第5章-壓力管道水力計(jì)算

工程流體力學(xué)

第五章壓力管路的水力計(jì)算

主講：肖東

石油工程學(xué)院

2010年10月一、主要內(nèi)容：1、長(zhǎng)管計(jì)算實(shí)用公式；2、串聯(lián)、并聯(lián)管路水力計(jì)算；3、短管計(jì)算實(shí)用公式；4、孔口出流與管嘴泄流；二、應(yīng)用公式：1、連續(xù)性方程：2、伯努利方程：3、達(dá)西公式：4、包達(dá)公式：5、雷諾數(shù)：1、有壓管道：管道被水充滿(mǎn)，管道周界各點(diǎn)受到液體壓強(qiáng)作用，其斷面各點(diǎn)壓強(qiáng)，一般不等于大氣壓強(qiáng)。液體管壁有壓管道液體自由面管壁無(wú)壓管道三、基本概念

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(kù)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。

2、管道按布置分

簡(jiǎn)單管道：直徑始終不變，無(wú)分支的管路（基礎(chǔ)）

復(fù)雜管道

串聯(lián)管道

并聯(lián)管道

分枝管道

短管

長(zhǎng)管

3兩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(jì)算時(shí)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(jì)算時(shí)可忽略。1長(zhǎng)管和短管不按管道絕對(duì)長(zhǎng)度決定。2當(dāng)管道存在較大局部損失管件，例如局部開(kāi)啟閘門(mén)、噴嘴、底閥等。即使管道很長(zhǎng)，局部損失也不能略去，必須按短管計(jì)算。

3長(zhǎng)管：忽略局部水頭損失和流速水頭（沿程損失不能略去），計(jì)算工作大大簡(jiǎn)化，其對(duì)結(jié)果又沒(méi)有多大影響。注意

壓力管道水力計(jì)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?！?.1長(zhǎng)管的水力計(jì)算管道的種類(lèi):簡(jiǎn)單管道串聯(lián)管道并聯(lián)管道一、簡(jiǎn)單管道1、計(jì)算中一般涉及的公式：

連續(xù)性方程：沿程損失：能量方程：2、管路特性曲線(xiàn)：對(duì)于一定管長(zhǎng)和管徑的管路，系數(shù)α將隨λ值變化，給不同流量Q將可算出不同的水頭損失hw，繪制成曲線(xiàn)，稱(chēng)為管路特性曲線(xiàn)。

說(shuō)明：（1）當(dāng)由泵輸送液體時(shí)，因泵給出的揚(yáng)程H要克服位差和水頭損失，繪制管路特性曲線(xiàn)時(shí)，縱坐標(biāo)以泵的揚(yáng)程為準(zhǔn)，固管路特性曲線(xiàn)相應(yīng)地要平移一個(gè)位差的高度。（2）理論上有層流到湍流應(yīng)有折點(diǎn)，實(shí)用上不予考慮，而繪制成光滑曲線(xiàn)。（3）根據(jù)水頭損失的計(jì)算通式，當(dāng)有局部水頭損失時(shí)，可折算為當(dāng)量長(zhǎng)度并入沿程水頭損失；（4）管路特性曲線(xiàn)對(duì)于確定泵的工況和自流泄油工況，將有重要作用，在工程中經(jīng)常使用。3、三類(lèi)計(jì)算問(wèn)題（1）已知qV、l、d、、Δ

，求hf；（選泵的揚(yáng)程）（2）已知hf

、l、d、

、Δ

，求qV；（輸送能力）（3）已知hf

、qV

、l、、Δ

，求d。（設(shè)計(jì)管路）簡(jiǎn)單管道的水力計(jì)算是其它復(fù)雜管道水力計(jì)算的基礎(chǔ)。第一類(lèi)問(wèn)題的計(jì)算步驟（1）已知qV、l、d、、Δ

，求hf；qV、l、d計(jì)算Re計(jì)算計(jì)算hf例題5-1：50℃的原油，密度，運(yùn)動(dòng)粘度，流過(guò)一根長(zhǎng)的管道，流量試求產(chǎn)生的壓降。解：這是簡(jiǎn)單長(zhǎng)管計(jì)算的第一類(lèi)問(wèn)題從莫迪圖上可查出，水頭損失為：第二類(lèi)問(wèn)題的計(jì)算步驟（不知道流量，試算）（2）已知hf

