管道水力計算1117

1、管道水力計算新大技術研究所：戴頌周2012 年 3 月 2 日第一章單相液體管內(nèi)流動和管道水力計算.3第一節(jié)流體總流的伯努利方程.3流體總流的伯努利方程.3二流體流動的水力損失.3第二節(jié)流體運動的兩種狀態(tài).6-、雷諾實驗.6二、雷諾數(shù). 7三、圓管中紊流的運動學特征一速度分布.7四、雷諾數(shù)算圖.8第三節(jié)沿程水力損失.9一、計算方法:. 9第四節(jié)局部水力損失.14第五節(jié)管道的水力計算.17一、管道流體的允許流速（經(jīng)濟流速供參考）.17二、簡單管道的水力計算.19第二章玻璃鋼管道水力計算.20第一節(jié)玻璃鋼管道水力計算公式.20一、玻璃鋼管道水力計算公式.20二管道水力壓降曲線.21三、常用液體壓降

2、的換算、.21四、常用管件壓降.23第二節(jié)油氣集輸管道壓降計算.24第三節(jié)玻璃鋼輸水管線的水力學特性.25一、玻璃鋼輸水管水流量計算.25二、玻璃鋼輸水管水擊強度計算.25第三章管道水力學計算中應注意的幾個問題.28一、熱油管道的工藝計算.28二、油水兩相液體的工藝計算.28三、地形變化時的水力坡降.30第一章 單相液體管內(nèi)流動和管道水力計算第一節(jié) 流體總流的伯努利方程一、 流體總流的伯努利方程1.流體總流的伯努利方程式(能量方式)乙+旦+空空+寧+hpg 2gpg 2g2.方程的分析(1)方程的意義物理意義：不可壓縮的實際流體在管道內(nèi)流動時的能量守恒，或者說，上游 機械能二下游機械能+能量的

3、損失。(2)各項的意義S?2 -單位重量流體所具有的位能，或位置水頭，m,即起點、終點標高。PjPgPj 他-單位重量流體所具有的壓能，或壓強水頭，m：即P1P2為起點、 終點液流壓力，S&nggc斜 2g單位重量流體所具有的動能，或速度水頭，m；即C1C2為液流起、終點的流速。-單位重量流體的動能修正系數(shù)；九- 單位重量流體流動過程的水力損失，m。二、 流體流動的水力損失1.水力損失的計算液體所以能在管道中流動，是山于泵或自然位差提供的能量。液體流動過程 中與各種管道、閥件、管件發(fā)生摩擦或撞擊而產(chǎn)生阻力。同時液體質(zhì)點間的互相 摩擦和撞擊也要產(chǎn)生阻力。為了使液體繼續(xù)流動，就必須供給能量

4、，以克服這些 阻力。用于克服液流阻力的能量，就是管路摩阻損失。水力損失一般包括兩項， 即沿程損失何與局部損失人”。因此，流體流動時上、下游截面間的總水力損失入 應等于兩截面間的所有沿程損失與局部損失之和，即2.關于沿程損失(1)實質(zhì)：沿程流動過程中，山于實際流體具有黏性，流體層之間以及流體 與壁面間將產(chǎn)生摩擦阻力損失，即沿程損失，因此，其實質(zhì)是摩擦損失。(2)發(fā)生的地點：平順長直的管段上，或者說等徑直管段上。(3)計算式：h. =A- fd2g式中，久-沿程損失系數(shù)；人一管段長度與內(nèi)直徑，m：管道截面上的平均 流速，m/s。3.關于局部損失(1)實質(zhì)：由于實際流體具有黏性，在流經(jīng)有局部變化的管

5、段時將產(chǎn)生碰擦, 并產(chǎn)生漩渦而引起阻力損失，即局部損失，因此，其實質(zhì)是漩渦損失。(2)發(fā)生的地點：管段有局部改變的地點，如突變、漸變、轉(zhuǎn)折、彎曲、分 匯流及有閥門等管道附件處。(3)計算式：hm式中，夕一局部損失系數(shù)。4、 兩種水頭損失大小比重第二節(jié) 流體運動的兩種狀態(tài)一.雷諾實驗1.實驗裝置層澆三2工三三三?二三山于實際流體具有粘性，因此流體在管道中流動時，緊貼管壁的流體其速度 必然為零。而離開管壁越遠，流速逐漸增大，到管道中心處的流速最大。2.實驗結論(1)如圖，出現(xiàn)層流、臨界流及紊流的流動狀態(tài)。A.層流：流體質(zhì)點間分層運動，不相摻混：B.紊流：流體質(zhì)點間不再分層運動，而是相互摻混，呈現(xiàn)較

