壓力管道水力計算課件

工程流體力學

第五章壓力管路的水力計算

主講：劉恩斌

2011年10月工程流體力學

第五章壓力管路的水力計算

主講1有壓管道：管道被水充滿，管道周界各點受到液體壓強作用，其斷面各點壓強，一般不等于大氣壓強。液體管壁有壓管道液體自由面管壁無壓管道壓力管道計算原理工程中，常用各種有壓管道輸送液體，如水電站壓力引水鋼管；水庫有壓泄洪隧洞或泄水管；供給的水泵裝置系統(tǒng)及管網(wǎng)；輸送石油的管道。

有壓管道：管道被水充滿，管道周界各點受到液體壓強作用，其斷面2

管道按布置分

簡單管道

復雜管道

串聯(lián)管道

并聯(lián)管道

分枝管道

短管

長管

兩種水頭損失大小比重局部水頭損失、流速水頭占總水頭損失比例較大（大于5%），計算時不能忽略沿程水頭損失水頭為主，局部損失和流速水頭在總水頭損失中所占比重很小，計算時可忽略。管道按布置分簡單管道復雜管道串聯(lián)管道并聯(lián)管道31長管和短管不按管道絕對長度決定。2當管道存在較大局部損失管件，例如局部開啟閘門、噴嘴、底閥等。既是管道很長，局部損失也不能略去，必須按短管計算。

3長管：忽略局部水頭損失和流速水頭（沿程損失不能略去），計算工作大大簡化，其對結果又沒有多大影響。注意

1長管和短管不按管道絕對長度決定。

4壓力管道水力計算的主要內(nèi)容就是確定水頭損失，包括沿程水頭損失和局部水頭損失。壓力管道水力計算的主要內(nèi)容就是確定水頭損失，包括沿程水5§5.1管路特性曲線1．管路系統(tǒng)的水力特性管路系統(tǒng)的性能曲線：管路系統(tǒng)流量和水頭損失關系曲線（qV

~hf）§5.1管路特性曲線1．管路系統(tǒng)的水力特性管路系統(tǒng)的性能62．泵的水力特性泵性能曲線：水泵的出水流量qV分別與揚程H、效率、軸功率N的關系曲線（qV

~H，qV

~，qV

~N曲線）。其中：水泵的qV

~H關系曲線稱為水泵的水力性能曲線2．泵的水力特性泵性能曲線：水泵的出水流量q73．泵與管路系統(tǒng)的水力耦合工況M點工況為設計工況;qVm為設計流量;Hm為設計水頭。工況點M變，則服務水頭Hz變；水泵水力性能曲線越平坦則供水越穩(wěn)定；在管網(wǎng)設計時，必須校驗并使之滿足在最大流量下控制點的服務水頭滿足設計要求。Hg=Hz+（zt―z0）3．泵與管路系統(tǒng)的水力耦合工況M點工況為設計工況;工況點M變8§5.2長管的水力計算管道的種類:簡單管道串聯(lián)管道并聯(lián)管道一、簡單管道管道直徑和管壁粗糙度均相同的一根管子或這樣的數(shù)根管子串聯(lián)在一起的管道系統(tǒng)。

計算基本公式連續(xù)方程沿程損失能量方程§5.2長管的水力計算管道的種類:簡單管道串聯(lián)管道并聯(lián)管9§5.2長管的水力計算層流水力光滑水力粗糙混合摩擦列賓宗公式§5.2長管的水力計算層流水力光滑水力粗糙混合摩擦列賓宗10三類計算問題（1）已知qV、l、d、、Δ

，求hf；（2）已知hf、l、d、

、Δ

，求qV；（3）已知hf、qV、l、、Δ

，求d。簡單管道的水力計算是其它復雜管道水力計算的基礎。三類計算問題（1）已知qV、l、d、、Δ，求hf；（11第一類問題的計算步驟（1）已知qV、l、d、、Δ

，求hf；qV、l、d計算Re計算計算hf第一類問題的計算步驟（1）已知qV、l、d、、Δ，求12第二類問題的計算步驟（2）已知hf、l、d、

、Δ

，求qV；假設

由hf計算v、Re計算New校核New=NewNY由hf計算v、qV第二類問題的計算步驟（2）已知hf、l、d、、13第三類問題的計算步驟（3）已知hf、qV、l、、Δ

