压力管道水力计算课件

工程流体力学

第五章压力管路的水力计算

主讲：刘恩斌

2011年10月工程流体力学

第五章压力管路的水力计算

主讲1有压管道：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。液体管壁有压管道液体自由面管壁无压管道压力管道计算原理工程中，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管网；输送石油的管道。

有压管道：管道被水充满，管道周界各点受到液体压强作用，其断面2

管道按布置分

简单管道

复杂管道

串联管道

并联管道

分枝管道

短管

长管

两种水头损失大小比重局部水头损失、流速水头占总水头损失比例较大（大于5%），计算时不能忽略沿程水头损失水头为主，局部损失和流速水头在总水头损失中所占比重很小，计算时可忽略。管道按布置分简单管道复杂管道串联管道并联管道31长管和短管不按管道绝对长度决定。2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。既是管道很长，局部损失也不能略去，必须按短管计算。

3长管：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，其对结果又没有多大影响。注意

1长管和短管不按管道绝对长度决定。

4压力管道水力计算的主要内容就是确定水头损失，包括沿程水头损失和局部水头损失。压力管道水力计算的主要内容就是确定水头损失，包括沿程水5§5.1管路特性曲线1．管路系统的水力特性管路系统的性能曲线：管路系统流量和水头损失关系曲线（qV

~hf）§5.1管路特性曲线1．管路系统的水力特性管路系统的性能62．泵的水力特性泵性能曲线：水泵的出水流量qV分别与扬程H、效率、轴功率N的关系曲线（qV

~H，qV

~，qV

~N曲线）。其中：水泵的qV

~H关系曲线称为水泵的水力性能曲线2．泵的水力特性泵性能曲线：水泵的出水流量q73．泵与管路系统的水力耦合工况M点工况为设计工况;qVm为设计流量;Hm为设计水头。工况点M变，则服务水头Hz变；水泵水力性能曲线越平坦则供水越稳定；在管网设计时，必须校验并使之满足在最大流量下控制点的服务水头满足设计要求。Hg=Hz+（zt―z0）3．泵与管路系统的水力耦合工况M点工况为设计工况;工况点M变8§5.2长管的水力计算管道的种类:简单管道串联管道并联管道一、简单管道管道直径和管壁粗糙度均相同的一根管子或这样的数根管子串联在一起的管道系统。

计算基本公式连续方程沿程损失能量方程§5.2长管的水力计算管道的种类:简单管道串联管道并联管9§5.2长管的水力计算层流水力光滑水力粗糙混合摩擦列宾宗公式§5.2长管的水力计算层流水力光滑水力粗糙混合摩擦列宾宗10三类计算问题（1）已知qV、l、d、、Δ

，求hf；（2）已知hf、l、d、

、Δ

，求qV；（3）已知hf、qV、l、、Δ

，求d。简单管道的水力计算是其它复杂管道水力计算的基础。三类计算问题（1）已知qV、l、d、、Δ，求hf；（11第一类问题的计算步骤（1）已知qV、l、d、、Δ

，求hf；qV、l、d计算Re计算计算hf第一类问题的计算步骤（1）已知qV、l、d、、Δ，求12第二类问题的计算步骤（2）已知hf、l、d、

、Δ

，求qV；假设

由hf计算v、Re计算New校核New=NewNY由hf计算v、qV第二类问题的计算步骤（2）已知hf、l、d、、13第三类问题的计算步骤（3）已知hf、qV、l、、Δ

，求d。hf

qVlΔ计算与d的函数曲线计算New校核New=NewNY由hf计算v、qV第三类问题的计算步骤（3）已知hf、qV、l、、Δ14二、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。ABH21串联管道特征1.各管段的流量相等2.总损失等于各段管道中损失之和二、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15两类计算问题ABH21（1）已知串联管道的流量qV，求总水头H；（2）已知总水头H，求串联管道的流量qV

