气体输配管网水力特征与水力计算PPT演示课件

气体输配管网水力特征与水力计算（P41）,2.1 气体管流水力特征2.1.1 气体重力管流水力特征如图2-1-1，管道内气体由断面1流向断面2。其流动的能量方程式为：,(2-1-1),H2,H1,1,2,No83,其中，pj1、pj2分别是管内断面1、2的静压；,v1、v2分别是管内断面1、2的流速；H分别是断面1、2的位置标高；a、 为环境空气密度和管内气体密度；g为重力加速度；p12为从断面1到 断面2的流动能量损失。工程上称 为断面1、2处的动压； 称为位压，它实际上是重力对流动的作用。当管内外流体密度相同，位压为零。当密度上 由温度差造成时，工程上称位压为势压，或热压。,No84,若1、2断面分别在管道的进口处和出口处，如图，则有pj1=0,pj2=0,v1=0,(2-1-1)式变形为,（2-1-2）式表明，出口的动压和断面1、2之间流动损失的压力来源于进出口之间的位压。即由断面1到 2的流动是由重力引起的，属重力流，动力大小取决于进出口的高差和管道内外密度差之积。流动方向取决于管道内外气体密度的相对大小，若管道内气体,(2-1-2),No85,1,1,2,2,H2,H1,a,补充图,密度小（ a）,管道内气流向上，反之,气流向下。如卫生间排气竖井内，气体密度冬季小于室外，夏季大于室外，若无排气风机，则竖井内冬季气流向上运动，夏季气流向下运动，倒灌入位于低层的卫生间。 U型管如图 2-1-2，假设气流从断面1流入，断面2流出。断面1断面D的能量方程式为：,(2-1-3),1,2,D,1,a,2,H2,H1,H2,V2,V1,1,D,断面D断面2的能量方程为：,其中，1、2分别为管道1-D和D-2中的气体密度；pjD、VD为断面D处的静压和流速； 分别是管流由1到D和D到2中的能量损失，将（2-1-3）和（2-1-4）相加，整理得,(2-1-4),(2-1-5),D,2,（2-1-5）式表明：,U型管道内的重力流，与管道外的空气密度无关。流动动力取决于两竖直管段内的气体密度差（1-2）和管道高度（H2-H1）之积。密度相对较小的竖管内气体向上流。当图2-1-2中的断面1、2合为一体时，如图2-1-3，形成闭式循环管道，其能量方程式为其中pL是流过闭式循环管道的能量损失，,(2-1-6),1,2 1,H2,H1,图2-1-3闭式管道重力循环流动,No88,式（2-1-6）表明：,无机械动力的闭式管道中，流动动力取决于竖管段内的气体密度差和竖管段的高之积。密度较大的竖管内气流向下，密度较小的竖管内气流向上。2.1.2 气体压力管流水力特性当管道内部、管道内外不存在密度差，或是水平管网，则有即位压等于零，（2-1-1）式变为：,(2-1-7),No89,同一断面上静压与动压之和称为全压pq,即,即 ,(2-1-7)式可变形为：(2-1-8)式表明，位压为零的管流中，是两断面的全压差克服流动阻力造成流动，上游断面全压减去上、下游断面间的流动阻力等于下游断面的全压，即,(2-1-8),(2-1-9),No90,因此，流速的变化，引起动压变化，也必然,引起静压变化。上游断面静压减去上、下游断面间的流动阻力与上下游断面动压变化之和等于下游断面的静压，即（2-1-9）和（2-1-10）式表明了压力流网的基本水力特征。当管段中没有外界动力输入时，下游断面的全压总是低于上游断面。而上、下游断面间的静压关系比较复杂，这是因为（2-1-10 ）的 内可“+”、可“-”、也可为“0”.,(2-1-10),No91,可通过改变流速，在一定范围内调整静压。,2.1.3 压力和重力综合作用下的气体管流特征由（2-1-1）式可得：二者综合作用，克服流动阻力 ，维持管内流动。