6、混亂的狀態(tài)。C.臨界流：乂稱過渡流，是層流向紊流或紊流向?qū)恿鬓D(zhuǎn)變的過渡狀態(tài)流動。(2)層流向紊流轉(zhuǎn)變時的臨界速度A.下臨界速度eg紊流向?qū)恿鬓D(zhuǎn)變時的臨界速度；B.上臨界速度CM層流向紊流轉(zhuǎn)變時的臨界速度。工程上，下臨界速度更有實際意義。(3)影響流動狀態(tài)的因素A.流速；B.流體的物性，主要是密度、黏度等；C.管道的特征尺寸，管內(nèi) 流動一般取管內(nèi)直徑。矣唸裳JL余臉觀余上述因素的綜合，便是雷諾數(shù)Re。ixC-/ Vndvkg/m3U-動力粘度mPa. sV運動粘度m7s（運動粘度等于動力粘度與流體密度P之比,v = u/p )C管道截面上的平均流速m/sd管道內(nèi)直徑mQ管路中介質(zhì)體積流量，米彳/

7、秒靂諾數(shù)Re是判斷流體流動狀態(tài)的判據(jù)。它表示流體所受的慣性力與黏性力 之比。若Re數(shù)較小，則黏性力占主導地位，流體易保持原來狀態(tài)而呈現(xiàn)層流狀 態(tài)；若Re數(shù)較大，則慣性力占主導地位，流體易打破原來狀態(tài)而呈現(xiàn)紊流狀態(tài)。2.管內(nèi)流動時的臨界雷諾值RecRef=!=墾=20003.一般管內(nèi)流（粗糙管）管內(nèi)流動時流態(tài)的判定Re4000時，流體為紊流；4000Re2000時, 流體為臨界流。三. 圓管中紊流的運動學特征一速度分布1.圓管橫截面積的紊流結構（1）近壁處：流體呈層流體；（2）管中心較大區(qū)域：流體呈紊流狀態(tài);（3）層流至紊流過渡區(qū)2水力光滑和水力粗糙二.雷諾數(shù)1.表達式式中：P密度（1）絕對粗糙

8、度與相對粗糙度：平面凸起的平均咼度稱為絕對粗糙度，記作A；絕對粗糙度與管內(nèi)直徑d之比/,稱此時管道為水力光滑管；反之，即SA,則為水力粗糙管。（注意）水力光滑和水力粗糙是相對的，不是絕對不變的。影響因素主要為 雷諾數(shù)、相對粗糙度/!等。四、雷諾數(shù)算圖例：已知流速為2米/秒，管內(nèi)徑150mm,介質(zhì)粘度5厘沱，求雷諾數(shù)。靂諾數(shù)算圖三二二二=匸解：聯(lián) AB交輔助線于 C點，從 C點與 D 點聯(lián)直線交 Re 軸于 E點，可讀出雷諾數(shù) Rc=60000第三節(jié)沿程水力損失一、計算方法：沿程水力損失的計算有多種經(jīng)驗公式，下面介紹達西公式和列賓宗公式L V2沿程摩阻如萬弓式中:hr一管道沿程摩阻L-管道長度，

9、mD-管道內(nèi)徑，mV液流均流速，m/sg-重力加速度，m/s?X水力摩阻系數(shù)水力摩阻系數(shù)與管道中液體流動狀態(tài)（雷諾數(shù)）、管子的粗糙度、管徑等因素有 關。不同入值可按下表進行計算。（-）不同流態(tài)下的的入值（達西公式）流態(tài)劃分范圍2 = /(Re,-)層流Re2000八里Re紊流光滑區(qū)59 73000 VReVRs 一仁 嚴a 0.31642 =Re-混合摩擦區(qū)Re： ReRe31,(l 74-21gw)2（二）利用莫迪圖（Moody Figure）查X值。莫迪圖查法：橫坐標為雷諾數(shù)Re,右側縱坐標為當量的相對粗糙度/（其中當量粗糙度可按經(jīng)驗查書PI58表44）,左側縱坐標即為沿程水力損失系數(shù)2。

