氣體輸配管網(wǎng)的水力特征與水力計(jì)算課件

氣體輸配管網(wǎng)的水力特征與

水力計(jì)算重點(diǎn)：重力、壓力及重力和壓力綜合作用的３種氣體管流的水力特征；流體輸配管網(wǎng)水力計(jì)算的基本原理、方法及相關(guān)概念；環(huán)路與環(huán)路位壓，阻力平衡，動(dòng)靜壓的相互轉(zhuǎn)換。2.1氣體管流的水力特征2.1.1氣體重力管流的水力特征（1）豎向開口管道1-2斷面的能量方程：

（2-1-1)

靜壓

動(dòng)壓

位壓

當(dāng)1斷面和2斷面位于位于進(jìn)口和出口處，這時(shí)靜壓均為0。將出口的動(dòng)壓損失視為出口的一種流動(dòng)局部阻力，則：

(2-1-2)

上式表明：流動(dòng)阻力依靠位壓（即重力的作用）克服。流動(dòng)方向取決于管內(nèi)外的密度差。以廚房排煙管網(wǎng)為例，當(dāng)沒(méi)有開啟排風(fēng)機(jī)、且未設(shè)防倒流閥，夏季豎井中密度低，室外空氣經(jīng)豎井進(jìn)入室內(nèi)；冬季豎井溫度高，室內(nèi)空氣進(jìn)入豎井。（2）U型管道內(nèi)的重力流

通過(guò)列寫斷面1-D、斷面D-2的能量方程，綜合后得到：

g（ρ1－ρ2）（H2－H1）=

(2-1-5)注意：

1)斷面1和2分別在進(jìn)口和出口外，包含了進(jìn)口阻力損失和出口阻力損失。

2)進(jìn)出口位于相同標(biāo)高時(shí)，流動(dòng)動(dòng)力是豎管內(nèi)的密度差與高差的乘積，與管外大氣密度無(wú)關(guān)。

3)流動(dòng)方向取決于豎管內(nèi)密度的相對(duì)大小。（3）閉式管道內(nèi)的重力流具有與進(jìn)出口斷面等高的U型重力流豎管相同的水力特征。2.1.2氣體壓力管流水力特征2.1.3壓力和重力綜合作用下的氣體管流水力特征

若壓力（Pq1－Pq2）驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)方向與位壓一致，則二者綜合作用加強(qiáng)管內(nèi)氣體流動(dòng)，若驅(qū)動(dòng)方向相反，則由絕對(duì)值大者決定管流方向；絕對(duì)值小者實(shí)際上成為另加流動(dòng)阻力。如空調(diào)建筑裝有排氣風(fēng)機(jī)的衛(wèi)生間排氣豎井，冬季在位壓的輔助作用下，排氣能力明顯加強(qiáng)；夏季排氣風(fēng)機(jī)除克服豎井的阻力時(shí)，還要克服位壓，排氣能力削弱，尤其是高層建筑。2.2流體輸配管網(wǎng)水力計(jì)算的基本原理和方法

水力計(jì)算：設(shè)計(jì)計(jì)算；校核計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)算：根據(jù)要求的流量分配，確定管網(wǎng)的各段管徑（或斷面尺寸）和阻力。對(duì)枝狀管外，求得管網(wǎng)特性曲線，為匹配管網(wǎng)動(dòng)力設(shè)備準(zhǔn)備好條件，進(jìn)而選擇確定動(dòng)力設(shè)備（風(fēng)機(jī)、水泵等）的型號(hào)。校核計(jì)算：根據(jù)已定的動(dòng)力設(shè)備，確定保證流量輸配的管道尺寸；或者根據(jù)已定的管道尺寸，確定保證流量輸配的動(dòng)力設(shè)備。水力計(jì)算是流體輸配管網(wǎng)設(shè)計(jì)及其運(yùn)行質(zhì)量保證的基本手段。水力計(jì)算的基本理論依據(jù)：流體力學(xué)一元流動(dòng)連續(xù)性方程、能量方程及串、并聯(lián)管路流動(dòng)規(guī)律。管網(wǎng)的流動(dòng)動(dòng)力等于管網(wǎng)流動(dòng)總阻力。若干管段串聯(lián)后的阻力，等于各管段阻力之和；各并聯(lián)管段的起點(diǎn)（終點(diǎn)）相同，具有相同的壓力。不包含動(dòng)力源的并聯(lián)管段，阻力應(yīng)相等。管段阻力是構(gòu)成管網(wǎng)阻力的基本單元。流體力學(xué)已經(jīng)揭示，管段中的流體流動(dòng)阻力有兩種，一種是摩擦阻力，也稱為沿程阻力。另一種是局部阻力。