。两类计算问题ABH21（1）已知串联管道的流量qV，求总水头16v0Q1Q2Q3q1q2l1

d1l2

d2l3

d3hf1hf2hf3H11按长管计算v0Q1Q2Q3q1q2l1d1l2d2l17上式是串联管道的基本公式，联立以上三式，可解算Q、d、H等问题。

IR1UIR2IR3上式是串联管道的基本公式，联立以上三式，可18v0Q1Q2Q3q1q2l1

d1l2

d2l3

d3hf1hf2hf3H11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，水头线坡度也各不相同。v0Q1Q2Q3q1q2l1d1l2d2l19v01l1

d1

v1l2

d2v2l3

d3

v3v3H1α2

v222gα1

v122gα3v322g按短管计算v01l1d1v1l2d2v2l3d320v01l1

d1

v1l2

d2v2l3

d3

v3v3H1α2

v222gα1

v122gα3v322g对上游断面和出口断面列能量方程，则

v01l1d1v1l2d2v2l3d321三、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。并联管道特征1.总流量是各分管段流量之和。2.并联管道的损失等于各分管道的损失。AQQ1d1hw1Q2d2hw2Q3d3hw3BQ特点：一般按长管进行水力计算三、并联管道由几条简单管道或串联管道，入口端与出口端22两类计算问题（1）已知A点和B点的静水头线高度（即z+p/g)，求总流量qV；AQQ1d1hw1Q2d2hw2Q3d3hw3BQ假设

由hf计算v、Re由Re、查莫迪图得New校核New=NewNY由hf计算v、qV求解方法相当于简单管道的第二类计算问题。两类计算问题（1）已知A点和B点的静水头线高度（即z+p/23（2）已知总流量qV

，求各分管道中的流量及能量损失

。假设管1的q’V1

由q’V1计算管1的h’f1

由h’f1求q’V2和

q’V3h’f1=

h’f2=

h’f3q’V1=qV1N结束计算按q’V1、q’V2和q’V3的比例计算qV1、qV2和qV3计算h’f1、

h’f2和h’f3YAQQ1d1hw1Q2d2hw2Q3d3hw3BQ（2）已知总流量qV，求各分管道中的流量及能量损失。假设24QhfQHABhfAhf1=hf2=hf3=hfl1d1

Q1l3d3

Q3l2d2Q2HBHA设各管径、流量为di、Qi

，i=1，3，考虑能量方程，则

QhfQHABhfAhf1=hf2=hf3=hfl1d125QhfQHABhfAhf1=hf2=hf3=hfl1d1

Q1l3d3

S3Q3l2d2K2Q2HBHA各支的流量与总流流量之间应满足连续方程，即

QhfQHABhfAhf1=hf2=hf3=hfl1d126各支水头损失，按长管计算，则

各支的流量与总流流量之间应满足连续方程，即

设各管径、流量分别为di、Qi

，i=1，3。考虑每一支的能量方程，则

各支水头损失，按长管计算，则各支的流量与总流流量之间应满足27

hf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、和粗糙度已知时，可求出总流量、支流量以及水头损失；hf求出后，再求出各支管的流量若总流的流量28四、分枝管路分支管道特征流入汇合点的流量等于自汇合点流出的流量。四、分枝管路分支管道特征流入汇合点的流量等于自汇合点29计算问题－新建管道，确定管径、起点压力已知管网结构形式（地形、长度、用户位置）、用量、用户所需水头，确定管径和管网起点水压。213Jz2z1z31根据管网布置图，将管网分段编号3按照终点流量要求，确定各段流量4以经济流速确定各段管径5取标准管径后，计算流速和摩阻6按长管计算各段水头损失hw7按串联管道计算起点到控制点的总水头损失。2选定主干线，一般从起点到最远点计算问题－新建管道，确定管径、起点压力已知管网结构形30压力管道水力计算课件31压力管道水力计算课件32欧洲天然气管道

北海海底管网阿意输气管道欧洲天然气管道北海海底管网阿意输气管道33美国天然气管道

湾流管道系统美国天然气管道湾流管道系统34一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。1水泵吸水管的水力计算5.4短管的水力计算吸水管和压力水管吸水管:短管压力水管:长管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35例1如图所示的离心泵，抽水流量qVh=306m3/h，吸水管长度为l=12m,直径d=0.3m，沿程损失因数=0.016，局部损失因数：带底阀吸水口1=5.5，弯头2=0.3。允许吸水真空度[hv]=6m，试计算此水泵的允许安装高度HS。解：取基准面，列断面1–1、2–2的伯努利方程其中将=0.016，l=12m，d=0.3m，，代入上式可得例1如图所示的离心泵，抽水流量qVh=306m3/h，36§5.5孔口和管嘴泄流流体在水头或压差作用下流过器壁孔口或孔板都称为孔口出流。薄壁孔口：厚壁孔口：