10、查圖時，利用Re和所對應的曲線交點，即可獲得幾。利用莫迪曲線圖, 確定沿程阻力系數(shù)值入，即能確定流動是在那一區(qū)域內(nèi)，非常方便。在以上不同流態(tài)下的的x值表中，雷諾數(shù)是一個劃分流態(tài)的標準，Re=VD/v它標志著液流中因粘滯性造成的阻力損失和山于液體質(zhì)點碰撞造成的慣性力損 失，在總的阻力損失中所占的地位。Re很小時，粘滯阻力起主要作用。Re很大 時，慣性力損失起主要作用。v流體的粘度（m7s）.e管子的絕對粗糙度（mm）表示管道內(nèi)壁突起的絕對高度，絕對粗糙度與管道 內(nèi)徑的比值稱為相對粗糙度，即 = - = o由于管道內(nèi)壁的絕對粗糙度分布不rD均，且大小不等，因此，在實際上釆用的是絕對粗糙度平均值，稱

11、之為當量粗糙 度，（以K表示）。其植受管子材料、使用年限、腐蝕程度的影響。對于絕大數(shù)鋼 管,當量粗糙度K=0.1-0. 2mm。對于輸油管建議采用K=0. 14-0. 15mm。東北輸油 管道設計時取K二0. 2mma.wi o.ooo*莫迪圖2a.(MMO.OOOMQ.O4a.a60U（三）管壁 X 量粗糙度K管壁內(nèi)表而特征K亳米新無縫鋼管0. 04-0. 17使用幾年后的鋼管0. 19腐蝕較嚴重的舊鋼管0. 6-0. 67淸潔的無縫銅管、鉛管0.01新鑄鐵管0.3石棉水泥管0. 3-0. 8橡皮軟管0. 01-0. 03玻璃鋼管0. 0053（四）不同流態(tài)的A、m、0值，為方便計算，將上式

12、用一種形式表示。以，廠表示水力摩擦系數(shù)，并將U= 竺，尿=竺代入上式，整理后寫出:Re兀）-5Dv丹芻嚴 L 厶 式中啟秒7米Q體積流量（】/s）V液體運動粘度（nf/s）D、L管內(nèi)徑、管道長（米）。A、m是與流態(tài)有關的常數(shù)。不同流態(tài)下的A、m、B值見列賓公式輸油管道水力學計算公式（列賓宗公式）不同流態(tài)的A、m、B值流態(tài)XmB, s2/mh m層流641128u= 4.15 ng/? = 45卑厶d4紊流光0.31640.258x0.3164Qn?46h- 0.0246LLJ475滑區(qū)40.25nL75g混合摩擦區(qū)A0.123A (H/4)-246= 0.0802 A2g0,力023h- 0.

13、0802AL2L嚴77(A=10)l27|sk-627)粗糙區(qū)A082?- 0.0826 2 gQ2/?-0.0826 AL5注：混合區(qū)計算式為從兄=0.11（詈+ 嚴推導出，其誤差約為5%。（五）、各流態(tài)區(qū)域液流摩阻心與流量Q、粘度v、管內(nèi)徑D、管道長L等 參數(shù)間的關系。1、流量Q對摩阻的影響。在管徑一定及其它條件相同的情況下，液體的流量越大，摩阻損失也越大。 而且在不同的流態(tài)區(qū)，流量對摩阻的影響程度各不相同：層流區(qū)，摩阻與流量成 正比（対&Q）；紊流水力光滑區(qū)摩阻與流量的1.75次方成正比（如&QH5）；紊流粗糙區(qū)摩阻與流量的平方成正比（如QQ2）。即流量增加一倍，紊流區(qū)摩

