第5章-压力管道水力计算

工程流体力学

第五章压力管路的水力计算

主讲：肖东

石油工程学院

2010年10月一、主要内容：1、长管计算实用公式；2、串联、并联管路水力计算；3、短管计算实用公式；4、孔口出流与管嘴泄流；二、应用公式：1、连续性方程：2、伯努利方程：3、达西公式：4、包达公式：5、雷诺数：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。

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）

复杂管道

串联管道

并联管道

分枝管道

短管

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。1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。即使管道很长，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

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。§5.1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1、计算中一般涉及的公式：

连续性方程：沿程损失：能量方程：2、管路特性曲线：对于一定管长和管径的管路，系数α将随λ值变化，给不同流量Q将可算出不同的水头损失hw，绘制成曲线，称为管路特性曲线。

说明：（1）当由泵输送液体时，因泵给出的扬程H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一个位差的高度。（2）理论上有层流到湍流应有折点，实用上不予考虑，而绘制成光滑曲线。（3）根据水头损失的计算通式，当有局部水头损失时，可折算为当量长度并入沿程水头损失；（4）管路特性曲线对于确定泵的工况和自流泄油工况，将有重要作用，在工程中经常使用。3、三类计算问题（1）已知qV、l、d、、Δ

，求hf；（选泵的扬程）（2）已知hf

、l、d、

、Δ

，求qV；（输送能力）（3）已知hf

、qV

、l、、Δ

，求d。（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。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例题5-1：50℃的原油，密度，运动粘度，流过一根长的管道，流量试求产生的压降。解：这是简单长管计算的第一类问题从莫迪图上可查出，水头损失为：第二类问题的计算步骤（不知道流量，试算）（2）已知hf

、l、d、

、Δ

，求qV；假设Q

由Q计算Re、计算Q1重新计算新的Re1、

1Q1=Q2NY由达西公式计算Q2Q220℃的水，流过直径的混凝土管道，在的长度上水头损失，设粗糙度，试求流量Q。解：这是简单长管计算的第二类问题，查表可知20℃的水：先设，则而E2:则：再算：最后所求的流量为则重新计算：再重新演算，第三类问题的计算步骤（3）已知hf

、qV

、l、、Δ

，求d。hf

qVlΔ假设d1计算v1，Re1，

1计算d2取d1=d2NYd=d2E3：50℃的四氯化碳，密度,运动粘度通过长的钢管，流量要求单位长度的压降为，设，试计算管道需要的管径d。解：这是简单长管计算的第三类问题先设则:而

在莫迪图上查出：用重算，即有：

再查莫迪图：

取：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两类计算问题1、已知串联管道的流量qV，求hf或扬程H

；2、已知总水头H，求串联管道的流量qV

。解法：解法：（1）任取；（2）；（3）判别是否同时满足给定精度；（4）若不满足，则取，再循环。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。（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例题5-4：并联管路系统中，，管材都为新的无缝钢管，，总流量，试求每条分支管路的流量Q1，Q2。该流体解：相对粗糙度先假设流动都在湍流粗糙区

则在莫迪图上查出：

由，并先设将代入达西公式，求出Q2加大Q1，再设

于是：以上结果已比较好，用Re数校验沿程阻力系数：而：查莫迪图得：重设重算：

于是：

至此，试算结束。塔里木油田，管投产1年零9个月CO2腐蚀穿孔四川达窝输气管线，H2S腐蚀造成开裂爆炸事故，24人死亡油气管道开裂和泄漏造成的环境污染严重美国1993年、1994年在华盛顿和新泽西洲发生的两起输气管道爆裂事故四、分支管路分支管道特征

流入汇合点的流量等于自汇合点流出的流量。

沿一条管线上总水头损失为各段水头损失总和。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）、用水量、用户所需自给水头，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2用连续性方程确定各段流量3以经济流速确定各段管径4取标准管径后，计算流速和摩阻5按长管计算各段水头损失hw6按串联管道计算起点到控制点的总水头损失。计算问题－扩建管道，确定管径

已知管网结构形式（地形、长度、用户位置）、用户用水量，起点压力，确定管径。213Jz2z1z31根据管网布置图，将管网分段编号2计算每一个主干线的平均水力坡度，选择其中最小的作为扩建管网的控制干线3按平均水力坡度，计算各段摩阻4选择管径

中国天然气管道

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欧洲天然气管道

北海海底管网阿意输气管道

美国天然气管道

湾流管道系统

俄罗斯输气管道

俄罗斯已建和拟建跨国输气管道

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:长管水泵系统的水力计算

虹吸管是一种压力输水管道，顶部弯曲且其高程高于上游供水水面。在虹吸管内造成真空，使作用虹吸管内产生真空，水流则能通过虹吸管最高处引向其他处。2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。虹吸管长度一般不长，故按照短管计算。pa1122zzs虹吸管顶部

虹吸管顶部的真空压强理论值不能大于最大真空值（10mH2O）。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，可能产生空蚀破坏，故一般虹吸管中的真空值7～8mH2O。例1：有一渠道用两根直径为1.0m的混凝土虹吸管来跨越山丘，上游水位为▽1＝100.0m下游水位为▽2＝99.0m虹吸管长度l1=8m

；l2=15m；l3=15m，沿程阻力系数为0.03，弯头的局部水头损失系数为0.365，进口局部水头损失系数为0.5；出口局部水头损失系数为1.0。试确定：当虹吸管中的最大允许真空度为7mH2O