压力管道水力计算.pptx

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1、一、主要内容：1 1、长管计算实用公式、长管计算实用公式；2 2、串联、并联管路水力计算、串联、并联管路水力计算；3 3、短管计算实用公式、短管计算实用公式；4 4、孔口出流与管嘴泄流、孔口出流与管嘴泄流；第1页/共75页二、应用公式：1 1、连续性方程、连续性方程：2 2、伯努利方程、伯努利方程：3 3、达西公式、达西公式：4 4、包达公式、包达公式：5 5、雷诺数、雷诺数：第2页/共75页1、有压管道：、有压管道：管道被水充满，管道周界各点受到液体压强作管道被水充满，管道周界各点受到液体压强作用，其断面各点压强，一般不等于大气压强。用，其断面各点压强，一般不等于大气压强。液 体管管 壁壁有

2、压管道有压管道液体自由面 管管 壁壁无压管道无压管道三、基本概念 工程中，常用各种有压管道输送液体，如水电站压力引水工程中，常用各种有压管道输送液体，如水电站压力引水钢管；水库有压泄洪隧洞或泄水管；供给的水泵装置系统及钢管；水库有压泄洪隧洞或泄水管；供给的水泵装置系统及管网；输送石油的管道。管网；输送石油的管道。第3页/共75页 2、管道按布置分简单管道：直径始终不变，无分支的管路（基础）简单管道：直径始终不变，无分支的管路（基础）复杂管道复杂管道串联管道串联管道并联管道并联管道 分枝管道分枝管道短管短管 长管长管 3两种水头损失大小比重局部水头损失、流速水头占局部水头损失、流速水头占总水头损

3、失比例较大（大于总水头损失比例较大（大于5%5%），计算时不能忽略），计算时不能忽略沿程水头损失水头为主，沿程水头损失水头为主，局部损失和流速水头在总局部损失和流速水头在总水头损失中所占比重很小，水头损失中所占比重很小，计算时可忽略。计算时可忽略。第4页/共75页1 1 长管和短管不按管道绝对长度决定。长管和短管不按管道绝对长度决定。2 2 当管道存在较大局部损失管件，例如局部开启闸当管道存在较大局部损失管件，例如局部开启闸门、喷嘴、底阀等。即使管道很长，局部损失也门、喷嘴、底阀等。即使管道很长，局部损失也不能略去，必须按短管计算。不能略去，必须按短管计算。3 3 长管：长管：忽略局部水头损失

4、和流速水头（沿程损忽略局部水头损失和流速水头（沿程损失不能略去），计算工作大大简化，其对结果又失不能略去），计算工作大大简化，其对结果又没有多大影响。没有多大影响。注意注意 第5页/共75页 压力管道水力计算的压力管道水力计算的主要内容主要内容就是确定水头损失，包就是确定水头损失，包括沿程水头损失和局部水头损失。括沿程水头损失和局部水头损失。第6页/共75页5.1 5.1 长管的水力计算长管的水力计算管道的种类管道的种类:简单管道简单管道串联管道串联管道并联管道并联管道一、简单管道一、简单管道 1 1、计算中一般涉及的公式：、计算中一般涉及的公式：连续性方程：连续性方程：沿程损失：沿程损失：能

5、量方程：能量方程：第7页/共75页 2 2、管路特性曲线：对于一定管长和管径的管路，系数、管路特性曲线：对于一定管长和管径的管路，系数将随将随值变化，给值变化，给不同流量不同流量Q Q将可算出不同的水头损失将可算出不同的水头损失h hw w，绘制成曲线，称为管路特性曲线。，绘制成曲线，称为管路特性曲线。说明说明：（：（1 1）当由泵输送液体时，因泵给出的扬程）当由泵输送液体时，因泵给出的扬程H H要克服位差和水头损失，要克服位差和水头损失，绘制管路特性曲线时，纵坐标以泵的扬程为准，固管路特性曲线相应地要平移绘制管路特性曲线时，纵坐标以泵的扬程为准，固管路特性曲线相应地要平移一个位差的高度。一个