14、阻 增加三倍，層流區(qū)和水利光滑區(qū)各增加1倍和2.36倍。2、 粘度對摩阻的影響當其它條件都相同時，液流的粘度越大，摩阻損失也越大、層流區(qū)，粘度對 摩阻的影響最顯著，摩阻與粘度成正比（為 yv）;水力光滑區(qū)，摩阻與粘度的0.25次方成正比（&V025）；阻力平方區(qū)，粘度不影響摩阻損失3、 管道L長對摩阻的影響摩阻損失與管道長度成正比關系（每QL）,這對各流態(tài)都一樣。4、 管徑D對摩阻的影響管徑越大，摩阻損失越小。在層流區(qū)，(hTa v)；水力光滑區(qū)D4(hTa -L-);紊流粗糙區(qū)，丄)。即，當管徑增加一倍時，不同流態(tài)區(qū)D475D的摩阻相應減少為原來的1/16, 1/27, l/32o從

15、以上的分析可以看出，管道直徑對摩阻損失的影響最大。因此，要改變摩阻損失，變更管道直徑，效果最為明顯。在實際輸油管道中，一般很少出現(xiàn)紊流粗糙區(qū)。熱油管道常在水力光滑區(qū)。 輕油(汽油、煤油、柴油等)管道多在混合摩擦區(qū)。只有輸送高粘度的中質(zhì)油時 才可能出現(xiàn)在層流區(qū)。第四節(jié)局部水力損失一、局部水力損失的計算1.計算式（半經(jīng)驗公式一根據(jù)相似理論推導）由上式可知，其計算關鍵是局部水力損失系數(shù)2.局部水力損失系數(shù)的影響因素疳=/（&,/，局部阻件的性質(zhì)等）式中纟一一局部摩阻系數(shù)。它隨著管件的尺寸，液流的流態(tài)以及粘度的不同 而不同。二、當量長度和局部摩阻系數(shù)有時為了計算方便，還用當量長度來表示局部摩阻

16、，管件的局部A阻力相當長 5 的直管道的沿程摩阻。計算摩阻損失的時候，在管道長度L這項 加上匚即可。各種管件， 閥件等的當量長度和局部阻力系數(shù)一般由試驗測得， 可查水力學 和有關手冊。這里必須注意的是，各種文獻手冊中介紹的纟和厶值，都是在紊流 狀態(tài)下測得的，且數(shù)值各有出入，應注意選擇。下表中摘錄了部分文件、閥件等的厶d（篇）和纟值，它們只適用于紊流狀 態(tài)。表中纟是根據(jù)X =0.022算的。如實際中的水力摩阻系數(shù)為X,則應換算為： 口0.022 、|量長度和局部摩阻系數(shù)局部摩阻名稱D局部摩阻劃稱D無保險門油罐出口230.5通過三通180.4有保險門油罐出口4()0.9轉(zhuǎn)彎三通451有起落的油罐出

17、口1002.2轉(zhuǎn)彎三通601.345焊接彎頭140.3轉(zhuǎn)彎三通230.590單折彎頭&()1.3轉(zhuǎn)彎三通136390雙折彎頭300.65轉(zhuǎn)彎三通400.9彎管 Z=2d230.5閘板閥230.5彎管 Z= (3-5) d120.25普通截止閥 d=1574016通過三通1-20.04普通截止閥 d=2046010通過三通-4.50.1普通截止閥 d=25-404109普通截止閥d=50及50以上3207單向供給閥3608斜桿截止閥d= 15-251403單向保險閥821.3斜桿截止閥 d=401102.5填函式補償器230.5斜桿截止閥=50 及 以上902I【型補償器902旋塞 d=

18、151804波型補償器140.3旋塞 d=20及 20以上902輕油過濾器771.7灌油旋塞 d=2569015重油過濾器1002.2帶濾網(wǎng)的單向閥d=201603.5流量計460-49010-15關于層流狀態(tài)下的局部摩阻系數(shù)研究的比較少，訂前采用下列公式計算:篇=術0式中5 紊流狀態(tài)下的局部阻力系數(shù)0輔助系數(shù)，見下表輔助系數(shù)ReRe2004.216002.954003.8118002.906003.5320002.848003.3722002.4810003.3224002.2612003.1226002.1214003.0128001.98第五節(jié)管道的水力計算通過計算可以獲得管徑d、流速c