、l、d、

、Δ

，求qV；假設(shè)Q

由Q計(jì)算Re、計(jì)算Q1重新計(jì)算新的Re1、

1Q1=Q2NY由達(dá)西公式計(jì)算Q2Q220℃的水，流過(guò)直徑的混凝土管道，在的長(zhǎng)度上水頭損失，設(shè)粗糙度，試求流量Q。解：這是簡(jiǎn)單長(zhǎng)管計(jì)算的第二類(lèi)問(wèn)題，查表可知20℃的水：先設(shè)，則而E2:則：再算：最后所求的流量為則重新計(jì)算：再重新演算，第三類(lèi)問(wèn)題的計(jì)算步驟（3）已知hf

、qV

、l、、Δ

，求d。hf

qVlΔ假設(shè)d1計(jì)算v1，Re1，

1計(jì)算d2取d1=d2NYd=d2E3：50℃的四氯化碳，密度,運(yùn)動(dòng)粘度通過(guò)長(zhǎng)的鋼管，流量要求單位長(zhǎng)度的壓降為，設(shè)，試計(jì)算管道需要的管徑d。解：這是簡(jiǎn)單長(zhǎng)管計(jì)算的第三類(lèi)問(wèn)題先設(shè)則:而

在莫迪圖上查出：用重算，即有：

再查莫迪圖：

取：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兩類(lèi)計(jì)算問(wèn)題1、已知串聯(lián)管道的流量qV，求hf或揚(yáng)程H

；2、已知總水頭H，求串聯(lián)管道的流量qV

。解法：解法：（1）任??；（2）；（3）判別是否同時(shí)滿(mǎn)足給定精度；（4）若不滿(mǎn)足，則取，再循環(huán)。三、并聯(lián)管道

由幾條簡(jiǎn)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(diǎn)：一般按長(zhǎng)管進(jìn)行水力計(jì)算兩類(lèi)計(jì)算問(wèn)題（1）已知A點(diǎn)和B點(diǎn)的靜水頭線(xiàn)高度（即z+p/g)，求總流量qV；AQQ1d1hw1Q2d2hw2Q3d3hw3BQ假設(shè)

由hf計(jì)算v

、Re由Re、查莫迪圖得New校核New=NewNY由hf計(jì)算v

、qV

求解方法相當(dāng)于簡(jiǎn)單管道的第二類(lèi)計(jì)算問(wèn)題。（2）已知總流量qV

，求各分管道中的流量及能量損失

。假設(shè)管1的q’V1

由q’V1計(jì)算管1的h’f1

由h’f1求q’V2和

q’V3h’f1=

h’f2=

h’f3q’V1=qV1N結(jié)束計(jì)算按q’V1、q’V2和q’V3的比例計(jì)算qV1、qV2和qV3計(jì)算h’f1、

h’f2和h’f3YAQQ1d1hw1Q2d2hw2Q3d3hw3BQ例題5-4：并聯(lián)管路系統(tǒng)中，，管材都為新的無(wú)縫鋼管，，總流量，試求每條分支管路的流量Q1，Q2。該流體解：相對(duì)粗糙度先假設(shè)流動(dòng)都在湍流粗糙區(qū)

則在莫迪圖上查出：

由，并先設(shè)將代入達(dá)西公式，求出Q2加大Q1，再設(shè)

于是：以上結(jié)果已比較好，用Re數(shù)校驗(yàn)沿程阻力系數(shù)：而：查莫迪圖得：重設(shè)重算：

于是：

至此，試算結(jié)束。塔里木油田，管投產(chǎn)1年零9個(gè)月CO2腐蝕穿孔四川達(dá)窩輸氣管線(xiàn)，H2S腐蝕造成開(kāi)裂爆炸事故，24人死亡油氣管道開(kāi)裂和泄漏造成的環(huán)境污染嚴(yán)重美國(guó)1993年、1994年在華盛頓和新澤西洲發(fā)生的兩起輸氣管道爆裂事故四、分支管路分支管道特征