但二者的综合作用并非总是相互加强的。当H1),阻挡向下流动,（ H2H1 ）。反之，管内气体密度大时，位压驱动气体向下流动，阻挡向上流动。在闭式循环管路内，位压驱动密度小的气体向上流动，密度大的气体向下流动；阻挡相反方向的流动。若压力 驱动的流动方向与位压一致，则二者综合作用加强管内气体流动，若驱动方向相反，则由绝对值大者决定管流方向；绝对值小者实际上成为加“流动阻力”。如空调建筑装有排气风机的卫生间排气竖井，冬季在位压的辅助作用下，排气能力明显,No93,加强，夏季排气风机除克服竖井的阻力外，,还要克服位压，排气能力削弱，尤其是高层建筑。2.2 流体输配管网水力计算的基本原理和方法流体输配管网水力计算的主要目的是根据要求的流量分配，确定管网的各段管径（或断面尺寸）和阻力，求得管网特性曲线，为匹配管网动力设备（风机、水泵等）的型号和动力消耗；或者根据已定的动力设备，确定保证流量分配的管道尺寸。,No94,2.2.1 摩擦阻力计算,摩擦阻力按下式计算：当管道材料不变，断面尺寸不变，流体密度和流量也不 随流程变化时，式中，为摩阻力系数： 为管段长度，m；Rs为管道水力半径，m；Rm为管道 单位长度摩阻力，又称为比阻，Pa/m。,（2-2-1）,No95,f为管道过流断面面积，m2.,当管网压力变化使气体密度的变化不能忽略时，需要引入气态方程和连续方程组成联合方程组； 在等断面管道、等温流动条件下，求解此联合方程组得：,常数,No96,得：,式中，p1、p2分别为1、2断面的绝对压力，Pa；L0为管道 流量，Nm3/s;分别为气体在标准状态下的密度、压力、绝对温度和压缩因子； 为断面1、2间的管道长度，m。对于接近于0C的常温、压力不太大的（0.8MPa）圆形管道，可近似取T/T0=1；Z/Z0=1.,（2-2-1）,No97,(2-2-1)简化为:,低压（0.005MPa）管道，近似取p1+p2=2p0。(2-2-1)可进步简化为,（2-2-1“）,（2-2-1“）,No98,以上公式表明，必须注意正确选择适合管,流特征摩擦阻力计算公式。确定计算公式后，需计算摩擦阻力系数。 是管流雷诺数Re和管道相对粗糙度的函数。式中K为管道材料的绝对粗糙度。大量实验荻得不同流态下，（2-2-2）式的具体数学关系：,（2-2-2）,No99,在层流区：,当2000Re4000时称为临界区或临界过度区：紊流区包括水力光滑区、过渡区（又称紊流过渡区）和阻力平方区：工程中，还常采用适合于一定管材，一定阻力区的专用公式：,（2-2-2a）,（2-2-2b）,（2-2-2c）,No100,1.阿里特苏里公式：,2.谢维列夫公式对于新钢管：水力光滑区过渡区（ ）,（2-2-2d）,（2-2-2e）,（2-2-2f）,No101,对于新铸铁管：,水力光滑管（ ）过渡区（ ）阻力平方区（ ）,（2-2-2h）,（2-2-2i）,（2-2-2j）,No102,上述诸式：,K1-考虑实验室和实际安装管道的条件不同的系数，取K1=1.15；K2-考虑由于焊接接头而使阻力增加的系数，取K2=1.18。谢维列夫建议的适用铸铁管紊流三个区的综合公式为：根据新铸铁管的实际资料，上式可写成：,（2-2-2k）,No103,有明显差别，雷诺数范围不相同。这就造成同一基本原理下，不能用统一的计算公式或图表计算各种流体输配管网的摩擦阻力。因此必须特别注意各公式和计算图表的使用条件和修正方法。2.2.2 局部阻力计算局部阻力按下式计算：,实际工程中，各种流体输配管网的流动状态,（2-2-3）,No104,式中，为局部阻力系数。,局部阻力系数一般实验方法确定。