第17讲流体的管内流动及水力计算：管路的串联及并联

二、管路的串联与并联1．串联管路及其计算特点各管段流量相等，总损失为各串联管段的损失之和，全管路总的阻抗等于各管段阻抗之和。2．并联管路及其计算特点并联节点上的总流量为各支管中流量之和；并联各支管上的单位重量流体的阻力损失相等，总管路的阻抗平方根的倒数等于各支管阻抗平方根倒数之和。【例4-16】在[例4-15]中，在保证供水前提下，为节约管材，拟采用两种不同管径的管段串联。试确定两段管子个多少？【解】设的管段长为；的管段长为，则有校核流速1lmmD2001mmD17522l200021ll222211QSQSH22211)(QlAlAsmsmDQv/2.1/96.02.0785.003.04/2211smsmDQv/2.1/25.1175.0785.003.04/2221所以需修正，查表4-8，，即上式应改写为联立，解得035.11k1A222111)(QlAlAkH22103.0)96.18029.9035.1(25ll2101706.000864.0llml10801ml9802【例4-17】某两层楼的供暖立管，管段1的直径为20mm,总长20m，。管段2的直径为20mm，总长为10mm，，管路的λ=0.025，干管中的流量，求和。151152smQ/101351Q2Q【解】从图中可知，节点a、b间并联有1、2两管段。由得222211QSQS1221SSQQ7424211111101.281.902.014.381502.020025.08gDDLS7422104.181.902.014.381502.010025.0S21828.0QQ又因从计算看出：支管1中，管路阻抗比支管2中大，所以流量分配是支管1中的小于支管2中的流量。如果要求两管段中流量相等，显然现有的管径D及必须进行改变，使S相等才能达到流量相等。这种重新改变D及，使在下达到，；的计算，就是“阻力平衡”的计算。22221828.1828.0QQQQQQsmQQ/1055.0828.11332smQQ/1045.01055.0828.0828.03332121QQ21SS21wwhh【例4-18】示图为某电厂循环水系统的主要部分。已知循环水泵出口至凝汽器的压出管长L1=40m，且有90°弯管两个。由凝汽器至冷水塔的排水管长L2=350m，有4个90°弯管。所有弯管的弯曲半径R=820mm，压水管和排水管直径相同，均为D=820mm，管道沿程损失系数λ1=λ2=0.025。循环水泵出口中心至排水管在冷水塔内出口中心高差ΔZ=15m，流量为Q=4675m3/h。设凝汽器铜管数n=2868根，每根铜管长L=6.5m，直径D=23mm，沿程损失系数λ=0.02。凝汽器为双流程。凝汽器水室的过流断面面积为压出管的四倍，凝汽器水室内连续两个90°转弯的。试求循环水泵出口冷却水所必须具有的总能头H为多少？【解】取循环水泵出口中心的水平线为基准面0-0，列泵出口断面1-1与排水管出口断面2-2的能量方程为：式中Z1=0，故循环水泵出口冷却水所必须具有的总能头。又因冷却塔内的压力接近当地大气压力，所以pg2=0，则212222211122wgghgvgpzgvgpzgvgpHg2//211212222whgvzH由图可知，断面1-2之间的管道系统是由压出水管、凝汽器和排出水管组成的复杂管道系统。其中在凝汽器内部由上、下两部分铜管分别并联后通过水室串联自成一个复杂管路系统。因此，整个系统的水力特点是通过压出水管、凝汽器和排出水管的流量均相等，三者总能头损失之和等于系统的总能头损失。其中，凝汽器内的总能头损失等于两个突然扩大，两个突然缩小、水室内连续两个90°转弯以及上、下各一根铜管的沿程损失之和，即321QQQgvdLgvdLgvdLhhhhsskk查局部损失系数表可知，当D1/R=0.82/0.82=1时，90°弯管的局部损失系数ζ90=0.29。按截面突然扩大四倍计算局部损失系数，则截面突然缩小四倍的局部损失系数ζs，查局部损失系数表得ζs=0.375，因为压、排水管管径相同且通过的流量相等，故断面平均流速为564.041112221AAk46.2360082.014.346754422121DQvv凝汽器铜管内断面平均流速为将计算各值和题中已知数值代入hw1-2计算式中并整理可得18.236002868023.014.3467582/422nDQv循环水泵出口冷却水必须具有的总能头为mH36.2305.881.9246.2152mhw05.881.9218.25.12375.02564.0023.025.602.081.9246.2375.0564.0629.082.035040025.02221应用串、并联管路的流动规律，分析一个工程实例。图4-25是室内热水采暖管路系统。被锅炉加热后的热水经管路123流到节点3，开始分流，分出流量Ⅰ经水平管段3-4、立管4-5（带两组散热器）、水平管段5-6流到节点6；另一分支流量Ⅱ经立管3-6（带两组散热器）也汇入节点6。两股流量合流后，经管段6-7、7-8流至循环水泵，并经水泵加压送入锅炉重新加热，被加热的水再次进入管路系统，如此不断地循环流动，流动所需的动力由循环水泵提供。以下着重讨论这种循环管路系统中，各点的压力分布状况，既定性地绘制该系统的水压图（测压管水头线）以及循环泵所应提供的扬程为多少。