6、位差的高度。（2 2）理论上有层流到湍流应有折点，实用上不予考虑，而绘制成光）理论上有层流到湍流应有折点，实用上不予考虑，而绘制成光滑曲线。滑曲线。（3 3）根据水头损失的计算通式，当有局部水头损失时，可折算为当）根据水头损失的计算通式，当有局部水头损失时，可折算为当量长度并入沿程水头损失；量长度并入沿程水头损失；（4 4）管路特性曲线对于确定泵的工况和自流泄油工况，将有重要作）管路特性曲线对于确定泵的工况和自流泄油工况，将有重要作用，在工程中经常使用。用，在工程中经常使用。第8页/共75页第9页/共75页层流：层流：水力光滑：水力光滑：水力粗糙：水力粗糙：过渡粗糙：过渡粗糙：(式中：式中：）

7、第10页/共75页可综合成一个公式：可综合成一个公式：式中系数式中系数、指数、指数m可根据不同流态在下表中选取：可根据不同流态在下表中选取：流态流态m层流层流4.151水力光滑水力光滑0.02460.25过渡粗糙过渡粗糙0.0802A0.123水力粗糙水力粗糙0.08260第11页/共75页3 3、三类计算问题、三类计算问题（1 1）已知）已知qV、l、d、，求，求hf；（选泵的扬程）；（选泵的扬程）（2）已知）已知hf、l、d、，求，求qV；（输送能力）；（输送能力）（3）已知）已知hf、qV、l、，求，求d。（设计管路）（设计管路）简单管道的水力计算是其它复杂管道水力计算的基础。简单管道的

8、水力计算是其它复杂管道水力计算的基础。第12页/共75页第一类问题第一类问题的计算步骤的计算步骤（1 1）已知）已知qV、l、d、，求，求hf；qV、d计算计算Re计算计算 计算计算 hf计算计算v第13页/共75页例题例题5-15-1：5050的原油，密度的原油，密度 ，运动粘度，运动粘度 ，流过一根长，流过一根长 的管道，流量的管道，流量 试求产生的压降。试求产生的压降。解：这是简单长管计算的第一类问题解：这是简单长管计算的第一类问题因此，属于水力光滑区，则：因此，属于水力光滑区，则：第14页/共75页第二类问题的计算步骤（不知道流量，试算）第二类问题的计算步骤（不知道流量，试算）（2）已

9、知）已知hf、l、d、，求，求qV；假设假设Q 由由Q计算计算 Re、计算计算Q1重新计算新的重新计算新的Re1、1Q1=Q2NY由达西公式计算由达西公式计算 Q2Q2方法一：方法一：第15页/共75页2020的水，流过直径的水，流过直径 的混凝土管道，在的混凝土管道，在 的长度上水头损失的长度上水头损失 ，设粗糙度，设粗糙度 ，试求流量，试求流量Q Q。解：这是简单长管计算的第二类问题，查表可知解：这是简单长管计算的第二类问题，查表可知2020的水：的水：先设先设 ，则，则而而E2:E2:则：则：第16页/共75页再算：再算：最后所求的流量为最后所求的流量为则重新计算：则重新计算：再重新演算

10、，再重新演算，第17页/共75页（2）已知）已知hf、l、d、，求，求qV；假定假定一个流态一个流态 选取选取、m值值计算计算Q计算计算Re不相符不相符相符相符校核流态校核流态Q方法二：方法二：第18页/共75页第三类问题的计算步骤第三类问题的计算步骤（3）已知）已知hf、qV、l、，求，求d。hf qV l 假设假设d1计算计算v1，Re1，1计算计算d2取取d1=d2NYd=d2方法一：方法一：第19页/共75页E3E3：5050的四氯化碳，密度的四氯化碳，密度 ,运动粘度运动粘度 通过长通过长 的钢管，流量的钢管，流量 要求单位长度的压降为要求单位长度的压降为 ，设，设 ，试计算管道需要

11、的管径，试计算管道需要的管径d d。解：这是简单长管计算的第三类问题解：这是简单长管计算的第三类问题先设先设则则:而而 在莫迪图上查出：在莫迪图上查出：第20页/共75页用用 重算，即有：重算，即有：再查莫迪图：再查莫迪图：取：取：第21页/共75页方法二：方法二：1 1）根据设计流量，在适宜的流速范围内选择几个不同的管径；）根据设计流量，在适宜的流速范围内选择几个不同的管径；2 2）按照所选管径算出经济流速；）按照所选管径算出经济流速；3 3）根据经济流速、管径及油品粘度计算雷诺数，确定流态，计算水头损失；）根据经济流速、管径及油品粘度计算雷诺数，确定流态，计算水头损失；4 4）由水头损失确

