第四章管路水力计算课件.ppt

第四章,流体的管内流动与水力计算,主要内容,第一节 概 述第二节 圆管内的层流与湍流第三节 管道流动阻力系数的研究第四节 管路的水力计算第五节 管内流动的阻力特性曲线第六节 有压管中的水击,一、圆管与折合管,以等直径圆管作为基本管道来研究流体的运动规律 非圆管道按当量直径所折合成的圆管称为折合管当量直径：将非圆管道按流体实际通过时的过流断面积与流体在该断面上的接触线长度（称为湿周）比对圆管直径所得到的相当几何量。,定义,式中A有效截面积，为流体和固体壁面所接触的周长。,或,非圆形管道的当量直径计算如下,充满流体的正方形管道充满流体的矩形管道,充满流体的圆环行管道充满流体的圆环行管道 充满流体的管束充满流体的管束,判别非圆管流态的临界雷诺数一般采用当量直径作为特征尺度计算,工程中，也有使用管道的水力半径计算,注意：,在应用当量直径进行计算时，矩形截面的长边最大不应超过短边的8倍，圆环形截面的大直径至少要大于小直径3倍。三角形截面、椭圆形截面均可应用当量直径进行计算。但是不规则形状的截面则不能应用。,【例4-1】断面积均为m2的正方形管道，宽高比为4的矩形管道和圆形管道。求：它们各自的湿周和水力半径正方形和矩形管道的当量直径,正方形,边长 湿 周 水力半径,矩形,短边长 湿 周 水力半径,圆形,直径 湿 周 水力半径,以上计算表明，断面面积相等的情况下，只要是断面形状不一样，湿周长短就不相等。湿周越短，水力半径越大，而沿程损失随水力半径的增大而减小。因此当其它条件相同时，方形管比矩形管水头损失少，而圆形管又比方形管水头损失少。所以，从减少损失的观点考虑，圆形管断面是最好的。,当量直径,正方形 长方形,二、进口段流动与充分发展流动,当粘性流体流经固体壁面时，在固体壁面与流体主流之间存在一个流速剧烈变化的区域；在高速流动中，这个流速剧烈变化的区域是一个薄层，称为流动边界层。,流体从一个大容器中经圆弧形进口流入圆管，可以近似认为，进口处的流体流速分布均匀。由于管道内的流体流量一定，沿管道截面流动方向，边界层厚度增加，管道中心部分的流速加快；管道截面上的速度分布发生变化，直到边界层在管道轴心处相交，边界层充满整个流动截面，圆管截面上的速度分布沿流动方向不再发生变化。,将管道截面上的速度分布沿流动方向不再发生变化的流动称为充分发展流动；而将从管道进口到充分发展流动的这一段管道内的流动称为进口段流动。,进口段流动既可以是层流流动，也可以是湍流流动。,判断以临界雷诺数为标准,三、管道内流动分析及管路计算的一些基本假定及依据,定常流 基本管道 充分发展流充分发展流 经济流速系列化管道,管道内流体的流动应满足质量守恒和动量守恒等基本物理定律,四、管路结构与机械能损耗的表述,沿程损失：发生在直管段的损耗。在直管段中，流体的层流或湍流都呈现出平行直线流或缓变流的特点，相邻流体质乎点几平行地沿流道向前做规则运动局部损失：发生在连接元件附近的损耗。流体不仅沿流道向前运动，还有大量的碰撞、涡旋、回流等发生,公式表达,总损失沿程损失局部损失,第二节,圆管内的层流与湍流,一、圆管内的层流流动,设有一无限长水平直圆管，其半径为R，对称轴为x轴，径向为r轴，流体沿x轴向作充分发展的定常层流流动。,沿x轴取一长为dx、半径为r的同轴圆柱形控制体，控制面为CS。,根据定常流动的动量方程有,在充分发展的定常流动条件下，流出控制体的动量的净通量为零，因此作用在控制体上的合外力为零。作用在控制体上的外力主要有控制体两个端面上的压强力、控制体侧面上的粘性切应力以及控制体的重力。忽略控制体的流体重力，并认为两个端面上的压强分布均匀，可以写出控制体的力平衡式在充分发作用在控制体上的外力主要有控制体两个端面上的压强力、控制体侧面上的粘性切应力以及控制体的重力。,控制体的力平衡式为,即,因,流体内的切应力可以表示为,上式表明，在圆管定常流动中，流体中的粘性切应力沿半径r方向为线性分布。