实际工程中，管件、部件或设备处的流动，通常都处于自模区，局部阻力系数 只取决于管件部件或设备流动通道的几何参数，一般不考虑相对粗糙度和雷诺数的影响。,No105,2.2.3 常用的水力计算方法,流体输配管网水力计算的常用方法有假定流速法、压损平均法和静压复得法等，目前常用的是假定流速法。假定流速法的特点是，先按技术经济要求选定管内流速,再结合所需输送的流量，确定管道断面尺寸，进而计算管道阻力。,No106,压损平均法的特点是，将已知总作用水头，按,管道长度平均分配给每一管段，以此确定管段阻力，再根据每一管段的流量确定管道断面尺寸。当管道系统所用的动力设备型号已定，或对分支管路进行阻力平衡计算，此法较为简便。环状管网水力计算常用此法。静压复得法的特点是，利用管道分段，改变管道 断面尺寸，降低流速，克服管段阻力，重新获得静压。不论采用何种方法，水力计算必须完成管网系统和设备的布置，确定管材，确定各个接受流量的管网末端的位置和所需分配的流量。,No107,然后循着各种方法所要求的步骤进行计算。,以下是假定流速法的 基本步骤：（1）绘制管网轴测图，对各管段进行编号，标出长度和流量。（2）合理确定管内流体流速。（3）根据各管段流量和确定的流速，确定各各部管段的断面尺寸。（4）计算各管段的阻力（5）平衡并联管路（使各并联管路的计算阻力相等）。这是保证流量按要求分配的关键。,No108,若并联管路计算阻力不相等，在实际运行时，,管网会自动调整各并联管路流量，使并联管路的实际流动阻力相等。这时各并联管路的流量不是要求的流量。（6）计算管网的总阻力，求取管网特性曲线。（7）根据管网特性曲线，所要求输送的总流量以及所输送流体的种类、性质等诸因素，综合考虑为管网匹配动力设备（风机、水泵等），确定动力设备所需的参数。管网阻力计算和特性曲线的求取，水力计算的主体，对不同流体输配管网水力计算虽有,No109,区别，但都是水力计算的重点所在，因而是,水力计算的学习重点。水力计算的另重点是管网动力设备的匹配，在第7章专门分析讨论。水力计算中，各种计算公式和基础数据的选取，应遵循相关规范、标准的规定，没有规定的，则可从相关设计手册和资料中查取。2.3 气体输配管网水力计算以通风空调工程的输配管网为例，学习开式枝状气体输配管网水力计算的具体方法。第2.2节中列出了水力计算的7个步骤，这里介绍到第6步，求取管网特性曲线为止。第7步匹配动力设备（风机）在第7章学习。,No110,计算之前，需先完成空气输配管网的布置，,包括系统划分；管道 布置、设备和各送排风点位置的确定；各送风点要求的风量和要求各管段的风量也得一一确定。完成上述前期准备工作之后，方可按假定流速法的基本步骤进行水力计算。2.3.1.1 管内流速和管道断面尺寸（1）绘制风管系统轴测图绘制风管系统轴测图，并划分好管段，对各管段进行编号，标注长度和风量。,No112,通常按流量和断面变化划分管段，一条管段,内流量和管段断面不变，流量和断面二者之一或二者同时发生变化之处是管段的起点或终点。管段长度按管段的中心线长度计算，不扣除管件（如三通、弯头）本身的长度。（2）确定管内流速管内的流速对通风、空调系统的经济性有较大影响，对系统的技术条件也有影响。流速高，风管断面小，占用的空间小，材料耗用少，建造费用小；但系统阻力大，动力消耗大，运行费用增 加，且增加噪声。若气流中,No112,含有粉尘等，会增加设备和管道 的磨损。,反之，流速低，阻力小，动力消耗少；但是风管断面大，材料和建造费用大，风管占用的空间也增大。流速过低会使粉尘沉积而堵塞管道。因此，必须通过全面的技术经济比较选定合理的流速。根据经验总结，风管内的空气流速可按表2-3-1、表2-3-2确定