12、定泵的扬程及功率，计算出每年动力消耗费用；）由水头损失确定泵的扬程及功率，计算出每年动力消耗费用；5 5）计算全部设备投资、管线投资及每年平均折旧费；）计算全部设备投资、管线投资及每年平均折旧费；6 6）计算每年的检修、保养及管理费用；）计算每年的检修、保养及管理费用；7 7）把选用不同管径时每年所需各种费用全部开支一一算出；）把选用不同管径时每年所需各种费用全部开支一一算出；7 7）以管径为横坐标，年费为纵坐标，绘成曲线，选择经济直径。）以管径为横坐标，年费为纵坐标，绘成曲线，选择经济直径。第22页/共75页二、串联管道二、串联管道 由不同管道直径和管壁粗糙度的数段根管子连接在一起的管道。由

13、不同管道直径和管壁粗糙度的数段根管子连接在一起的管道。ABH21串联管道特征串联管道特征1.1.各管段的流量相等各管段的流量相等2.2.总损失等于各段管总损失等于各段管 道中损道中损失之和失之和第23页/共75页两类计算问题两类计算问题1 1、已知串联管道的流量、已知串联管道的流量qV，求，求hf 或扬程或扬程H；2、已知总水头已知总水头H，求串联管道的流量，求串联管道的流量qV。第24页/共75页v0Q1Q2Q3q1q2l1 d1l2 d2l3 d3hf1hf2hf 3H111 1 按长管计算按长管计算第25页/共75页 上式是串联管道的基本公式，联立以上三式，可上式是串联管道的基本公式，联

14、立以上三式，可解算解算Q、d、H 等问题。等问题。IR1UIR2IR3第26页/共75页v0Q1Q2Q3q1q2l1 d1l2 d2l3 d3hf1hf2hf 3H11 在长管的条件下，各段的测压管水头线与总水头在长管的条件下，各段的测压管水头线与总水头线重合，管道水头线呈折线，因为各管段流速不同，线重合，管道水头线呈折线，因为各管段流速不同，水头线坡度也各不相同。水头线坡度也各不相同。第27页/共75页v01l1 d1 v1l2 d2 v2l3 d3 v3v3H12 v222g1 v122g3 v322g2 2 按短管计算按短管计算 第28页/共75页v01l1 d1 v1l2 d2 v2l

15、3 d3 v3v3H12 v222g1 v122g3 v322g对上游断面和出口断面列能量方程，则对上游断面和出口断面列能量方程，则第29页/共75页三、并联管道三、并联管道 由几条简单管道或串联管道，入口端与出口端分别连接在一起的管道系统。由几条简单管道或串联管道，入口端与出口端分别连接在一起的管道系统。并联管道特征并联管道特征1.1.总流量是各分管段流量之和。总流量是各分管段流量之和。2.2.并联管道的损失等于各分管道的损失。并联管道的损失等于各分管道的损失。AQQ1 d1 hw1Q2 d2 hw2Q3 d3 hw3BQ特点：一般按长管进行水力计算第30页/共75页QhfQHABhfAhf

16、1=hf2=hf3=hfl1 d1 Q1l3 d3 Q3l2 d2 Q2HBHA设各管径、流量为设各管径、流量为di、Qi，i=1，3，考虑能量方程，则，考虑能量方程，则第31页/共75页QhfQHABhfAhf1=hf2=hf3=hfl1 d1 Q1l3 d3 S3 Q3l2 d2 K2 Q2HBHA各支的流量与总流流量各支的流量与总流流量之间之间应满足连续方程，即应满足连续方程，即第32页/共75页各支水头损失，按长管计算，则各支水头损失，按长管计算，则各支的流量与总流流量各支的流量与总流流量之间之间应满足连续方程，即应满足连续方程，即 设各管径、流量分别为设各管径、流量分别为di、Qi，