在圆管轴线上，切应力为零；在圆管壁面上，切应力最大，称为壁面切应力,根据柱坐标系下的牛顿粘性定律，流体中的粘性切应力可表示为,可得,由于是粘性流体流动，因此壁面处的流体速度满足无滑移条件，即r=R时，u=0。根据壁面处的边界条件，积分常数为,将积分常数代入，由此可得圆管内定常层流流动时的速度分布,（4-10）上式表明，在圆管充分发展的定常层流中，圆管截面上的速度分布为旋转抛物面。圆管充分发展定常层流时管道截面上的切应力分布和速度分布如下图所示。,在圆管轴线上，流体的速度最大，最大速度为将速度分布式(4-10)沿圆管截面积分，可得圆管内的流体体积流量,上式表明，在圆管充分发展的定常层流中，流体的体积流量与管道半径的四次方及单位长度压降成正比，与流体的动力粘度成反比。圆管截面上的平均速度为即圆管截面上的平均速度为最大速度的一半。,在圆管充分发展的定常层流中，单位重量流体在L管长上的沿程损失，即单位重量流体的压降用管道平均速度可以表示为圆管充分发展定常层流中的沿程损失系数可以表示为,可得到计算流体动力粘度的表达式 上式表明，在一定的管径和流体流量条件下，流体的动力粘度可通过测量流体的压降来进行确定。,【例4-2】设有一长度L=1000 m，直径D=150 mm的水平管道，已知管道出口压强为大气压，管道入口表压强为0.965106 Pa；管道内的石油密度=920 kg/m3，运动粘度=410-4 m2/s；求管道内石油的体积流量。,【解】流体的动力粘度 假设管道内的石油流动为层流流动，则平均流速为 石油的体积流量为 验证层流流动假设：管道内流动的雷诺数为 管道内流动的雷诺数小于临界雷诺数，流动为层流流动，计算成立。,【例4-3】已知一圆管的管长L=20 m，管径D=20 mm；圆管中水的平均流速V=0.12 m/s；水温10C时的运动粘度=1.30610-6 m2/s；求该管道的沿程能量损失。,【解】圆管内流动的雷诺数 圆管内的流动为层流流动，因此沿程损失系数 管道沿程能量损失,【例4-4】已知一毛细管粘度计的管径D=0.5 mm，两测点间的管长L=1.0 m，液体的密度=999 kg/m3，当液体的体积流量Q=880 m3/s时；两测点间的压降=1.0106 Pa；求该流体的动力粘度。,【解】假设毛细管内液体的流动为层流流动，则根据式(4-13)可得毛细管内液体的动力粘度验证层流流动假设：毛细管内流动的雷诺数为 管道内流动的雷诺数小于临界雷诺数，流动为层流流动，计算成立。,【例4-5】已知一润滑油输送管道的管径D=0.01 m，管长L=5.0 m；润滑油在管内作层流流动；测得管内润滑油的体积流量Q=0.810-4 m3/s，管道沿程损失hf=30 m；求该润滑油的运动粘度。,【解】管道内润滑油的平均速度 根据式(4-8)，管道内的沿程损失系数为由于是层流流动，根据式(4-12)，沿程损失系数又可表示为,由此可得管内流动的雷诺数根据雷诺数的定义，可得该润滑油的运动粘度,二、圆管中的湍流时均运动,1、圆管内湍流的三层结构湍流粘性底层：紧邻管道壁面，流速很低，并无湍流脉动发生；流体的粘性对流体的流动起主要作用。在管道内的湍流流动中，湍流粘性底层厚度通常可用如下经验公式进行计算,过渡层：管道轴心方向紧邻粘性底层的薄层，湍流脉动已经出现，湍流脉动对流体流动的作用与流体粘性的作用大小在同一数量级。湍流核心区：过渡层到管道轴心区域。湍流脉动对流体的流动起主要作用，而流体粘性的作用则可以忽略。,湍流流场划分为粘性底层、过渡层以及湍流核心区等三个区域,2、管内湍流时均运动的速度分布,圆管内湍流时均速度分布可分层表达为粘性底层 过渡层 湍流核心区,在雷诺数4103 Re 3.2106的范围内，也可将圆管截面上的湍流时均速度分布用指数函数的形式统一表示为式中，umax为圆管截面上时均速度的最大值；y为距壁面的距离；R为圆管半径；n的数值随雷诺数变化。,从湍流流动的时均速度分布中可以看到，湍流脉动使圆管截面上的速度分布均匀化；流动雷诺数越大，时均速度分布越趋向均匀。