，求d。hf

qVlΔ計算與d的函數(shù)曲線計算New校核New=NewNY由hf計算v、qV第三類問題的計算步驟（3）已知hf、qV、l、、Δ14二、串聯(lián)管道由不同管道直徑和管壁粗糙度的數(shù)段根管子連接在一起的管道。ABH21串聯(lián)管道特征1.各管段的流量相等2.總損失等于各段管道中損失之和二、串聯(lián)管道由不同管道直徑和管壁粗糙度的數(shù)段根管子連接15兩類計算問題ABH21（1）已知串聯(lián)管道的流量qV，求總水頭H；（2）已知總水頭H，求串聯(lián)管道的流量qV

。兩類計算問題ABH21（1）已知串聯(lián)管道的流量qV，求總水頭16v0Q1Q2Q3q1q2l1

d1l2

d2l3

d3hf1hf2hf3H11按長管計算v0Q1Q2Q3q1q2l1d1l2d2l17上式是串聯(lián)管道的基本公式，聯(lián)立以上三式，可解算Q、d、H等問題。

IR1UIR2IR3上式是串聯(lián)管道的基本公式，聯(lián)立以上三式，可18v0Q1Q2Q3q1q2l1

d1l2

d2l3

d3hf1hf2hf3H11在長管的條件下，各段的測壓管水頭線與總水頭線重合，管道水頭線呈折線，因為各管段流速不同，水頭線坡度也各不相同。v0Q1Q2Q3q1q2l1d1l2d2l19v01l1

d1

v1l2

d2v2l3

d3

v3v3H1α2

v222gα1

v122gα3v322g按短管計算v01l1d1v1l2d2v2l3d320v01l1

d1

v1l2

d2v2l3

d3

v3v3H1α2

v222gα1

v122gα3v322g對上游斷面和出口斷面列能量方程，則

v01l1d1v1l2d2v2l3d321三、并聯(lián)管道由幾條簡單管道或串聯(lián)管道，入口端與出口端分別連接在一起的管道系統(tǒng)。并聯(lián)管道特征1.總流量是各分管段流量之和。2.并聯(lián)管道的損失等于各分管道的損失。AQQ1d1hw1Q2d2hw2Q3d3hw3BQ特點：一般按長管進行水力計算三、并聯(lián)管道由幾條簡單管道或串聯(lián)管道，入口端與出口端22兩類計算問題（1）已知A點和B點的靜水頭線高度（即z+p/g)，求總流量qV；AQQ1d1hw1Q2d2hw2Q3d3hw3BQ假設

由hf計算v、Re由Re、查莫迪圖得New校核New=NewNY由hf計算v、qV求解方法相當于簡單管道的第二類計算問題。兩類計算問題（1）已知A點和B點的靜水頭線高度（即z+p/23（2）已知總流量qV

，求各分管道中的流量及能量損失

。假設管1的q’V1

由q’V1計算管1的h’f1

由h’f1求q’V2和

q’V3h’f1=

h’f2=

h’f3q’V1=qV1N結束計算按q’V1、q’V2和q’V3的比例計算qV1、qV2和qV3計算h’f1、

h’f2和h’f3YAQQ1d1hw1Q2d2hw2Q3d3hw3BQ（2）已知總流量qV，求各分管道中的流量及能量損失。假設24QhfQHABhfAhf1=hf2=hf3=hfl1d1

Q1l3d3

Q3l2d2Q2HBHA設各管徑、流量為di、Qi

，i=1，3，考慮能量方程，則

QhfQHABhfAhf1=hf2=hf3=hfl1d125QhfQHABhfAhf1=hf2=hf3=hfl1d1

Q1l3d3

S3Q3l2d2K2Q2HBHA各支的流量與總流流量之間應滿足連續(xù)方程，即

QhfQHABhfAhf1=hf2=hf3=hfl1d126各支水頭損失，按長管計算，則

各支的流量與總流流量之間應滿足連續(xù)方程，即

設各管徑、流量分別為di、Qi

，i=1，3。考慮每一支的能量方程，則

各支水頭損失，按長管計算，則各支的流量與總流流量之間應滿足27

hf求出后，再求出各支管的流量

若總流的流量及各并聯(lián)支管的直徑、長度、和粗糙度已知時，可求出總流量、支流量以及水頭損失；hf求出后，再求出各支管的流量若總流的流量28四、分枝管路分支管道特征流入?yún)R合點的流量等于自匯合點流出的流量。四、分枝管路分支管道特征流入?yún)R合點的流量等于自匯合點29計算問題－新建管道，確定管徑、起點壓力已知管網(wǎng)結構形式（地形、長度、用戶位置）、用量、用戶所需水頭，確定管徑和管網(wǎng)起點水壓。213Jz2z1z31根據(jù)管網(wǎng)布置圖，將管網(wǎng)分段編號3按照終點流量要求，確定各段流量4以經(jīng)濟流速確定各段管徑5取標準管徑后，計算流速和摩阻6按長管計算各段水頭損失hw7按串聯(lián)管道計算起點到控制點的總水頭損失。2選定主干線，一般從起點到最遠點計算問題－新建管道，確定管徑、起點壓力已知管網(wǎng)結構形30壓力管道水力計算課件31壓力管道水力計算課件32歐洲天然氣管道