17、i=1，3。考虑每一支的能量方程，则考虑每一支的能量方程，则第33页/共75页 hf 求出后，再求出各支管的流量求出后，再求出各支管的流量 若总流的流量及各并联支管的直径、长度、若总流的流量及各并联支管的直径、长度、和粗糙度已知时，可求出总流量、支流量以及水和粗糙度已知时，可求出总流量、支流量以及水头损失；头损失；第34页/共75页两类计算问题两类计算问题（1）已知）已知A点和点和B点的静水头线高度（即点的静水头线高度（即z+p/g)，求总流量，求总流量qV；AQQ1 d1 hw1Q2 d2 hw2Q3 d3 hw3BQ假设假设 由由hf计算计算 v、Re由由Re、查莫迪图得查莫迪图得 New

18、校核校核 New=NewNY由由hf计算计算 v、qV 求解方法相当求解方法相当于简单管道的第于简单管道的第二类计算问题。二类计算问题。第35页/共75页（2 2）已知总流量）已知总流量q qV V，求各分管道中的流量及能量损失，求各分管道中的流量及能量损失 。假设管假设管1的的 qV1 由由qV1计算管计算管1的的hf1 由由hf1求求qV2和和 qV3hf1=hf2=hf3qV1=qV1N结束计算结束计算按按qV1、qV2 和和qV3的比例计算的比例计算qV1、qV2 和和qV3计算计算hf1、hf2和和hf3 YAQQ1 d1 hw1Q2 d2 hw2Q3 d3 hw3BQ第36页/共7

19、5页例题例题5-45-4：并联管路系统中，并联管路系统中，管材都为新的无缝钢管，管材都为新的无缝钢管，总流量，总流量 ，试求每条分支管路的流量，试求每条分支管路的流量Q Q1 1，Q Q2 2。该流体。该流体第37页/共75页解：相对粗糙度解：相对粗糙度先假设流动都在湍流粗糙区先假设流动都在湍流粗糙区 则在莫迪图上查出：则在莫迪图上查出：由由 ，并先设，并先设第38页/共75页将将 代入达西公式，求出代入达西公式，求出Q Q2 2加大加大Q Q1 1，再设，再设 于是：于是：第39页/共75页以上结果已比较好，用以上结果已比较好，用ReRe数校验沿程阻力系数：数校验沿程阻力系数：而：而：查莫迪

20、图得：查莫迪图得：重设重设第40页/共75页重算：重算：于是：于是：至此，试算结束。至此，试算结束。第41页/共75页塔里木油田，管投产塔里木油田，管投产1 1年零年零9 9个月个月COCO2 2腐蚀穿孔腐蚀穿孔四川达窝输气管线，四川达窝输气管线，H H2 2S S腐蚀腐蚀造成开裂爆炸事故，造成开裂爆炸事故，2424人死人死亡亡第42页/共75页油气管道开裂和泄漏造成的环境污染严重油气管道开裂和泄漏造成的环境污染严重美国美国19931993年、年、19941994年在华盛顿和新泽西洲发生的两起输气管道爆裂事故年在华盛顿和新泽西洲发生的两起输气管道爆裂事故第43页/共75页四、分支管路四、分支管

21、路分支管道特征分支管道特征 流入汇合点的流量等于自汇合点流入汇合点的流量等于自汇合点流出的流量。流出的流量。计算内容：计算内容：1 1、根据管线布置选定主管线（从起点到最远点）；、根据管线布置选定主管线（从起点到最远点）；2 2、按各终点流量要求，从末端前推，分配各段流量；、按各终点流量要求，从末端前推，分配各段流量；3 3、根据流量及合理流速，选定各段管径；、根据流量及合理流速，选定各段管径；4 4、计算干线各段水头损失，确定干线上各节点处的压头，进而推算起点压头，、计算干线各段水头损失，确定干线上各节点处的压头，进而推算起点压头，以确定泵压或罐塔高度。以确定泵压或罐塔高度。5 5、以算出的