,【例4-6】圆管内定常湍流流动，已知空气运动粘度=1.5110-5 m2/s，密度=1.2 kg/m3，管径D=0.14 m，体积流量Q=6.410-2 m3/s，单位长度上的压降/l=1.77 Pa/m。求壁面上的摩擦切应力、壁面摩擦速度以及圆管轴线上的速度。,【解】式 也同样适用于湍流时均流动可得 根据壁面摩擦速度的定义,根据湍流核心区速度分布公式可得 因此,第三节,管道流动阻力系数的研究,一、管内流动沿程阻力系数的实验研究,对于层流，沿程阻力系数已经用分析方法推导出来，并为实验所证实；对于紊流时均流，其沿程阻力系数由实验研究确定。国内外都对此进行了大量对实验研究，得出了具有实用价值的曲线图，也归纳出部分经验或半经验公式。,1、尼古拉兹实验,1933年尼古拉兹对不同直径、不同流量的管道流动进行了实验。在双对数坐标中绘制实验结果点，如图所示。图中每一条曲线都表示一种相对粗糙度的管道值和的关系。通过实验中的变化，他把这些实验曲线可以分为五个区域：,1）层流区 Re2000。管壁的相对粗糙度对沿程阻力系数没有影响，所有实验点均落到直线I上，只与Re有关。2）过渡区 2000Re4000。这是个由层流向紊流过渡的不稳定区域，可能是层流，也可能是紊流，如图区域所示。,3）紊流光滑管区 如图中倾斜线所示，各种不同相对粗糙度管流的实验点都落到倾斜线上，随着雷诺数的增大，相对粗糙度较大的管道，其实验点在较小的雷诺数时就偏离了曲线，即实验点在曲线上所占区域非常小；而相对粗糙度较小的管道，其实验点在较大的雷诺数时才偏离曲线，即实验点在曲线上所占区域非常大。沿程阻力系数与相对粗糙度无关，只与雷诺数有关。对于的这段倾斜线，勃拉休斯(HBlasius)归纳的计算公式为,当尼古拉兹归纳的计算公式为,4）紊流粗糙管过渡区 随着雷诺数的增大，紊流流动的层流底层逐渐减薄，原本为水力光滑的管子相继变为水力粗糙管，因而脱离光滑管线段，而进入粗糙管区。图中不同相对粗糙度的管子先后偏离了光滑管区曲线，各自成为一条条波状的曲线，而且随着的增大，也增大。这一区域是光滑管区和粗糙管区的过渡区，其沿程阻力系数与相对粗糙度和雷诺数均有关。,5）粗糙管区（紊流粗糙管平方阻力区）不同相对粗糙度的实验曲线都与横坐标轴平行，沿程阻力系数与雷诺数Re无关，只与相对粗糙度有关，流动进入区域V。在这一区间流动的能量损失与流速的平方成正比。紊流粗糙管过渡区与紊流粗糙管平方阻力区V以图中的虚线为分界线，这条分界线的雷诺数为尼古拉兹归纳的公式,尼古拉兹实验揭示了管道能量损失的基本规律，比较完整的反映了沿程阻力系数随相对粗糙度和雷诺数Re的变化曲线，这样，就为这类管道的沿程阻力的计算提供了可靠的实验基础。但尼古拉兹实验曲线是在人工粗糙管道下得出的，这种管道内壁的粗糙度是均匀的，而实际工程技术中所用的管道内壁的粗糙度则是自然的非均匀的和高低不平的。因此，要把尼古拉兹实验曲线应用于工业管道，就必须用实验方法去确定工业管道与人工均匀粗糙度等值的绝对粗糙度。,2、莫迪图,莫迪在尼古拉兹实验的基础上，用实际工业管道进行了类似的实验研究，绘制出工业管道的沿程阻力系数曲线图，称为莫迪图。其中也应用了柯列布茹克（CFColebrook)公式。,如图中所示，该图也分为五个区域即层流区、临界区(相当于尼古拉兹曲线的过渡区)、光滑管区、过渡区(尼古拉兹曲线的紊流粗糙管过渡区)、完全紊流粗糙管区(尼古拉兹曲线的紊流祖糙管平方阻力区)。皮勾(BJSPigott)推荐的过渡区同完全紊流粗糙管区之间分界线的雷诺数为,【例4-7】已知通过直径，长、绝对粗糙度铸铁管道的体积流量，运动粘度m2/s，试求单位重量流体的能量损失。,【解】油在管道内的平均流速雷诺数而,所以流动处于紊流粗糙管平方阻力区，沿程阻力系数则 由上例可以知道，在已知管道尺寸（、D、）、流体性质和流量(Q)的条件下，要求水头损失(hf)，是容易求得的；只需算出Re、，由莫迪图查得，代入达西公式，即可求得。,【例4-8】15的水，流过一直径D300mm的铆接钢管。