北海海底管網(wǎng)阿意輸氣管道歐洲天然氣管道北海海底管網(wǎng)阿意輸氣管道33美國天然氣管道

灣流管道系統(tǒng)美國天然氣管道灣流管道系統(tǒng)34一個抽水系統(tǒng)通過水泵轉動轉輪的作用，在水泵進水口形成真空，使水流在池面大氣壓強的作用下沿吸水管上升，流經(jīng)水泵時從水泵獲得新的能量，進入壓力管，再流入水塔。1水泵吸水管的水力計算5.4短管的水力計算吸水管和壓力水管吸水管:短管壓力水管:長管一個抽水系統(tǒng)通過水泵轉動轉輪的作用，在水泵進水口形成35例1如圖所示的離心泵，抽水流量qVh=306m3/h，吸水管長度為l=12m,直徑d=0.3m，沿程損失因數(shù)=0.016，局部損失因數(shù)：帶底閥吸水口1=5.5，彎頭2=0.3。允許吸水真空度[hv]=6m，試計算此水泵的允許安裝高度HS。解：取基準面，列斷面1–1、2–2的伯努利方程其中將=0.016，l=12m，d=0.3m，，代入上式可得例1如圖所示的離心泵，抽水流量qVh=306m3/h，36§5.5孔口和管嘴泄流流體在水頭或壓差作用下流過器壁孔口或孔板都稱為孔口出流。薄壁孔口：厚壁孔口：

小孔口：大孔口：§5.5孔口和管嘴泄流流體在水頭或壓差作用下流過器壁孔口37一、定水頭孔口泄流令收縮系數(shù)

一、定水頭孔口泄流令收縮系數(shù)38

391140

完善收縮：不完善收縮：局部收縮：CDAaL>3aBbL>3bL>3aL>3b完善收縮：不完善收縮：局部收縮：CDAaL>3aBbL>41二、管嘴泄流管嘴出流流量公式二、管嘴泄流管嘴出流流量公式42比較孔口和管嘴的流速系數(shù)和流量系數(shù)管嘴ε=1=0.82μ=0.82孔口ε=0.64=0.97

μ=0.62二、管嘴泄流比較孔口和管嘴的流速系數(shù)和流量系數(shù)管嘴孔口二43壓力管道水力計算課件44柱狀管嘴內(nèi)的真空度列c-c,2-2斷面的伯努力方程突然擴大：柱狀管嘴內(nèi)的真空度列c-c,2-2斷面的伯努力方程突然45壓力管道水力計算課件46壓力管道水力計算課件47各種管嘴的出流系數(shù)外伸管嘴薄壁孔口內(nèi)伸管嘴擴張管嘴收縮管嘴流線性管嘴損失系數(shù)ζ收縮系數(shù)Cc流速系數(shù)Cv流量系數(shù)Cq0.060.510.0940.040.63110.98110.970.820.710.960.450.980.610.820.710.950.450.98各種管嘴的出流系數(shù)外伸管嘴薄壁孔口內(nèi)伸管嘴擴張管嘴收縮管嘴流48

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第五章壓力管路的水力計算

主講：劉恩斌

2011年10月工程流體力學

第五章壓力管路的水力計算

主講49有壓管道：管道被水充滿，管道周界各點受到液體壓強作用，其斷面各點壓強，一般不等于大氣壓強。液體管壁有壓管道液體自由面管壁無壓管道壓力管道計算原理工程中，常用各種有壓管道輸送液體，如水電站壓力引水鋼管；水庫有壓泄洪隧洞或泄水管；供給的水泵裝置系統(tǒng)及管網(wǎng)；輸送石油的管道。

