气体输配管网的水力特征与水力计算课件

气体输配管网的水力特征与

水力计算重点：重力、压力及重力和压力综合作用的３种气体管流的水力特征；流体输配管网水力计算的基本原理、方法及相关概念；环路与环路位压，阻力平衡，动静压的相互转换。2.1气体管流的水力特征2.1.1气体重力管流的水力特征（1）竖向开口管道1-2断面的能量方程：

（2-1-1)

静压

动压

位压

当1断面和2断面位于位于进口和出口处，这时静压均为0。将出口的动压损失视为出口的一种流动局部阻力，则：

(2-1-2)

上式表明：流动阻力依靠位压（即重力的作用）克服。流动方向取决于管内外的密度差。以厨房排烟管网为例，当没有开启排风机、且未设防倒流阀，夏季竖井中密度低，室外空气经竖井进入室内；冬季竖井温度高，室内空气进入竖井。（2）U型管道内的重力流

通过列写断面1-D、断面D-2的能量方程，综合后得到：

g（ρ1－ρ2）（H2－H1）=

(2-1-5)注意：

1)断面1和2分别在进口和出口外，包含了进口阻力损失和出口阻力损失。

2)进出口位于相同标高时，流动动力是竖管内的密度差与高差的乘积，与管外大气密度无关。

3)流动方向取决于竖管内密度的相对大小。（3）闭式管道内的重力流具有与进出口断面等高的U型重力流竖管相同的水力特征。2.1.2气体压力管流水力特征2.1.3压力和重力综合作用下的气体管流水力特征

若压力（Pq1－Pq2）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另加流动阻力。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，排气能力明显加强；夏季排气风机除克服竖井的阻力时，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

水力计算：设计计算；校核计算设计计算：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。对枝状管外，求得管网特性曲线，为匹配管网动力设备准备好条件，进而选择确定动力设备（风机、水泵等）的型号。校核计算：根据已定的动力设备，确定保证流量输配的管道尺寸；或者根据已定的管道尺寸，确定保证流量输配的动力设备。水力计算是流体输配管网设计及其运行质量保证的基本手段。水力计算的基本理论依据：流体力学一元流动连续性方程、能量方程及串、并联管路流动规律。管网的流动动力等于管网流动总阻力。若干管段串联后的阻力，等于各管段阻力之和；各并联管段的起点（终点）相同，具有相同的压力。不包含动力源的并联管段，阻力应相等。管段阻力是构成管网阻力的基本单元。流体力学已经揭示，管段中的流体流动阻力有两种，一种是摩擦阻力，也称为沿程阻力。另一种是局部阻力。

水力计算的基本原理2.2.1摩擦阻力计算

摩擦阻力系数说明工程上常根据自身的工程特点，编制相应的计算图表帮助计算。任何计算公式或图表，都有其使用范围，使用时要特别注意。当工程条件与得出公式或图表的条件有差异时，常采用修正的方法。2.2.1局部阻力计算产生原因：流动边界几何形状改变，使流动产生涡旋、流动方向变化，引起能量损失。局部阻力基本计算公式：局部阻力系数局部阻力处，流动处于阻力平方区。局部阻力系数只与几何形状有关。局部阻力系数与其安装条件（受流动环境的影响）、各部分的几何尺寸有关（如突扩）。同名的局部阻力在不同的场合有不同的阻力系数值。局部阻力系数值通过一般实验获得。局部阻力系数值对应是某断面动压而言的，使用时必须注意。各工程设计手册给出了常用的局部阻力系数。2.2.3

常用的水力计算方法

假定流速法压损平均法静压复得法假定流速法的特点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,得出需要的作用压力。假定流速法适用于作用压力未知的情况。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，确定最不利环路。（2）合理确定最不利环路各管段的管内流体流速。（3）根据各管段的流量和确定的流速，确定最不利环路各管段的断面寸。（4）计算最不利环路各管段的阻力。（5）平衡并联管路。确定并联管路的管径，使各并联管路的计算阻力与各自的资用压力相等，可用压损平均法计算。这是保证流量按要求分配的关键。若并联管路计算阻力与各自的资用压力不相等，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与各自的资用压力相等。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。压损平均法的特点将已定的总作用压力，按干管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，此法较为方便。当然，也可按其他技术经济性更好的方法将已定作用压力分配给各管段。压损平均法的基本步骤