已知绝对粗糙度=3mm，在长l=300m的管道上水头损失，试求水的流量Q。【解】管道的相对粗糙度 由莫迪图试取。整理，得,由于15的水的运动粘度 m2/s，于是根据Re与由莫迪图适巧查得=0.038，且流动处于平方阻力区，不随Re而变，故水的流量,假如根据Re与由莫迪图查与试选的 值不相符合时，则应以查得的为改进的值，再按上述步骤进行计算，直至最后由莫迪图查得的 值与改进的 值相符合为止。可见，在已知管道尺寸(D、)、流体性质()和水头损失(hf)的条件下，要求通过管道的流量（Q）,则需采用试算的方法。,3、非圆管流的沿程损失,在工程应用中输送流体的管道不一定都是圆形截面，例如通风、空调系统的管道大多都采用矩形截面，有些场合还会遇到圆环形管道。在锅炉或其它换热器中还会遇到沿管束流动等更为复杂的情况。对于这些非圆形管道的阻力计算问题，沿程阻力的计算公式和雷诺数的计算公式对于这些非圆形管道的阻力计算问题，沿程阻力的计算公式和雷诺数的计算公式仍然可以应用，但要把公式中的直径D用当量直径来代替。,【例4-9】用镀锌钢板制成的矩形风道长m，截面积为，风速m/s，风温t20，试求沿程损失。设若风道入口截面1处的风压Pa，而风道出口截面2比截面1的位置高10m，求截面2处的风压。,【解】风道的当量直径（m）20空气的运动粘度 m2/s，故雷诺数由于镀锌钢板的绝对粗糙度 m，则相对粗糙度由图4-31查的，,故沿程损失（m）在等截面管道中动能没有变化，20空气的密度 kg/m3，故由粘性总流的能量方程求得截面2处的压强（Pa）,二、管内流动局部阻力系数的实验研究,局部阻力的计算问题归结为寻求局部阻力系数的问题。管道配件种类繁多，形状各异。在管道配件附近，流体的流动状态发生急剧改变。局部阻力系数都是由实验测定的。,1管道截面突然扩大,损失原因1）碰撞损失2）漩涡损失特例：管道出口与大面积的水池相连也属于流道断面突然扩大的情形（如下右图）。这时，管道中的速度水头完全消散于池水之中，其局部阻力系数。,由于管道突然缩小或扩大所造成的能量损失较大，在实际工程安装中，管道截面积需要减小或扩大时，常用的是渐缩管或渐扩管，这样可以大大减小此处的局部阻力损失。,2管道截面突然缩小,损失原因1）碰撞损失2）漩涡损失,3、阀门,管路中的阀门可视作流动截面的改变，不同的阀门有不同的局部阻力系数，其局部阻力系数与阀门的开度（）或转角（）有关具体数据可参考表,4弯管,流体在弯管处流向改变，产生损失。损失由三部分组成，一部分是由切向应力产生的沿程损失，特别是在流动方向改变、流速分布变化中产生的这种损失；另一部分是由于曲面附面层分离所产生的损失；第三部分是由二次流形成的双螺旋流动所产生的损失。,5、三通,流体流经三通等管件时，流体的流量将发生变化，从而使流动速度发生变化，所以可引起局部能量损失。三通的形式很多，但一般情况下，根据流量变化的特征，把它分为分流式和汇流式两种。三通的局部阻力一方面取决于它的几何参数（截面比、角度等），另一方面还取决于三通前后流量的变化。,注意：查表可发现，某个分支的局部阻力系数可能出现负值。这是因为两股不同流速的流体汇流时，或者流体分流为两股不同流速的流体时，高速支流将其部分能量传递给了低速支流，使低速支流能量有所增加。如果低速支流获得的能量大于它通过三通时损失掉的能量，则表现出的局部阻力系数就是负值。但是三通中两支流的阻力系数不可能同时为负值，即两支流的能量损失之和为正，总能量只能减少，不能增加。,讨论的都是单个管件的局部阻力，但在实际工程中，管道的安装中会有很多的管道配件，也就是说流体在同一管道系统中，存在许多地局部阻力损失，当两个管件非常靠近时，由于相互影响的存在，如果把两个管件的局部阻力相叠加，则常较实际的阻力大。这样去计算管道系统所需的动力，肯定是不安全的。如果要较精确地确定两相邻管件的能量损失，则要通过实验去测定它们总的压强损失，而不应简单叠加。,【例4-10】如图所示，两水箱被两段不同直径的管道相连，已知：m，m m，；m，mm，。