22、节点压头为准，确定各支管的水头损失，再根据设定的管径校核水、以算出的节点压头为准，确定各支管的水头损失，再根据设定的管径校核水头损失。头损失。第44页/共75页 中国天然气管道 第45页/共75页 川渝环网干线：北干线 南干线管长：2906千米管径：最大720mm钢材：X60第46页/共75页第47页/共75页欧洲天然气管道 北海海底管网阿意输气管道第48页/共75页 美国天然气管道 湾流管道系统第49页/共75页 俄罗斯输气管道 俄罗斯已建和拟建跨国输气管道俄罗斯已建和拟建跨国输气管道俄罗斯已建和拟建跨国输气管道俄罗斯已建和拟建跨国输气管道第50页/共75页 一个抽水系统通过水泵转动转轮的作

23、用，在水泵进一个抽水系统通过水泵转动转轮的作用，在水泵进水口形成真空，使水流在池面大气压强的作用下沿吸水口形成真空，使水流在池面大气压强的作用下沿吸水管上升，流经水泵时从水泵获得新的能量，进入压水管上升，流经水泵时从水泵获得新的能量，进入压力管，再流入水塔。力管，再流入水塔。1 1 水泵吸水管的水力计算水泵吸水管的水力计算5.4 5.4 短管的水力计算短管的水力计算吸水管和压力水管吸水管和压力水管 吸水管吸水管:短管短管 压力水管压力水管:长管长管 第51页/共75页水泵系统的水力计算水泵系统的水力计算第52页/共75页第53页/共75页第54页/共75页 虹吸管是一种压力输水管虹吸管是一种压

24、力输水管道，顶部弯曲且其高程高于道，顶部弯曲且其高程高于上游供水水面。在虹吸管内上游供水水面。在虹吸管内造成真空，使作用虹吸管内造成真空，使作用虹吸管内产生真空，水流则能通过虹产生真空，水流则能通过虹吸管最高处引向其他处。吸管最高处引向其他处。2 2 虹吸管的水力计算虹吸管的水力计算 虹吸管的优点在于能跨越高地，减少挖方。虹吸管的优点在于能跨越高地，减少挖方。虹吸管长度一虹吸管长度一般不长，故按照短管计算。般不长，故按照短管计算。pa1122zzs虹吸管顶部虹吸管顶部第55页/共75页第56页/共75页 虹吸管顶部的真空压强理论值不能大于最虹吸管顶部的真空压强理论值不能大于最大真空值（大真空值

25、（10mH2O10mH2O）。）。当虹吸管内压强接近该温度下的汽化压强当虹吸管内压强接近该温度下的汽化压强时，液体将产生汽化，破坏水流连续性，可时，液体将产生汽化，破坏水流连续性，可能产生空蚀破坏，故一般虹吸管中的真空值能产生空蚀破坏，故一般虹吸管中的真空值7 78mH2O8mH2O。第57页/共75页例例1：有一渠道用两根直径为：有一渠道用两根直径为1.0m的混凝土虹吸管来跨越山丘，的混凝土虹吸管来跨越山丘，上游水位为上游水位为1100.0m下游水位为下游水位为299.0m虹吸管长度虹吸管长度l1=8m；l2=15m；l3=15m，沿程阻力系数为，沿程阻力系数为0.03，弯头的局部水头损失系

26、数为弯头的局部水头损失系数为0.365，进口局部水头损失系数，进口局部水头损失系数为为0.5；出口局部水头损失系数；出口局部水头损失系数为为1.0。试确定：。试确定：当虹吸管中的最大允许真空度为当虹吸管中的最大允许真空度为 7mH2O时，虹吸管时，虹吸管最高最高安装高程安装高程 zs为多少？为多少？00BBzszl1l3l2第58页/共75页求流量求流量 00BBzszl1l3l211列00、11伯努力方程v第59页/共75页虹吸管中最大真空一般虹吸管中最大真空一般发生在管道最高位置。发生在管道最高位置。本题最大真空发生在第本题最大真空发生在第二个弯头后的二个弯头后的B-B B-B 断面。断面