水力計(jì)算的基本原理2.2.1摩擦阻力計(jì)算

摩擦阻力系數(shù)說(shuō)明工程上常根據(jù)自身的工程特點(diǎn)，編制相應(yīng)的計(jì)算圖表幫助計(jì)算。任何計(jì)算公式或圖表，都有其使用范圍，使用時(shí)要特別注意。當(dāng)工程條件與得出公式或圖表的條件有差異時(shí)，常采用修正的方法。2.2.1局部阻力計(jì)算產(chǎn)生原因：流動(dòng)邊界幾何形狀改變，使流動(dòng)產(chǎn)生渦旋、流動(dòng)方向變化，引起能量損失。局部阻力基本計(jì)算公式：局部阻力系數(shù)局部阻力處，流動(dòng)處于阻力平方區(qū)。局部阻力系數(shù)只與幾何形狀有關(guān)。局部阻力系數(shù)與其安裝條件（受流動(dòng)環(huán)境的影響）、各部分的幾何尺寸有關(guān)（如突擴(kuò)）。同名的局部阻力在不同的場(chǎng)合有不同的阻力系數(shù)值。局部阻力系數(shù)值通過(guò)一般實(shí)驗(yàn)獲得。局部阻力系數(shù)值對(duì)應(yīng)是某斷面動(dòng)壓而言的，使用時(shí)必須注意。各工程設(shè)計(jì)手冊(cè)給出了常用的局部阻力系數(shù)。2.2.3

常用的水力計(jì)算方法

假定流速法壓損平均法靜壓復(fù)得法假定流速法的特點(diǎn)先按技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求選定管內(nèi)流速，再結(jié)合所需輸送的流量，確定管道斷面尺寸，進(jìn)而計(jì)算管道阻力,得出需要的作用壓力。假定流速法適用于作用壓力未知的情況。假定流速法的基本步驟

（1）繪制管網(wǎng)軸測(cè)圖，對(duì)各管段進(jìn)行編號(hào)，標(biāo)出長(zhǎng)度和流量，確定最不利環(huán)路。（2）合理確定最不利環(huán)路各管段的管內(nèi)流體流速。（3）根據(jù)各管段的流量和確定的流速，確定最不利環(huán)路各管段的斷面寸。（4）計(jì)算最不利環(huán)路各管段的阻力。（5）平衡并聯(lián)管路。確定并聯(lián)管路的管徑，使各并聯(lián)管路的計(jì)算阻力與各自的資用壓力相等，可用壓損平均法計(jì)算。這是保證流量按要求分配的關(guān)鍵。若并聯(lián)管路計(jì)算阻力與各自的資用壓力不相等，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，管網(wǎng)會(huì)自動(dòng)調(diào)整各并聯(lián)管路流量，使并聯(lián)管路的實(shí)際流動(dòng)阻力與各自的資用壓力相等。這時(shí)各并聯(lián)管路的流量不是要求的流量。（6）計(jì)算管網(wǎng)的總阻力，求取管網(wǎng)特性曲線。（7）根據(jù)管網(wǎng)特性曲線、所要求輸送的總流量以及所輸送流體的種類、性質(zhì)等諸因素，綜合考慮為管網(wǎng)匹配動(dòng)力設(shè)備（風(fēng)機(jī)、水泵等），確定動(dòng)力設(shè)備所需的參數(shù)。壓損平均法的特點(diǎn)將已定的總作用壓力，按干管長(zhǎng)度平均分配給每一管段，以此確定管段阻力，再根據(jù)每一管段的流量確定管道斷面尺寸。當(dāng)管道系統(tǒng)所用的動(dòng)力設(shè)備型號(hào)已定，或?qū)Ψ种Ч苈愤M(jìn)行阻力平衡計(jì)算，此法較為方便。當(dāng)然，也可按其他技術(shù)經(jīng)濟(jì)性更好的方法將已定作用壓力分配給各管段。壓損平均法的基本步驟