管路中的局部管件有：1为管道入口，2和5为弯头，3为渐缩管（），4为闸阀，5为管道出口。若两水箱水面的高差m，求输送流体流量。,【解】以水箱中的低液面为基准列两个液面的能量方程其中由连续性方程得,即两式联立得,【例4-11】如图所示，水从水箱中流出，设水箱的水位恒定，m。管道直径mm，管长m，沿程阻力系数。每个弯管的曲率半径mm。喷嘴出口直径mm，喷嘴的局部阻力系数（对于喷嘴出口流速而言）。若不计水在空气中的流动阻力。试求：（1）水从喷嘴喷出的水流速度；（2）距喷嘴下方m处的水流速度。,【解】（1）以截面2-2为基准，列1-1截面和2-2截面的伯努利方程，取，得由连续性方程得：管道入口局部阻力系数：,查表4-7知弯管局部阻力系数为：两式联立得,（2）以2-2截面为基准，列2-2截面和3-3 截面的能量方程，取，得,第四节,管路的水力计算,在生产或生活中输送流体的各种管路，如供热管路、给水管路、通风除尘的送排风管路等，都会遇到管路计算问题，即确定流量、水头损失及管道的几何尺寸之间的相互关系，工程上称之为管路的水力计算。,分类,长管和短管 进行水力计算时，按照沿程损失和局部损失在总损失中所占的比例大小而将管路分为“长管”和“短管”两种。简单管路和复杂管路,管路水力计算的主要任务,已知管径D、流量Q，求管路系统中的阻力损失hW；已知流量Q、阻力损失hW，确定管径D；已知管径D、阻力损失hW，核算管路系统通过流体的能力Q。,一、简单管路及其水力计算,1、短管的计算,则得水箱的水位高度H，又称为管流的作用水头为 式中，为综合反映管道流动阻力情况的系数，称为管道阻抗，单位为；管流的作用水头的单位为。,对于下图所示的气体管路,方程为 包含风管出口处的局部阻力系数。p为管流风机的作用压头，单位为Pa或N/m2；为气体管道阻抗，单位为kg/m7。,阻抗：管路通过单位流量的流体时的能量损失,阻抗又称管路特性系数。对于给定的管路系统，D、L为一定值，阻抗只随和 变化。其中，与流动状态及管道粗糙状况有关，当流动处于阻力平方区时，仅与相对粗糙度/D有关，所以在管材已定的情况下，值可视为常数。项中只有进行调节的阀门的可以改变，而其它局部构件已确定时，其局部阻力系数是不变的。管路特性系数对已给定的管路而言，它综合反映了管路上沿程阻力和局部阻力的情况。,【例4-12】某矿渣混凝土矩形风道，绝对粗糙度=1.5mm，断面面积为1m1.2m，长为50m，局部阻力系数，流量为14m3/s，空气温度为20，求风压损失。,【解】确定沿程阻力损失系数查表知：20空气的运动粘滞系数=15.710-6m2/s矩形风道的当量直径De为气体在管路中的流动速度求雷诺数Re 相对粗糙度查莫迪图得=0.021,2.计算值，求风压损失p,对矩形风道矩形风道的风压损失为,【例4-13】虹吸管系统如图所示，如已知上下游液面差，管道直径，。设管道进出口的局部阻力系数均为，弯管的局部阻力系数为，沿程阻力系数，试求虹吸管的过流能力及管顶C的最大允许安装高度。,例4-13图 虹吸管输水系统,【解】(1)由两水面之间的机械能关系，可写出 上式说明,虹吸管的上、下游液面差就是用于克服管流阻力，而使水从上游自动流向下游，故称H为虹吸管的作用水头。由上式可得,式中 则流量为,（2）求允许的安装高度 能够分析得出最高点C是虹吸管内压强最低的点。因此列1-1和C点所在断面的能量方程，以1-1为基准面得式中，.可见C点的压强必为负值.其实,高于上游液面的管内各点压强均为负压，由于虹吸管内形成了真空，使水灾大气压的作用下连续不断流尽虹吸管。,管内的真空度是有限制的,不能无限增大。真空的出现使溶解在水中的部分空气分离出来。如数量不大，它会被水流带走；如真空度过大，分离出来的空气急剧增多，将聚集在C断面处，形成气塞，严重影响虹吸管得过流能力，甚至可能导致断流。