（1）绘制管网轴测图，对各管段进行编号，标出长度和流量，确定最不利环路。

（2）根据确定的最不利环路的资用压力，计算最不利环路单位管长的压力损失。

（3）根据最不利环路单位管长压力损失和各管段流量，确定其各管段管径。

（4）确定各并联支路的资用压力，计算单位管长的压力损失。

（5）根据各并联支路单位管长压力损失和各管段流量，确定其各管段管径。静压复得法的特点通过调整管道断面尺寸，维持管道在不同断面处的管内静压。送风管道若要求各个风口风量均匀，常用此方法保证要求的风口风速。静压复得法的基本步骤

不论采用何种方法，水力计算前必须完成管网系统和设备的布置，确定管道材料及每个管段的流量，然后循着各种方法所要求的步骤进行计算。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。

说明2.3.1通风空调工程气体输配管网水力计算

以通风空调工程的空气输配管网为例，学习开式枝状气体输配管网水力计算的具体方法。设计计算要确定管径和动力大小，主要采用假定流速法。需先完成空气输配管网的布置，确定设备和各送排风点位置的确定；各送排风点要求的风量；管道布置、各管段的输送风量。制作风管的水力计算表格。2.3.1.1确定最不利环路的管内流速和管道断面尺寸

（1）绘制风管系统轴测图，并划分管段，对各管段进行编号，标注其长度和设计风量。

注：管段：管内流量和管道断面均不变化。管段长度按中心线长度计算，不扣除管件（如三通、弯头）本身的长度。图2-3-2通风除尘管网轴测图

〔例2-3〕（2）确定管内流速和管道断面尺寸

管内的流速对通风、空调系统的经济性有较大的影响，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；但是系统的阻力大，动力消耗增大，运行费用增加，且增加噪声。若气流中含有粉尘等，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。根据工程经验，总结出了通风空调工程中风管内较为合理的空气流速。选定最不利环路，本系统选择1-3-5-除尘器-6-风机-7为最不利环路。

解释：环路；最不利环路。根据表2-3-3，输送含有轻矿物粉尘的空气时，风管内最小风速为，垂直风管12m/s、水平风管14m/s。考虑到除尘器及风管漏风（思考？），取5%的漏风系数，管段6及7的计算风量为6300×1.05=6615m3/h。〔例2-3〕有水平风管，初定流速为14m/s。管径计算：没有这个标准规格，取为d=0.2m=200mm则实际风速为：同理确定出3、5、6、7的管内流速和管径。管内流速和管径：〔例2-3〕2.3.1.2

风管摩擦阻力计算

公式计算：

对于圆管，4Rs＝D图表计算制成计算表或线算图。图2-3-1所示的线算图，可供计算管道阻力时使用。只要已知流量、管径、流速、阻力四个参数中的任意两个，即可利用该图求得其余的两个参数。该图是按过渡区的λ值，在压力B0=101.3kPa、温度t0=20℃、空气密度ρ0=1.204kg/m3、运动粘度ν0=15.06×10-6m2/s、管壁粗糙度K=0.15mm、圆形风管、气流与管壁间无热交换等条件下得出的。当实际条件与上述条件不相符时，应进行修正。注意：密度、粘度修正；温度、大气压力和热交换修正；壁面粗糙度修正。非圆管利用图表－－引入“当量直径”流速当量直径：假设某一圆形风管中的空气流速与非圆形风管中的空气流速相等，并且两者的单位长度摩擦阻力也相等，则该圆形风管的直径就称为此矩形风管的流速当量直径，以Dv表示。根据这一定义,断面为a×b的矩形风管的流速当量直径Dv为：

流量当量直径:设某一圆形风管中的空气流量与非圆形风管的空气流量相等，并且单位长度摩擦阻力也相等，则该圆形风管的直径就称为非圆形风管的流量当量直径，以DL表示。根据推导，矩形风管的流量当量直径可近似按下式计算。

查图得管段1的比摩阻为12.5Pa/m，填入计算表中，并计算管段的摩擦阻力。同理查得3、5、6、7管段的比摩阻和摩擦阻力填入计算表中。检查是否需要修正。本例无需进行修正。如需修正的情况，在水力计算表中留出填写这些参数的位置。摩擦阻力〔例2-3〕2.3.1.3风管局部阻力计算