（1）繪制管網(wǎng)軸測(cè)圖，對(duì)各管段進(jìn)行編號(hào)，標(biāo)出長(zhǎng)度和流量，確定最不利環(huán)路。

（2）根據(jù)確定的最不利環(huán)路的資用壓力，計(jì)算最不利環(huán)路單位管長(zhǎng)的壓力損失。

（3）根據(jù)最不利環(huán)路單位管長(zhǎng)壓力損失和各管段流量，確定其各管段管徑。

（4）確定各并聯(lián)支路的資用壓力，計(jì)算單位管長(zhǎng)的壓力損失。

（5）根據(jù)各并聯(lián)支路單位管長(zhǎng)壓力損失和各管段流量，確定其各管段管徑。靜壓復(fù)得法的特點(diǎn)通過(guò)調(diào)整管道斷面尺寸，維持管道在不同斷面處的管內(nèi)靜壓。送風(fēng)管道若要求各個(gè)風(fēng)口風(fēng)量均勻，常用此方法保證要求的風(fēng)口風(fēng)速。靜壓復(fù)得法的基本步驟

不論采用何種方法，水力計(jì)算前必須完成管網(wǎng)系統(tǒng)和設(shè)備的布置，確定管道材料及每個(gè)管段的流量，然后循著各種方法所要求的步驟進(jìn)行計(jì)算。水力計(jì)算中，各種計(jì)算公式和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的選取，應(yīng)遵循相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

說(shuō)明2.3.1通風(fēng)空調(diào)工程氣體輸配管網(wǎng)水力計(jì)算

以通風(fēng)空調(diào)工程的空氣輸配管網(wǎng)為例，學(xué)習(xí)開式枝狀氣體輸配管網(wǎng)水力計(jì)算的具體方法。設(shè)計(jì)計(jì)算要確定管徑和動(dòng)力大小，主要采用假定流速法。需先完成空氣輸配管網(wǎng)的布置，確定設(shè)備和各送排風(fēng)點(diǎn)位置的確定；各送排風(fēng)點(diǎn)要求的風(fēng)量；管道布置、各管段的輸送風(fēng)量。制作風(fēng)管的水力計(jì)算表格。2.3.1.1確定最不利環(huán)路的管內(nèi)流速和管道斷面尺寸

（1）繪制風(fēng)管系統(tǒng)軸測(cè)圖，并劃分管段，對(duì)各管段進(jìn)行編號(hào)，標(biāo)注其長(zhǎng)度和設(shè)計(jì)風(fēng)量。

注：管段：管內(nèi)流量和管道斷面均不變化。管段長(zhǎng)度按中心線長(zhǎng)度計(jì)算，不扣除管件（如三通、彎頭）本身的長(zhǎng)度。圖2-3-2通風(fēng)除塵管網(wǎng)軸測(cè)圖

〔例2-3〕（2）確定管內(nèi)流速和管道斷面尺寸

管內(nèi)的流速對(duì)通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性有較大的影響，對(duì)系統(tǒng)的技術(shù)條件也有影響。流速高，風(fēng)管斷面小，占用的空間小，材料耗用少，建造費(fèi)用?。坏窍到y(tǒng)的阻力大，動(dòng)力消耗增大，運(yùn)行費(fèi)用增加，且增加噪聲。若氣流中含有粉塵等，會(huì)增加設(shè)備和管道的磨損。反之，流速低，阻力小，動(dòng)力消耗少；但是風(fēng)管斷面大，材料和建造費(fèi)用大，風(fēng)管占用的空間也增大。流速過(guò)低會(huì)使粉塵沉積而堵塞管道。因此，必須通過(guò)全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較選定合理的流速。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出了通風(fēng)空調(diào)工程中風(fēng)管內(nèi)較為合理的空氣流速。選定最不利環(huán)路，本系統(tǒng)選擇1-3-5-除塵器-6-風(fēng)機(jī)-7為最不利環(huán)路。

解釋：環(huán)路；最不利環(huán)路。根據(jù)表2-3-3，輸送含有輕礦物粉塵的空氣時(shí)，風(fēng)管內(nèi)最小風(fēng)速為，垂直風(fēng)管12m/s、水平風(fēng)管14m/s。考慮到除塵器及風(fēng)管漏風(fēng)（思考？），取5%的漏風(fēng)系數(shù)，管段6及7的計(jì)算風(fēng)量為6300×1.05=6615m3/h?！怖?-3〕有水平風(fēng)管，初定流速為14m/s。管徑計(jì)算：沒(méi)有這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，取為d=0.2m=200mm則實(shí)際風(fēng)速為：同理確定出3、5、6、7的管內(nèi)流速和管徑。管內(nèi)流速和管徑：〔例2-3〕2.3.1.2