有壓管道：管道被水充滿，管道周界各點受到液體壓強作用，其斷面50

管道按布置分

簡單管道

復雜管道

串聯(lián)管道

并聯(lián)管道

分枝管道

短管

長管

兩種水頭損失大小比重局部水頭損失、流速水頭占總水頭損失比例較大（大于5%），計算時不能忽略沿程水頭損失水頭為主，局部損失和流速水頭在總水頭損失中所占比重很小，計算時可忽略。管道按布置分簡單管道復雜管道串聯(lián)管道并聯(lián)管道511長管和短管不按管道絕對長度決定。2當管道存在較大局部損失管件，例如局部開啟閘門、噴嘴、底閥等。既是管道很長，局部損失也不能略去，必須按短管計算。

3長管：忽略局部水頭損失和流速水頭（沿程損失不能略去），計算工作大大簡化，其對結果又沒有多大影響。注意

1長管和短管不按管道絕對長度決定。

52壓力管道水力計算的主要內(nèi)容就是確定水頭損失，包括沿程水頭損失和局部水頭損失。壓力管道水力計算的主要內(nèi)容就是確定水頭損失，包括沿程水53§5.1管路特性曲線1．管路系統(tǒng)的水力特性管路系統(tǒng)的性能曲線：管路系統(tǒng)流量和水頭損失關系曲線（qV

~hf）§5.1管路特性曲線1．管路系統(tǒng)的水力特性管路系統(tǒng)的性能542．泵的水力特性泵性能曲線：水泵的出水流量qV分別與揚程H、效率、軸功率N的關系曲線（qV

~H，qV

~，qV

~N曲線）。其中：水泵的qV

~H關系曲線稱為水泵的水力性能曲線2．泵的水力特性泵性能曲線：水泵的出水流量q553．泵與管路系統(tǒng)的水力耦合工況M點工況為設計工況;qVm為設計流量;Hm為設計水頭。工況點M變，則服務水頭Hz變；水泵水力性能曲線越平坦則供水越穩(wěn)定；在管網(wǎng)設計時，必須校驗并使之滿足在最大流量下控制點的服務水頭滿足設計要求。Hg=Hz+（zt―z0）3．泵與管路系統(tǒng)的水力耦合工況M點工況為設計工況;工況點M變56§5.2長管的水力計算管道的種類:簡單管道串聯(lián)管道并聯(lián)管道一、簡單管道管道直徑和管壁粗糙度均相同的一根管子或這樣的數(shù)根管子串聯(lián)在一起的管道系統(tǒng)。

計算基本公式連續(xù)方程沿程損失能量方程§5.2長管的水力計算管道的種類:簡單管道串聯(lián)管道并聯(lián)管57§5.2長管的水力計算層流水力光滑水力粗糙混合摩擦列賓宗公式§5.2長管的水力計算層流水力光滑水力粗糙混合摩擦列賓宗58三類計算問題（1）已知qV、l、d、、Δ

，求hf；（2）已知hf、l、d、

、Δ

，求qV；（3）已知hf、qV、l、、Δ

，求d。簡單管道的水力計算是其它復雜管道水力計算的基礎。三類計算問題（1）已知qV、l、d、、Δ，求hf；（59第一類問題的計算步驟（1）已知qV、l、d、、Δ

，求hf；qV、l、d計算Re計算計算hf第一類問題的計算步驟（1）已知qV、l、d、、Δ，求60第二類問題的計算步驟（2）已知hf、l、d、

、Δ

，求qV；假設

由hf計算v、Re計算New校核New=NewNY由hf計算v、qV第二類問題的計算步驟（2）已知hf、l、d、、61第三類問題的計算步驟（3）已知hf、qV、l、、Δ

，求d。hf

qVlΔ計算與d的函數(shù)曲線計算New校核New=NewNY由hf計算v、qV第三類問題的計算步驟（3）已知hf、qV、l、、Δ62二、串聯(lián)管道由不同管道直徑和管壁粗糙度的數(shù)段根管子連接在一起的管道。ABH21串聯(lián)管道特征1.各管段的流量相等2.總損失等于各段管道中損失之和二、串聯(lián)管道由不同管道直徑和管壁粗糙度的數(shù)段根管子連接63兩類計算問題ABH21（1）已知串聯(lián)管道的流量qV，求總水頭H；（2）已知總水頭H，求串聯(lián)管道的流量qV

。兩類計算問題ABH21（1）已知串聯(lián)管道的流量qV，求總水頭64v0Q1Q2Q3q1q2l1

d1l2

d2l3

d3hf1hf2hf3H11按長管計算v0Q1Q2Q3q1q2l1d1l2d2l65上式是串聯(lián)管道的基本公式，聯(lián)立以上三式，可解算Q、d、H等問題。