小孔口：大孔口：§5.5孔口和管嘴泄流流体在水头或压差作用下流过器壁孔口37一、定水头孔口泄流令收缩系数

一、定水头孔口泄流令收缩系数38

391140

完善收缩：不完善收缩：局部收缩：CDAaL>3aBbL>3bL>3aL>3b完善收缩：不完善收缩：局部收缩：CDAaL>3aBbL>41二、管嘴泄流管嘴出流流量公式二、管嘴泄流管嘴出流流量公式42比较孔口和管嘴的流速系数和流量系数管嘴ε=1=0.82μ=0.82孔口ε=0.64=0.97

μ=0.62二、管嘴泄流比较孔口和管嘴的流速系数和流量系数管嘴孔口二43压力管道水力计算课件44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：柱状管嘴内的真空度列c-c,2-2断面的伯努力方程突然45压力管道水力计算课件46压力管道水力计算课件47各种管嘴的出流系数外伸管嘴薄壁孔口内伸管嘴扩张管嘴收缩管嘴流线性管嘴损失系数ζ收缩系数Cc流速系数Cv流量系数Cq0.060.510.0940.040.63110.98110.970.820.710.960.450.980.610.820.710.950.450.98各种管嘴的出流系数外伸管嘴薄壁孔口内伸管嘴扩张管嘴收缩管嘴流48

工程流体力学

第五章压力管路的水力计算

主讲：刘恩斌

2011年10月工程流体力学

第五章压力管路的水力计算

主讲49有压管道：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。液体管壁有压管道液体自由面管壁无压管道压力管道计算原理工程中，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管网；输送石油的管道。

有压管道：管道被水充满，管道周界各点受到液体压强作用，其断面50

管道按布置分

简单管道

复杂管道

串联管道

并联管道

分枝管道

短管

长管

两种水头损失大小比重局部水头损失、流速水头占总水头损失比例较大（大于5%），计算时不能忽略沿程水头损失水头为主，局部损失和流速水头在总水头损失中所占比重很小，计算时可忽略。管道按布置分简单管道复杂管道串联管道并联管道511长管和短管不按管道绝对长度决定。2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。既是管道很长，局部损失也不能略去，必须按短管计算。

3长管：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，其对结果又没有多大影响。注意

1长管和短管不按管道绝对长度决定。

52压力管道水力计算的主要内容就是确定水头损失，包括沿程水头损失和局部水头损失。压力管道水力计算的主要内容就是确定水头损失，包括沿程水53§5.1管路特性曲线1．管路系统的水力特性管路系统的性能曲线：管路系统流量和水头损失关系曲线（qV

~hf）§5.1管路特性曲线1．管路系统的水力特性管路系统的性能542．泵的水力特性泵性能曲线：水泵的出水流量qV分别与扬程H、效率、轴功率N的关系曲线（qV

~H，qV

~，qV

~N曲线）。其中：水泵的qV

~H关系曲线称为水泵的水力性能曲线2．泵的水力特性泵性能曲线：水泵的出水流量q553．泵与管路系统的水力耦合工况M点工况为设计工况;qVm为设计流量;Hm为设计水头。工况点M变，则服务水头Hz变；水泵水力性能曲线越平坦则供水越稳定；在管网设计时，必须校验并使之满足在最大流量下控制点的服务水头满足设计要求。Hg=Hz+（zt―z0）3．泵与管路系统的水力耦合工况M点工况为设计工况;工况点M变56§5.2长管的水力计算管道的种类:简单管道串联管道并联管道一、简单管道管道直径和管壁粗糙度均相同的一根管子或这样的数根管子串联在一起的管道系统。

计算基本公式连续方程沿程损失能量方程§5.2长管的水力计算管道的种类:简单管道串联管道并联管57§5.2长管的水力计算层流水力光滑水力粗糙混合摩擦列宾宗公式§5.2长管的水力计算层流水力光滑水力粗糙混合摩擦列宾宗58三类计算问题（1）已知qV、l、d、、Δ

，求hf；（2）已知hf、l、d、

、Δ

，求qV；（3）已知hf、qV、l、、Δ

，求d。简单管道的水力计算是其它复杂管道水力计算的基础。三类计算问题（1）已知qV、l、d、、Δ，求hf；（59第一类问题的计算步骤（1）已知qV、l、d、、Δ

，求hf；qV、l、d计算Re计算计算hf第一类问题的计算步骤（1）已知qV、l、d、、Δ，求60第二类问题的计算步骤（2）已知hf、l、d、

、Δ

，求qV；假设

由hf计算v、Re计算New校核New=NewNY由hf计算v、qV第二类问题的计算步骤（2）已知hf、l、d、、61第三类问题的计算步骤（3）已知hf、qV、l、、Δ