r+-ZH__TPQ81a7Q7phT2Q65QIIIp34d动水头线78静水头线2h(2,3)h(3,6)56h(6,8)34Hh(1,2)1图5-10热水采暖管路系统及水压图此式表明，循环管路（即闭合管路）系统中，水泵应提供的总水头（扬程）只是用来克服管路因流动阻力造成的全部水头损失。它与系统中各设备（如水箱、散热器、管道）的安装高度无关。这里要提醒注意的是，系统在进行充水时，给水泵的扬程就与安装高度无关，而这属于运行前的充水工况，与循环流动工况截然不同。81lhH【例4-19】按[例4-17]计算结果，在图4-25中的热水采暖系统中，若管段长度，，；管径均为25mm；局部阻力系数，，沿程阻力系数。试确定该系统中循环水泵应提供的总水头（取水的密度为）。mhl120)321(mhl80)876(20)321(12)876(025.0?H3/980mkg【解】因为管段1-2-3和管段6-7-8种的流量相等，则可将它们的阻抗迭加，即42)876()321()(8DdlSS42025.0)1220025.0200025.0(9808711/1072.4mkg42)876()321(02.0)1502.010025.0(9808lSS711/1036.1mkg由[例4-17]知，，循环水泵应提供的总压头总水头为：sLsmQ/55.0/1055.0332sLsmQ/1/1013322)63(2)876()321(QSQSSpH621162111055.01036.11011072.4kPa3.51OmHgpHH223.58.910003.52三、管网计算基础管网：管网是由不同的简单管路以并联和串联管路组合而成。分类枝状管网环状管网1.枝状管网•特点管线于某点分开后不再汇合到一起，呈树枝形状，一般情况下，枝状管网的总长度较短，建造费用较低，工程上大都采用此种管网，但当某处发生事故切断管路时，就要影响到一些用户，所以枝状管网的安全性能较低，但是运行控制较简单。管网水力计算问题•对已建成的管网进行流量和能量损失的计算，以校核动力设备（泵或风机）的容量；•设计新管网，根据实际所需要的流量，布置管网系统，确定管径，进行阻力平衡和能量损失计算，选择合适的动力设备。•水力计算图3-43枝状管网QQQQ123枝状管网是由干管将流量分配至每个支管，且不再汇合的管路系统321QQQQ出入iiQQzhhHew【例4-20】如图示的管路系统中，已知流量，，；主管线各管段长度，，，，沿程阻力系数；各管段局部阻力系数，，，。试确定主管线各管段的管径及压强损失；计算通风机应具有的总压头。hmQ/250031hmQ/500032hmQ/250033ml614ml845ml456ml107802.05.1140.14515.1565.078【解】从末端起，逐段向前进行计算。管段1-4：，取限定流速，初选管径根据管材规格，选用，则管内实际风速为smmQ/695.02500331smv/614mvQvQD384.06695.013.113.14141141'14mmD38014smsmDQDQv/6/15.6)38.0(695.0277.1)13.1(422142214114管径选择合适。应当注意，此管段在选用标准管径时，应使。因流量一点光，流速将提高，这样保证不低于下限流速。管段的阻抗为'1414DD74144214/99.9038.05.138.0602.005.18mkgDdlS管段的压强损失为管段4-5：，取限定流速，初选管径此计算结果，恰与标准管径吻合。故采用。其余计算结果见表4-10。管段5-6和7-8属于同一单管路，流量为22211414/95.43695.099.9mNQSplsmhmQQQ/39.1/5000333145smv/845mvQvQD47.0839.113.113.1445454545'45mmD47045smmQQQQ/78.210000333214若取限定流速，则初选管径因为实际风速，故在选用标准管径时，应使，以保证不高于上限流速。所以采用smv/845mvQvQDD596.0878.213.113.14454454'78'5625647856277.1DQvv'5656DDmmDD6007856最后，将主管线各管段的压强损失按串联管路规律迭加，即可得通风机所需的总压头278564514/26.13645.5786.3495.43mNppppppllllli管段编号设计流量Q（m3/s）限定风速（)初选管径（）实际管径（）实际风速（）阻抗（）压强损失（）1-40.6963843806.1590.9943.954-551.38470470818.0834.855-892.7105966009.837.4357.45vsm/'DmmDmmvsm/S7/mkglip2/mN2．环状管网•特点管线在一公共节点汇合形成一封闭管路。工作的可靠性高，不会因某段管路发生故障切断时而中断其余管线的供给，即运行的安全性强。因此，一般比较重要的场合，如城市集中供热管网、城市给水管网等常采用环状。但这种管网规模大，需管材多，故造价较高，运行控制较复杂。•水力计算1）任一节点（如G点）流入和流出的流量相等。即2）任一闭合环路（ABGFA）中，如果规定顺时针方向流动的阻力损失为正，反之为负，则各管段阻力损失的代数和必等于零。即