工程尚未保证通过虹吸管的流量，一般限制管内最大真空度不得超过mH2O，因此，虹吸管设定的最大允许安装高度为,【例4-14】如图所示，一简单管路系统借助于一台泵将低压容器A中的液体送到高压容器B中，若已知吸水池与压水池液面压力分别为，管路系统的总长度L=30m，管路直径。设管道进口的局部阻力系数均为，出口的局部阻力系数为，弯管的局部阻力系数为，沿程阻力系数，管路系统输送的流量为。求管路系统所需求的能头H。,【解】列吸水池液面A-A与压水池液面B-B的能量方程式，经整理得,Hp管路系统中所要提高的压能；hw管路系统中所要克服的阻力损失。由简单管路的定义可知，管路系统具有相同的流量和管径，所以各过流断面平均流速均相等。,因此，该简单管路中总阻力损失,2长管的计算,对于长管来说，其管中局部损失比沿程损失小得多，可忽略不计。又有,【例4-15】如图所示，为一水塔向车间供水的简单管路系统。全长，水塔高度，水塔处地面标高，用户要求自由水头，车间的地面标高，设计流量，试确定给水管道的直径D。按长管计算。,【解】列水塔水面和用水点的能量方程,则作用水头：可求得管道的比阻A,由表4-8可知：当取时，当取时，当作用水头和管长一定时，若采用较小的管径，比阻会大于计算结果，从而使流量减少。为了保证设计流量，就得选用管径的管道。,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,所以需修正，查表4-8，即上式应改写为联立，解得,【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=0.025，干管中的流量，求 和。,【解】从图中可知，节点a、b间并联有1、2两管段。由 得,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。,【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1=2=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Z=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=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,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,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90=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s，查局部损失系数表得s=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,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,循环水泵出口冷却水必须具有的总能头为,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。,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。,【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）。,【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,由例4-17知，循环水泵应提供的总压头总水头为：,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,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,【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。