19、、流量q、兩類損失hf及1如、位置水頭差H、壓強p等，進一步可選取動力源類型、確定經(jīng)濟運行方式及進行分析、比較 等。一、管道流體的允許流速（經(jīng)濟流速供參考）對于常規(guī)管路系統(tǒng)計算，可在“管道設計規(guī)范”指導下，根據(jù)上述內(nèi)容進 行即可。其中若有較多未知項，還需依經(jīng)驗先行選取，最后進行校核。管道流體 輸送的允許流速,即經(jīng)濟流速，下表可作為流速選取的參考。經(jīng)濟流速一一當輸送的液體流速控制在某一范圉時，管道的建設投資和主產(chǎn) 管理費用都比較經(jīng)濟。（經(jīng)濟流速的表格較多，供參考表2張）給水經(jīng)濟流速參考表1流速推薦值m/s管徑（DN）閉式系統(tǒng)開式系統(tǒng)200.5-0.60.4-0.5250.6-0.70.5-0.6

20、320.7-0.90.6-0.8400.8-10.7-0.9500.9-1.20.8-1.0651.1-1.40.9-1.2801.2-1.611 41001.3-1.81.2-1.61251.5-2.01.4-1.81501.6-2.21.5-2.02001.8-2.51.6-2.32501.8-2.61.7-2.43001.9-2.91.7-2.43501.6-2.51.6-2.14001.8-2.61.8-2.3油氣混輸、原油、污水管線經(jīng)濟（經(jīng)驗）輸量表2管徑mm油氣混輸原油污水m3/dm3/hm3/d104n?/a104m3/d50300-130022-33540-80019-290.

21、1-0.1380800-340057-861300-200050-750.26-0.351001300-55-320079-1180.41-0.541500-300-2670.91-1.222000-5500-4751.6222500-85010-7422.5-3.430010-120012-10703.648350100-160020-14004.9-6.640-19006.5-&6500-298010.1-13.56050-428014.6-19.5注:油氣混輸流速0.5-2.0m/s時，原油流速0.8-1.2m/s；污水速度l 520m/s經(jīng)濟（經(jīng)驗）流速表3介質(zhì)管道流速，ni/

22、s原油，重油吸入管0.4-0.8原油，重油壓出管0.8-1.2水吸入管1.0-1.5水壓出管1.5-3.0水自來水（表壓0.3MPa）1.0-1.5水自然排水0.2-0.4氣壓縮空氣10-15天然氣起點壓力小于等于0.2MPa8-15天然氣起點壓力大于0.2MPa15-30飽和蒸汽起點壓力小于等于0.1 MPa15-20飽和蒸汽起點壓力大于0.1 MPa20-40油氣混輸岀油管、集油管1-2二、簡單管道的水力計算1、管徑初選，根據(jù)體積流量和經(jīng)濟流速初選管徑管線內(nèi)徑的計算公式式中：d管內(nèi)徑，mmQ體積流量，n?/小時v一流速，m/秒（參考經(jīng)濟流速）2、 確定Re3、 計算入4、計算知，長管以沿程

23、損失為主,只計算如，并將求得的知值進行修正（一 般修正系數(shù)1.05-1.10）作為總水力損失九.，即九二（1.05-1.10）如。5、根據(jù)壓力降選擇動力（泵的揚程、排量和中間加壓站的距離），若泵的揚 程、排量和中間加壓站的距離已確定， 則壓力降不符合工藝要求時， 則應調(diào)整流 速重新確定管線內(nèi)徑。再按上述程序進行計算，達到符合要求為止。第二章玻璃鋼管道水力計算第一節(jié)玻璃鋼管道水力計算公式根據(jù)中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準SY/T6769.1-2010,非金屬管道 設計、施工驗收規(guī)范第1部分：高壓纖維管線管。一.玻璃鋼管道水力計算公式玻璃鋼管道的水力壓降可按式（1）計算，其中摩擦系數(shù)的計算，可釆用式（2）（伍德公式）和式（3）(1)21.22c/ pK =-(2)(3)a = 0 094/型+0.53K b二88 K*-0.134c二1.62KK=e/d式中：(4)(5)(6)(7)P管道內(nèi)水的壓力，單位為兆帕（Mpa）；P壓降，單位為兆帕（Mpa）；P密度，單位為千克每立方米（Kg/m3）；f摩擦系數(shù)；L長度，單位為米（m）；q一流量，單位為每升每分鐘（L/min）；d內(nèi)徑,單位為毫米（mm）；a系數(shù)；b系數(shù)；C系數(shù)；R-雷諾數(shù)，適用條件為雷諾數(shù)大于10000和1 X 105 /d i