计算公式：各种管件（弯头、三通等）的局部阻力系数ξ通常查图表确定。查图表时要注意依据的参数值。还要注意对应的特征速度。各种设备的局部阻力或局部阻力系数，由设备生产厂商提供。

局部阻力计算（1）管段1设备密闭罩ζ=1.0（对应接管动压）90°弯头（R/D=1.5）一个ζ=0.17直流三通（1→3）（见图2-3-3）根据F1+F2≈F3

，α=30°，查得ζ13=0.20Σζ=1.0+0.17+0.20=1.37

计算出管段1的局部阻力损失为：147.5Pa。同理计算出3、5、6、7各管段的局部阻力，填入表中。〔例2-3〕各管段的总阻力＝沿程阻力＋局部阻力。2.3.1.4并联管路的平衡

（1）开式管网的虚拟闭合

引入虚拟管路的概念，将开式管网变为虚拟的闭式管网。虚拟管路是连接开式管网出口和进口的虚设管路，该管路中的流体为开式管网出口和进口高度之间的环境流体，从管网出口流向进口，其水力和热力参数都与环境流体相同，虚拟管路的管径趋于无限大，流动阻力为零。

图2-3-2虚拟管路与流动环路

〔例2-3〕（2）枝状管网的环路、共用管路和独用管路

枝状管网中，管段的流向是唯一的。以管网的源为起点，沿着管路（含虚拟管路），顺着流向（虚拟管路中的流向是从开式管网的真实出口到真实进口）前进，最终必定回到起点。沿途所经过的所有管路（含虚拟管路）构成了枝状管网的一个流动环路。〔例2-3〕管网的环路有：

1-3-5-6-7-虚拟管路－1（流动环路I）

2-3-5-6-7-虚拟管路－2（流动环路II）

4-5-6-7-虚拟管路－4（流动环路III）管段与环路之间的隶属关系有两种情况。其一，共用；其二，独用。若某管路出现在两个及以上的环路中，该管路称为这些环路的共用管路，若管路只出现在某环路中，该管路称为这一环路的独用管路。图2-3-2中，管段1、2、4分别是环路I、II、III的独用管路；管段3为环路I、II的共用管路；管段5、6、7为环路I、II、III的共用管路。

(3)环路动力来源流体力学表明，管网中的流动动力有压力、惯性力和重力3种。在管网工程中，压力称为静压，惯性力称为动压，二者可以互相转换，二者之和称为全压。重力则在不同的工程中有不同的名称，如位压、势压、热压等。

全压的来源与性质来源：来源于风机水泵等流体机械。来源于压力容器。来源于上级管网。性质：在一个位置上提供，沿整个环路中起作用。提供动力的位置在共用管段上，则共用该管路的所有环路都获得相同大小的全压动力。重力产生的环路动力及其性质重力产生的环路动力是在整个环路上形成的。它作用在整个环路上。各个环路因重力作用产生的环路动力不相同。（4）环路的需用压力与资用动力环路动力－－阻力平衡，是流体流动的基本规律。要实现要求的流量输送与分配任务，就必须在设计状态，使管网满足这一规律。如果设计计算的结果不满足这一规律，管网运行时会按照这一规律的要求，改变流动参数，来满足这一规律，这样，就得不到需要的流量。需用压力：管网需用压力一般按照“最不利环路”来确定管网的需用压力。在有重力作用的情况下，不应只根据管路的长短和局部阻力部件的多少选定最不利环路，而应综合考虑流动阻力和重力作用，选管路长、部件多，重力推动作用小（甚至是阻碍流动）的环路为最不利环路。环路的资用动力管网的需用压力作用在所有环路的共用管路上，则这些环路得到的全压作用是相同的。各环路的资用动力为：（5）环路资用动力的分配管网的需用压力由最不利环路确定，因此，任意环路与最不利环路共用的管路上，已完成了资用动力的分配，即这些管路上资用动力与流动阻力平衡。独用管路的资用动力：：i环路与性质：最不利环路的共用管段的流动阻力独用管路的压损平衡共用管路的阻力与资用动力已实现了平衡。要实现设计的流量输配，还要让独用管路的阻力与资用动力相等。在设计中通过对管路几何参数（主要是管道断面尺寸）的调整，改变管内流速，