27、。考虑考虑0-00-0断面和断面和B-B B-B 断面断面的能量方程，则的能量方程，则 00BBzszl1l3l2第60页/共75页 00BBzszl1l3l2v列00、BB伯努力方程第61页/共75页5.5 5.5 孔口和管嘴泄流孔口和管嘴泄流5.5.0 引言：孔口和管嘴泄流在石油工业中的应用 (1)(1)钻井过程中，泥浆由钻具内经过钻头的水眼或喷嘴射入井腔冲击地层；钻井过程中，泥浆由钻具内经过钻头的水眼或喷嘴射入井腔冲击地层；(2)(2)油田开采工作中，自喷井通过油嘴控制石油的产量油田开采工作中，自喷井通过油嘴控制石油的产量;(3)(3)为保持地层的能量，在油田注水井中用水嘴将高压水分别注

28、入各个油层为保持地层的能量，在油田注水井中用水嘴将高压水分别注入各个油层;(4)(4)在油气输送工作中，储运工人计量油气的输送量，是利用油气通过孔板孔眼在油气输送工作中，储运工人计量油气的输送量，是利用油气通过孔板孔眼时的节流压降的大小来测量计算的时的节流压降的大小来测量计算的;(5)(5)在石油加工、天然气净化工作中，常常将液体由喷射塔的喷嘴喷入另一种液在石油加工、天然气净化工作中，常常将液体由喷射塔的喷嘴喷入另一种液体中，以加强分散提高传热或传质效果。体中，以加强分散提高传热或传质效果。第62页/共75页5.5.1 孔口出流 1.有关孔口出流的基本概念孔口出流：流体在水头或压差作用下流过器

29、壁孔口或孔板都称为孔口出流。孔口出流的几个几何参数：孔径d，壁厚，水头H，孔口面积A，收缩断面面积Ac，收缩系数：=Ac/A。孔口出流的分类：（1）薄壁孔口：若 孔口出流时，水流与孔壁仅在一条周线上接触，壁厚对出流无影响；（2）小孔口：如 ，便可认为孔口断面上各点的水头相等，这样的孔口为小孔口；（3）定水头（定常）出流：液面位置保持不变。第63页/共75页 2.薄壁小孔口定水头出流（1）自由出流：自由出流：流体由孔口流入大气中。收缩断面：c-c。收缩系数：=Ac/A通过孔口的流速和流量分析：列自由液面与收缩断面的伯努利方程：第64页/共75页令：整理得：收缩断面的流速：其中：为流速系数。孔口流

30、量：其中：为流量系数。说明：（1）流速系数与流量系数通常由实验确定；对于圆形薄壁小孔口，这些系数都接近常数。（2）流速系数的物理意义为实际流体与理想流体流速之比；（3）流量系数的物理意义为实际流体与理想流体流量之比。第65页/共75页（2）淹没出流：流体由孔口直接流入另一部分流体中。第66页/共75页管嘴：由孔口接上与孔径d相同而长度l=（34）d的短管。5.5.2 管嘴出流（圆柱形外管嘴定水头出流）液流流经管嘴的特点：液流先在管嘴内收缩形成真空，然后扩张充满整个断面，封住管口均匀地泄出，因此增设管嘴影响了出流的速度系数，进而影响了流量系数。1.通过管嘴的流速和流量分析：对进口断面1-1和出口

31、断面2-2列伯努利方程：第67页/共75页令：整理得：管嘴出流流速：管嘴流量：第68页/共75页讨论：比较孔口和管嘴的流速系数和流量系数 管嘴管嘴=1=0.82=0.82 孔口 =0.64 =0.97 =0.62第69页/共75页2.柱状管嘴内的真空度列c-c,2-2断面的伯努力方程突然扩大：第70页/共75页第71页/共75页第72页/共75页3.圆柱形外管嘴的正常工作条件收缩断面的真空度：限制收缩断面的真空高度：规定管嘴作用水头的限值为：圆柱形管嘴的正常工作条件为：（1）作用水头（2）管嘴长度第73页/共75页4.4.各种管嘴的出流系数各种管嘴的出流系数外伸管嘴外伸管嘴薄壁孔口薄壁孔口内伸管嘴内伸管嘴扩张管嘴扩张管嘴收缩管嘴收缩管嘴流线性管嘴流线性管嘴损失系数损失系数收缩系数收缩系数Cc流速系数流速系数Cv流量系数流量系数Cq0.060.510.0940.040.63110.98110.970.820.710.960.450.980.610.820.710.950.450.98第74页/共75页感谢您的观看！第75页/共75页