1=0.15m，D2=0.125m。闸阀1/4开启，流量0.015m2/s，出口通大气。水温100C，设粗糙度0.015mm。试求H。2020/2/16第五章压力管路的水力计算smAQVD8488.0)15.0(410152311smAQVD2223.1)125.0(410152322解：1)求在各管段中的流速2)求局部损失hj查表：在直径为D1的管段，突然收缩：在直径为D2的管段，突然收缩：闸阀开度1/4的局部阻力损失系数：5.01D20.07220.84881.22230.5(170.07)0.8929.829.8jhm117.02020/2/16第五章压力管路的水力计算3）求雷诺数Re查表：100C的水，ρ=999.7kg/m，μ=1.307×10-3pa.s4311110738.910307.115.08488.07.999ReDVD0001.0150015.01d5322210169.110307.1125.02223.17.999ReDVD00012.0125015.02d4)求沿程阻力系数根据Re和相对粗糙度，查莫迪图（或用经验公式）得出λ。0179.010738.93164.0Re3164.025.0425.012020/2/16第五章压力管路的水力计算mhw104.189.08.922223.1125.0100171.08.928488.015.0250179.022whgVzpgVzp2222222111mgVhZZHw18.18.922223.1104.12222215)求总阻力损失6)求H建立1-1和2-2断面的能量方程：0171.010169.1221.00032.0Re221.00032.0237.05237.022020/2/16第五章压力管路的水力计算并联管路的流量等于各个并列联接管道流量之和。②水力特征2、并联管路①定义：为不同直径、不同长度的管道并列连接而成的管系称为并联管路。或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。2020/2/16第五章压力管路的水力计算不同并联管段A→B，单位重量液体的能量损失相同。2020/2/16第五章压力管路的水力计算由于并联支管的水头损失相等，可建立方程：333311111323333321111122DLDLVVgVDLgVDL222211111222222221111122DLDLVVgVDLgVDL332211321AVAVAVQQQQ33331111322221111211DLDLADLDLAAQV2020/2/16第五章压力管路的水力计算3333111113333DLDLVAVAQ2222111112222DLDLVAVAQ111VAQ所以，各支管流量：2020/2/16第五章压力管路的水力计算例：如图所示的具有并联、串连管路的虹吸管，已知H＝40m，l1＝200m，l2＝100m，l3＝500m，d1＝0.2m，d2＝0.1m，d3＝0.25m，λ1＝λ2＝0.02，λ3＝0.025，求总流量Q，不考虑局部水头损失。2020/2/16第五章压力管路的水力计算三、分支管路定义：各支管只在流体入口或出口处连接在一起，而另一端分开不相连接，这样的管路系统叫分支管路。水力特征：1、各节点处出入流量平衡；Q=Q1+Q2+Q32、输送流体所需的总水头等于最长管路所需的水头（干线水头加上最长支路所需的水头）2020/2/16第五章压力管路的水力计算例：如图，已知：L1=500m，L2=300m，L0=500m，D1=0.2m，D0=0.25m，λ1=0.029，λ2=0.026，λ0=0.025，Q0=0.1m3/s，Z1=15m，Z2=14m。不考虑局部损失，求Q1，Q2和D2。2020/2/16第五章压力管路的水力计算解：1）求各管段的过流面积：444222211200DADADA212111121210122gAQDLgAQppzc222222222220222gAQDLgAQppzc在BC段：在AC段：在CE段：202000002gAQDLppc2）建立各管段的能量关系2020/2/16第五章压力管路的水力计算2121111212120200001222gAQDLgAQgAQDLz211112120200001121212gADLgAgAQDLzQ102QQQ(b)求D23）根据分支管路的特点，求未知量(a)求Q1和Q22A2D2222222222220200002222gAQDLgAQgAQDLz2020/2/16第五章压力管路的水力计算例：某水罐1液面高度位于地平面以上z1＝60m，通过分支管把水引向高于地平面z2＝30m和z3＝15m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λ＝0.04（局部阻力损失不计）。试求引入每一水罐的流量Q2、Q3。2020/2/16第五章压力管路的水力计算2121ffhhzzgVdLhgVdLhff2222222221111141.42221VV所以：同理取1-1、3-3两液面列伯努利方程：3131ffhhzz94.22321VV解：取1-1、2-2两液面列伯努利方程：321321dddQQQ321VVV又smVsmVsmV/39.0/28.1/67.1321smQsmQ/0765.0/251.03332所以2020/2/16第五章压力管路的水力计算第三节短管水力计算许多室内管线，集油站及压水站内管线管件较多，属于短管。短管计算问题，多涉及到能量方程的利用：whgVpzgVpz2222221121＝为了使计算简化，常把所有阻力系数综合在一起，再代入能量方程。gVhhhcjfw22出口gVhhhcjfw22出口2020/2/16第五章压力管路的水力计算d1一、综合阻力系数d2gVgVgVgVdlgVdlhhhjfw2222222765432