風(fēng)管摩擦阻力計(jì)算

公式計(jì)算：

對(duì)于圓管，4Rs＝D圖表計(jì)算制成計(jì)算表或線算圖。圖2-3-1所示的線算圖，可供計(jì)算管道阻力時(shí)使用。只要已知流量、管徑、流速、阻力四個(gè)參數(shù)中的任意兩個(gè)，即可利用該圖求得其余的兩個(gè)參數(shù)。該圖是按過(guò)渡區(qū)的λ值，在壓力B0=101.3kPa、溫度t0=20℃、空氣密度ρ0=1.204kg/m3、運(yùn)動(dòng)粘度ν0=15.06×10-6m2/s、管壁粗糙度K=0.15mm、圓形風(fēng)管、氣流與管壁間無(wú)熱交換等條件下得出的。當(dāng)實(shí)際條件與上述條件不相符時(shí)，應(yīng)進(jìn)行修正。注意：密度、粘度修正；溫度、大氣壓力和熱交換修正；壁面粗糙度修正。非圓管利用圖表－－引入“當(dāng)量直徑”流速當(dāng)量直徑：假設(shè)某一圓形風(fēng)管中的空氣流速與非圓形風(fēng)管中的空氣流速相等，并且兩者的單位長(zhǎng)度摩擦阻力也相等，則該圓形風(fēng)管的直徑就稱為此矩形風(fēng)管的流速當(dāng)量直徑，以Dv表示。根據(jù)這一定義,斷面為a×b的矩形風(fēng)管的流速當(dāng)量直徑Dv為：

流量當(dāng)量直徑:設(shè)某一圓形風(fēng)管中的空氣流量與非圓形風(fēng)管的空氣流量相等，并且單位長(zhǎng)度摩擦阻力也相等，則該圓形風(fēng)管的直徑就稱為非圓形風(fēng)管的流量當(dāng)量直徑，以DL表示。根據(jù)推導(dǎo)，矩形風(fēng)管的流量當(dāng)量直徑可近似按下式計(jì)算。

查圖得管段1的比摩阻為12.5Pa/m，填入計(jì)算表中，并計(jì)算管段的摩擦阻力。同理查得3、5、6、7管段的比摩阻和摩擦阻力填入計(jì)算表中。檢查是否需要修正。本例無(wú)需進(jìn)行修正。如需修正的情況，在水力計(jì)算表中留出填寫這些參數(shù)的位置。摩擦阻力〔例2-3〕2.3.1.3風(fēng)管局部阻力計(jì)算

計(jì)算公式：各種管件（彎頭、三通等）的局部阻力系數(shù)ξ通常查圖表確定。查圖表時(shí)要注意依據(jù)的參數(shù)值。還要注意對(duì)應(yīng)的特征速度。各種設(shè)備的局部阻力或局部阻力系數(shù)，由設(shè)備生產(chǎn)廠商提供。

局部阻力計(jì)算（1）管段1設(shè)備密閉罩ζ=1.0（對(duì)應(yīng)接管動(dòng)壓）90°彎頭（R/D=1.5）一個(gè)ζ=0.17直流三通（1→3）（見(jiàn)圖2-3-3）根據(jù)F1+F2≈F3

，α=30°，查得ζ13=0.20Σζ=1.0+0.17+0.20=1.37

計(jì)算出管段1的局部阻力損失為：147.5Pa。同理計(jì)算出3、5、6、7各管段的局部阻力，填入表中。〔例2-3〕各管段的總阻力＝沿程阻力＋局部阻力。2.3.1.4并聯(lián)管路的平衡

（1）開式管網(wǎng)的虛擬閉合

引入虛擬管路的概念，將開式管網(wǎng)變?yōu)樘摂M的閉式管網(wǎng)。虛擬管路是連接開式管網(wǎng)出口和進(jìn)口的虛設(shè)管路，該管路中的流體為開式管網(wǎng)出口和進(jìn)口高度之間的環(huán)境流體，從管網(wǎng)出口流向進(jìn)口，其水力和熱力參數(shù)都與環(huán)境流體相同，虛擬管路的管徑趨于無(wú)限大，流動(dòng)阻力為零。

圖2-3-2虛擬管路與流動(dòng)環(huán)路

〔例2-3〕（2）枝狀管網(wǎng)的環(huán)路、共用管路和獨(dú)用管路

枝狀管網(wǎng)中，管段的流向是唯一的。以管網(wǎng)的源為起點(diǎn)，沿著管路（含虛擬管路），順著流向（虛擬管路中的流向是從開式管網(wǎng)的真實(shí)出口到真實(shí)進(jìn)口）前進(jìn)，最終必定回到起點(diǎn)。沿途所經(jīng)過(guò)的所有管路（含虛擬管路）構(gòu)成了枝狀管網(wǎng)的一個(gè)流動(dòng)環(huán)路?！怖?-3〕管網(wǎng)的環(huán)路有：