流入?yún)R合點(diǎn)的流量等于自匯合點(diǎn)流出的流量。

沿一條管線(xiàn)上總水頭損失為各段水頭損失總和。計(jì)算問(wèn)題－新建管道，確定管徑、起點(diǎn)壓力

已知管網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式（地形、長(zhǎng)度、用戶(hù)位置）、用水量、用戶(hù)所需自給水頭，確定管徑和管網(wǎng)起點(diǎn)水壓。213Jz2z1z31根據(jù)管網(wǎng)布置圖，將管網(wǎng)分段編號(hào)2用連續(xù)性方程確定各段流量3以經(jīng)濟(jì)流速確定各段管徑4取標(biāo)準(zhǔn)管徑后，計(jì)算流速和摩阻5按長(zhǎng)管計(jì)算各段水頭損失hw6按串聯(lián)管道計(jì)算起點(diǎn)到控制點(diǎn)的總水頭損失。計(jì)算問(wèn)題－擴(kuò)建管道，確定管徑

已知管網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式（地形、長(zhǎng)度、用戶(hù)位置）、用戶(hù)用水量，起點(diǎn)壓力，確定管徑。213Jz2z1z31根據(jù)管網(wǎng)布置圖，將管網(wǎng)分段編號(hào)2計(jì)算每一個(gè)主干線(xiàn)的平均水力坡度，選擇其中最小的作為擴(kuò)建管網(wǎng)的控制干線(xiàn)3按平均水力坡度，計(jì)算各段摩阻4選擇管徑

中國(guó)天然氣管道

川渝環(huán)網(wǎng)干線(xiàn)：北干線(xiàn)

南干線(xiàn)管長(zhǎng)：2906千米管徑：最大720mm鋼材：X60歐洲天然氣管道

北海海底管網(wǎng)阿意輸氣管道

美國(guó)天然氣管道

灣流管道系統(tǒng)

俄羅斯輸氣管道

俄羅斯已建和擬建跨國(guó)輸氣管道

一個(gè)抽水系統(tǒng)通過(guò)水泵轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)輪的作用，在水泵進(jìn)水口形成真空，使水流在池面大氣壓強(qiáng)的作用下沿吸水管上升，流經(jīng)水泵時(shí)從水泵獲得新的能量，進(jìn)入壓力管，再流入水塔。1水泵吸水管的水力計(jì)算5.4短管的水力計(jì)算吸水管和壓力水管吸水管:短管壓力水管:長(zhǎng)管水泵系統(tǒng)的水力計(jì)算

虹吸管是一種壓力輸水管道，頂部彎曲且其高程高于上游供水水面。在虹吸管內(nèi)造成真空，使作用虹吸管內(nèi)產(chǎn)生真空，水流則能通過(guò)虹吸管最高處引向其他處。2虹吸管的水力計(jì)算

虹吸管的優(yōu)點(diǎn)在于能跨越高地，減少挖方。虹吸管長(zhǎng)度一般不長(zhǎng)，故按照短管計(jì)算。pa1122zzs虹吸管頂部

虹吸管頂部的真空壓強(qiáng)理論值不能大于最大真空值（10mH2O）。當(dāng)虹吸管內(nèi)壓強(qiáng)接近該溫度下的汽化壓強(qiáng)時(shí)，液體將產(chǎn)生汽化，破壞水流連續(xù)性，可能產(chǎn)生空蝕破壞，故一般虹吸管中的真空值7～8mH2O。例1：有一渠道用兩根直徑為1.0m的混凝土虹吸管來(lái)跨越山丘，上游水位為▽1＝100.0m下游水位為▽2＝99.0m虹吸管長(zhǎng)度l1=8m

；l2=15m；l3=15m，沿程阻力系數(shù)為0.03，彎頭的局部水頭損失系數(shù)為0.365，進(jìn)口局部水頭損失系數(shù)為0.5；出口局部水頭損失系數(shù)為1.0。試確定：當(dāng)虹吸管中的最大允許真空度為7mH2O