IR1UIR2IR3上式是串聯(lián)管道的基本公式，聯(lián)立以上三式，可66v0Q1Q2Q3q1q2l1

d1l2

d2l3

d3hf1hf2hf3H11在長管的條件下，各段的測壓管水頭線與總水頭線重合，管道水頭線呈折線，因為各管段流速不同，水頭線坡度也各不相同。v0Q1Q2Q3q1q2l1d1l2d2l67v01l1

d1

v1l2

d2v2l3

d3

v3v3H1α2

v222gα1

v122gα3v322g按短管計算v01l1d1v1l2d2v2l3d368v01l1

d1

v1l2

d2v2l3

d3

v3v3H1α2

v222gα1

v122gα3v322g對上游斷面和出口斷面列能量方程，則

v01l1d1v1l2d2v2l3d369三、并聯(lián)管道由幾條簡單管道或串聯(lián)管道，入口端與出口端分別連接在一起的管道系統(tǒng)。并聯(lián)管道特征1.總流量是各分管段流量之和。2.并聯(lián)管道的損失等于各分管道的損失。AQQ1d1hw1Q2d2hw2Q3d3hw3BQ特點：一般按長管進行水力計算三、并聯(lián)管道由幾條簡單管道或串聯(lián)管道，入口端與出口端70兩類計算問題（1）已知A點和B點的靜水頭線高度（即z+p/g)，求總流量qV；AQQ1d1hw1Q2d2hw2Q3d3hw3BQ假設

由hf計算v、Re由Re、查莫迪圖得New校核New=NewNY由hf計算v、qV求解方法相當于簡單管道的第二類計算問題。兩類計算問題（1）已知A點和B點的靜水頭線高度（即z+p/71（2）已知總流量qV

，求各分管道中的流量及能量損失

。假設管1的q’V1

由q’V1計算管1的h’f1

由h’f1求q’V2和

q’V3h’f1=

h’f2=

h’f3q’V1=qV1N結束計算按q’V1、q’V2和q’V3的比例計算qV1、qV2和qV3計算h’f1、

h’f2和h’f3YAQQ1d1hw1Q2d2hw2Q3d3hw3BQ（2）已知總流量qV，求各分管道中的流量及能量損失。假設72QhfQHABhfAhf1=hf2=hf3=hfl1d1

Q1l3d3

Q3l2d2Q2HBHA設各管徑、流量為di、Qi

，i=1，3，考慮能量方程，則

QhfQHABhfAhf1=hf2=hf3=hfl1d173QhfQHABhfAhf1=hf2=hf3=hfl1d1

Q1l3d3

S3Q3l2d2K2Q2HBHA各支的流量與總流流量之間應滿足連續(xù)方程，即

QhfQHABhfAhf1=hf2=hf3=hfl1d174各支水頭損失，按長管計算，則

各支的流量與總流流量之間應滿足連續(xù)方程，即

設各管徑、流量分別為di、Qi

，i=1，3。考慮每一支的能量方程，則

各支水頭損失，按長管計算，則各支的流量與總流流量之間應滿足75

hf求出后，再求出各支管的流量

若總流的流量及各并聯(lián)支管的直徑、長度、和粗糙度已知時，可求出總流量、支流量以及水頭損失；hf求出后，再求出各支管的流量若總流的流量76四、分枝管路分支管道特征流入?yún)R合點的流量等于自匯合點流出的流量。四、分枝管路分支管道特征流入?yún)R合點的流量等于自匯合點77計算問題－新建管道，確定管徑、起點壓力已知管網(wǎng)結構形式（地形、長度、用戶位置）、用量、用戶所需水頭，確定管徑和管網(wǎng)起點水壓。213Jz2z1z31根據(jù)管網(wǎng)布置圖，將管網(wǎng)分段編號3按照終點流量要求，確定各段流量4以經(jīng)濟流速確定各段管徑5取標準管徑后，計算流速和摩阻6按長管計算各段水頭損失hw7按串聯(lián)管道計算起點到控制點的總水頭損失。2選定主干線，一般從起點到最遠點計算問題－新建管道，確定管徑、起點壓力已知管網(wǎng)結構形78壓力管道水力計算課件79壓力管道水力計算課件80歐洲天然氣管道

北海海底管網(wǎng)阿意輸氣管道歐洲天然氣管道北海海底管網(wǎng)阿意輸氣管道81美國天然氣管道

灣流