,【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,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,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,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,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,2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,计算程序,将管网分成若干环路，如下图上分成、三个闭合环路。按节点流量平衡的原则确定流量Q，选取限定流速v，定出管径D。按照上面规定的流量与损失在环路中的正负值，求出每一环路的总损失。,根据上面给定的流量Q，若计算出来的不为零，则每段管路应加校正流量Q，而与此相适应的阻力损失修正值为hwi。所以，略去二阶微量因为,所以对于整个环路应满足，则所以有,当计算出环路的Q之后，加到每一管段原来的流量Q上，便得到第一次校正后的流量Q1。用同样的程序，计算出第二次校正后的流量Q2，第三次校正后的流量Q3，直至 满足工程精度要求为止。,【例4-21】如图示由两个闭合环路构成的管网。管段的长度L、直径D及流量Q已标在图上。忽略局部阻力，试求第一次校正后的流量。,【解】（1）按节点 分配各管段的流量，列在表中假定流量栏内。（2）计算各管段阻力损失hwi 先算出Si填入表中Si栏中，再计算出hwi填入相应栏内。列出各管段 之比值，并计算、。,（3）按校正流量Q公式，计算出环路中的校正流量QV（4）将求得的Q加到原假定流量上，便得出第一次校正后流量。（5）注意：在两环路的共同管段上，相邻环路的Q符号应反号再加上去。参看表中CD、DC管段的校正流量。,第五节,管内流动的阻力特性曲线,概念：管路流动的阻力特性曲线是流体在管路系统中通过的流量与所需要的水头（或能头）之间的关系曲线。计算：如图所示，液体输送系统，由贮液槽、受液槽、泵和管路组成。假设贮液槽和受液槽的压力分别为 和，两个液面之间的高度差为，则可通过列断面1-1和2-2之间的能量方程，得到其管路特性曲线,其中 为管路阻抗。上式为管路的阻力特性曲线，表示特定管路系统中、恒定流动条件下，动力设备所提供的能量和管路系统流量之间的关系，可以看出，提供的能量随系统流量的平方而变化，将此关系绘制在流量和压头为坐标的直角坐标系中，如下图所示。它是一条在纵轴上截距为 的抛物线。,同一管路系统中，恒定操作条件下，管路阻抗为一常数。若操作条件改变，则管路阻力会发生变化，随之变化，-也会相应变化。例如将离心式泵的出口管路上的节流阀关小时，管路的阻力将增大，管路阻力特性曲线将变陡，如图中的线。当阀门开大时，管路阻力将减小，管路阻力特性曲线将平缓，如图中的线。,相应的气体管路的特性曲线方程为：当 时，上式可简化为：,【例4-23】某管路系统风量为 时，系统阻力为，试绘出管路阻力特性曲线。假定管路阻力特性曲线中。,【解】由于，风机的全压就等于管路系统的阻力，即。管路阻力特性曲线为：（1）计算气体管路的阻抗：则该管路系统的阻力特性曲线为：,描点法可得其管路阻力特性曲线如图所示。管路阻力特性曲线,（2）绘制管路阻力特性曲线,第六节,有压管中的水击,前面讨论的都是不可压缩性流体的稳定流动,没有考虑流体的压缩性。但液体在有压管道中发生的水击现象，则必须考虑液体的压缩性，同时还要考虑管壁材料的弹性。,一、水击现象,概念 当液体在压力管道中流动时，由于某种外界原因（如阀门的突然开启或关闭，或者水泵的突然停车或启动，以及其它一些特殊情况）液体流动速度突然改变，引起管道中压力产生反复的、急剧的变化，这种现象称为水击（或水锤）。