，求d。hf

qVlΔ计算与d的函数曲线计算New校核New=NewNY由hf计算v、qV第三类问题的计算步骤（3）已知hf、qV、l、、Δ62二、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。ABH21串联管道特征1.各管段的流量相等2.总损失等于各段管道中损失之和二、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63两类计算问题ABH21（1）已知串联管道的流量qV，求总水头H；（2）已知总水头H，求串联管道的流量qV

。两类计算问题ABH21（1）已知串联管道的流量qV，求总水头64v0Q1Q2Q3q1q2l1

d1l2

d2l3

d3hf1hf2hf3H11按长管计算v0Q1Q2Q3q1q2l1d1l2d2l65上式是串联管道的基本公式，联立以上三式，可解算Q、d、H等问题。

IR1UIR2IR3上式是串联管道的基本公式，联立以上三式，可66v0Q1Q2Q3q1q2l1

d1l2

d2l3

d3hf1hf2hf3H11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，水头线坡度也各不相同。v0Q1Q2Q3q1q2l1d1l2d2l67v01l1

d1

v1l2

d2v2l3

d3

v3v3H1α2

v222gα1

v122gα3v322g按短管计算v01l1d1v1l2d2v2l3d368v01l1

d1

v1l2

d2v2l3

d3

v3v3H1α2

v222gα1

v122gα3v322g对上游断面和出口断面列能量方程，则

v01l1d1v1l2d2v2l3d369三、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。并联管道特征1.总流量是各分管段流量之和。2.并联管道的损失等于各分管道的损失。AQQ1d1hw1Q2d2hw2Q3d3hw3BQ特点：一般按长管进行水力计算三、并联管道由几条简单管道或串联管道，入口端与出口端70两类计算问题（1）已知A点和B点的静水头线高度（即z+p/g)，求总流量qV；AQQ1d1hw1Q2d2hw2Q3d3hw3BQ假设

由hf计算v、Re由Re、查莫迪图得New校核New=NewNY由hf计算v、qV求解方法相当于简单管道的第二类计算问题。两类计算问题（1）已知A点和B点的静水头线高度（即z+p/71（2）已知总流量qV

，求各分管道中的流量及能量损失

。假设管1的q’V1

由q’V1计算管1的h’f1

由h’f1求q’V2和

q’V3h’f1=

h’f2=

h’f3q’V1=qV1N结束计算按q’V1、q’V2和q’V3的比例计算qV1、qV2和qV3计算h’f1、

h’f2和h’f3YAQQ1d1hw1Q2d2hw2Q3d3hw3BQ（2）已知总流量qV，求各分管道中的流量及能量损失。假设72QhfQHABhfAhf1=hf2=hf3=hfl1d1

Q1l3d3

Q3l2d2Q2HBHA设各管径、流量为di、Qi

，i=1，3，考虑能量方程，则

QhfQHABhfAhf1=hf2=hf3=hfl1d173QhfQHABhfAhf1=hf2=hf3=hfl1d1

Q1l3d3

S3Q3l2d2K2Q2HBHA各支的流量与总流流量之间应满足连续方程，即

QhfQHABhfAhf1=hf2=hf3=hfl1d174各支水头损失，按长管计算，则

各支的流量与总流流量之间应满足连续方程，即

设各管径、流量分别为di、Qi

，i=1，3。考虑每一支的能量方程，则

各支水头损失，按长管计算，则各支的流量与总流流量之间应满足75

hf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、和粗糙度已知时，可求出总流量、支流量以及水头损失；hf求出后，再求出各支管的流量若总流的流量76四、分枝管路分支管道特征流入汇合点的流量等于自汇合点流出的流量。四、分枝管路分支管道特征流入汇合点的流量等于自汇合点77计算问题－新建管道，确定管径、起点压力已知管网结构形式（地形、长度、用户位置）、用量、用户所需水头，确定管径和管网起点水压。213Jz2z1z31根据管网布置图，将管网分段编号3按照终点流量要求，确定各段流量4以经济流速确定各段管径5取标准管径后，计算流速和摩阻6按长管计算各段水头损失hw7按串联管道计算起点到控制点的总水头损失。2选定主干线，一般从起点到最远点计算问题－新建管道，确定管径、起点压力已知管网结构形78压力管道水力计算课件79压力管道水力计算课件80欧洲天然气管道

北海海底管网阿意输气管道欧洲天然气管道北海海底管网阿意输气管道81美国天然气管道

湾流