1-3-5-6-7-虛擬管路－1（流動(dòng)環(huán)路I）

2-3-5-6-7-虛擬管路－2（流動(dòng)環(huán)路II）

4-5-6-7-虛擬管路－4（流動(dòng)環(huán)路III）管段與環(huán)路之間的隸屬關(guān)系有兩種情況。其一，共用；其二，獨(dú)用。若某管路出現(xiàn)在兩個(gè)及以上的環(huán)路中，該管路稱為這些環(huán)路的共用管路，若管路只出現(xiàn)在某環(huán)路中，該管路稱為這一環(huán)路的獨(dú)用管路。圖2-3-2中，管段1、2、4分別是環(huán)路I、II、III的獨(dú)用管路；管段3為環(huán)路I、II的共用管路；管段5、6、7為環(huán)路I、II、III的共用管路。

(3)環(huán)路動(dòng)力來(lái)源流體力學(xué)表明，管網(wǎng)中的流動(dòng)動(dòng)力有壓力、慣性力和重力3種。在管網(wǎng)工程中，壓力稱為靜壓，慣性力稱為動(dòng)壓，二者可以互相轉(zhuǎn)換，二者之和稱為全壓。重力則在不同的工程中有不同的名稱，如位壓、勢(shì)壓、熱壓等。

全壓的來(lái)源與性質(zhì)來(lái)源：來(lái)源于風(fēng)機(jī)水泵等流體機(jī)械。來(lái)源于壓力容器。來(lái)源于上級(jí)管網(wǎng)。性質(zhì)：在一個(gè)位置上提供，沿整個(gè)環(huán)路中起作用。提供動(dòng)力的位置在共用管段上，則共用該管路的所有環(huán)路都獲得相同大小的全壓動(dòng)力。重力產(chǎn)生的環(huán)路動(dòng)力及其性質(zhì)重力產(chǎn)生的環(huán)路動(dòng)力是在整個(gè)環(huán)路上形成的。它作用在整個(gè)環(huán)路上。各個(gè)環(huán)路因重力作用產(chǎn)生的環(huán)路動(dòng)力不相同。（4）環(huán)路的需用壓力與資用動(dòng)力環(huán)路動(dòng)力－－阻力平衡，是流體流動(dòng)的基本規(guī)律。要實(shí)現(xiàn)要求的流量輸送與分配任務(wù)，就必須在設(shè)計(jì)狀態(tài)，使管網(wǎng)滿足這一規(guī)律。如果設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)果不滿足這一規(guī)律，管網(wǎng)運(yùn)行時(shí)會(huì)按照這一規(guī)律的要求，改變流動(dòng)參數(shù)，來(lái)滿足這一規(guī)律，這樣，就得不到需要的流量。需用壓力：管網(wǎng)需用壓力一般按照“最不利環(huán)路”來(lái)確定管網(wǎng)的需用壓力。在有重力作用的情況下，不應(yīng)只根據(jù)管路的長(zhǎng)短和局部阻力部件的多少選定最不利環(huán)路，而應(yīng)綜合考慮流動(dòng)阻力和重力作用，選管路長(zhǎng)、部件多，重力推動(dòng)作用?。ㄉ踔潦亲璧K流動(dòng)）的環(huán)路為最不利環(huán)路。環(huán)路的資用動(dòng)力管網(wǎng)的需用壓力作用在所有環(huán)路的共用管路上，則這些環(huán)路得到的全壓作用是相同的。各環(huán)路的資用動(dòng)力為：（5）環(huán)路資用動(dòng)力的分配管網(wǎng)的需用壓力由最不利環(huán)路確定，因此，任意環(huán)路與最不利環(huán)路共用的管路上，已完成了資用動(dòng)力的分配，即這些管路上資用動(dòng)力與流動(dòng)阻力平衡。獨(dú)用管路的資用動(dòng)力：：i環(huán)路與性質(zhì)：最不利環(huán)路的共用管段的流動(dòng)阻力獨(dú)用管路的壓損平衡共用管路的阻力與資用動(dòng)力已實(shí)現(xiàn)了平衡。要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的流量輸配，還要讓獨(dú)用管路的阻力與資用動(dòng)力相等。在設(shè)計(jì)中通過(guò)對(duì)管路幾何參數(shù)（主要是管道斷面尺寸）的調(diào)整，改變管內(nèi)流速，