,特点 水击现象发生后，引起压力升高的数值，可能达到正常压力的几十倍甚至几百倍，而且增压和减压交替频率很高，其危害性很大，会使管壁材料及管道上的设备承受很大的应力，产生变形，严重时会造成管道或附件的破裂。,特点压力的反复变化会使管壁及设备受到反复的冲击，发出强烈的振动和噪音，尤如管道受到锤击一样，故又称为水锤。这种反复的冲击还会使金属表面损坏，打出许多麻点，轻者增大了流动阻力，重者损坏管道及设备。,危害 水击对各种工业管道和生活中的供水管道、水泵及其连接的有关设备的安全运行都是有害的，特别是在大流量、高流速的长管中以及输送水温高、流量大的水泵中更为严重。,应用 水锤泵（又称水锤扬水机）就是利用水击压力变化反复工作的，且不需要任何其它动力设备。,二、水击的传播过程,1压缩过程 如图所示，长度为L的管道上当阀门突然关闭后，首先在N-N断面上液体停止了流动，同时压力升高ph。然后相邻的另一层液体也停止了流动，压力也相应升高ph。这种压力升高以水击波的传播速度a由阀门处一直向管道进口传播，如图（a）所示。经时间传到管道进口，这时整个管道中压力都升高到p+ph。液体受到压缩，密度增高，管壁膨胀，这是一个减速增压的压缩过程。,2压缩恢复过程 压缩过程结束后，管道中各处压力都比M-M断面的左侧容器中压力高了ph。在压力差ph的作用下，M-M断面右侧相邻的一层液体将以速度v由管道流回容器内，如图（b）所示。与此同时，这层液体的压力由p+ph恢复到正常的压力p，管壁的膨胀也得到恢复，这种恢复以水击波的传播速度a向管道末端N-N传播。从阀门关闭时间算起，经过时间 后，由M-M传播到N-N断面，使整个管道都恢复到正常数值。该过程是一个增速减压的压缩恢复过程。,3膨胀过程 压缩恢复过程结束后，液体并不能停止流动，在惯性的作用下，液体还将以速度v继续向容器内流动，阀门N-N处液体首先减少，使其压力由p降低到p-ph。因而液体密度减小，体积膨胀，管壁相应收缩，同时液体的流动速度也降为零。这一膨胀仍以水击波速度a向M-M断面传播如图（c）所示。从阀门关闭时间算起，经过时间 后，使管道中的液体都处于膨胀状态，压力比正常情况下的压力降低了ph。此过程为减速减压的膨胀过程。,4膨胀恢复过程结束后，由于容器内的压力高于管道内的压力，在压差的作用下，液体以速度v流向管内如图（D）所示。最先使管道进口M-M处的压力恢复到正常情况下的压力，管壁也恢复到正常情况。然后压力的恢复由 M-M断面以水击波的传播速度a向N-N断面传播。从关闭阀门时算起，经过时间，完成了增速增压的膨胀的过程，使整个管道中液体的压力、密度都恢复到了正常值，从而结束了一个周期的水击变化过程。,水击的传播过程,断面N处水击压力随时间的变化情况,若不考虑水击传播过程中的能量损耗，在t4时间后，管道中的压力又要重复上述变化过程将一直周期地进行下去，如图（a）所示。实际由于流动的阻力及管壁变形的能量耗损，水击压力将迅速衰减，直至消失，如图（b）所示。,综观上述分析不难得出：引起管路中速度突然变化的因素（如阀门突然关闭），这只是水击现象产生的外界条件，而液体本身具有可压缩性和惯性是发生水击的内在原因。,三、水击的类型,正水击：阀门迅速关小，流量急剧减少，表现为管道中压力骤然升高的水击。负水击：阀门迅速开大，流量急剧增大，表现为管道中压力骤然下降的水击。,四、消除水击的措施,尽可能的延长阀门的启闭时间，缩短管道长度，避免直接水击发生；减小流速，从而降低水击压力。可采用增大管道直径或限制流速的办法，（一般液压系统中最大流速限制在57m/s左右）。,采用过载保护，在可能产生水击的管道中装设安全阀、调压塔、溢流阀和蓄能器等以缓冲水击压力。增加管道弹性，例如液压系统中，铜管和铝管就比钢管有更好的防水击性能，或采用弹性较大的软管，如橡胶或尼龙管吸收冲击能量，则可更明显地减轻水击。,小 结,本章应用流体力学基本方程导出的质量守恒、机械能守恒基本关系式，结合流体在管道中流动的特点，从工程应用的角度，介绍了管路水力计算的方法。并简单介绍了管道内的水击现象。,