工程流體力學

第五章壓力管路的水力計算

主講：肖東

石油工程學院

2010年10月一、主要內容：1、長管計算實用公式；2、串聯、并聯管路水力計算；3、短管計算實用公式；4、孔口出流與管嘴泄流；二、應用公式：1、連續性方程：2、伯努利方程：3、達西公式：4、包達公式：5、雷諾數：1、有壓管道：管道被水充滿，管道周界各點受到液體壓強作用，其斷面各點壓強，一般不等于大氣壓強。液體管壁有壓管道液體自由面管壁無壓管道三、基本概念

工程中，常用各種有壓管道輸送液體，如水電站壓力引水鋼管；水庫有壓泄洪隧洞或泄水管；供給的水泵裝置系統及管網；輸送石油的管道。

2、管道按布置分

簡單管道：直徑始終不變，無分支的管路（基礎）

復雜管道

串聯管道

并聯管道

分枝管道

短管

長管

3兩種水頭損失大小比重局部水頭損失、流速水頭占總水頭損失比例較大（大于5%），計算時不能忽略沿程水頭損失水頭為主，局部損失和流速水頭在總水頭損失中所占比重很小，計算時可忽略。1長管和短管不按管道絕對長度決定。2當管道存在較大局部損失管件，例如局部開啟閘門、噴嘴、底閥等。即使管道很長，局部損失也不能略去，必須按短管計算。

3長管：忽略局部水頭損失和流速水頭（沿程損失不能略去），計算工作大大簡化，其對結果又沒有多大影響。注意

壓力管道水力計算的主要內容就是確定水頭損失，包括沿程水頭損失和局部水頭損失?！?.1長管的水力計算管道的種類:簡單管道串聯管道并聯管道一、簡單管道1、計算中一般涉及的公式：

連續性方程：沿程損失：能量方程：2、管路特性曲線：對于一定管長和管徑的管路，系數α將隨λ值變化，給不同流量Q將可算出不同的水頭損失hw，繪制成曲線，稱為管路特性曲線。

說明：（1）當由泵輸送液體時，因泵給出的揚程H要克服位差和水頭損失，繪制管路特性曲線時，縱坐標以泵的揚程為準，固管路特性曲線相應地要平移一個位差的高度。（2）理論上有層流到湍流應有折點，實用上不予考慮，而繪制成光滑曲線。（3）根據水頭損失的計算通式，當有局部水頭損失時，可折算為當量長度并入沿程水頭損失；（4）管路特性曲線對于確定泵的工況和自流泄油工況，將有重要作用，在工程中經常使用。3、三類計算問題（1）已知qV、l、d、、Δ

，求hf；（選泵的揚程）（2）已知hf

、l、d、

、Δ

，求qV；（輸送能力）（3）已知hf

、qV

、l、、Δ

，求d。（設計管路）簡單管道的水力計算是其它復雜管道水力計算的基礎。第一類問題的計算步驟（1）已知qV、l、d、、Δ

，求hf；qV、l、d計算Re計算計算hf例題5-1：50℃的原油，密度，運動粘度，流過一根長的管道，流量試求產生的壓降。解：這是簡單長管計算的第一類問題從莫迪圖上可查出，水頭損失為：第二類問題的計算步驟（不知道流量，試算）（2）已知hf

、l、d、

、Δ

，求qV；假設Q

由Q計算Re、計算Q1重新計算新的Re1、

1Q1=Q2NY由達西公式計算Q2Q220℃的水，流過直徑的混凝土管道，在的長度上水頭損失，設粗糙度，試求流量Q。解：這是簡單長管計算的第二類問題，查表可知20℃的水：先設，則而E2:則：再算：最后所求的流量為則重新計算：再重新演算，第三類問題的計算步驟（3）已知hf

、qV

、l、、Δ

，求d。hf

qVlΔ假設d1計算v1，Re1，

1計算d2取d1=d2NYd=d2E3：50℃的四氯化碳，密度,運動粘度通過長的鋼管，流量要求單位長度的壓降為，設，試計算管道需要的管徑d。解：這是簡單長管計算的第三類問題先設則:而

在莫迪圖上查出：用重算，即有：

再查莫迪圖：

?。憾?、串聯管道

由不同管道直徑和管壁粗糙度的數段根管子連接在一起的管道。ABH21串聯管道特征1.各管段的流量相等2.總損失等于各段管道中損失之和兩類計算問題1、已知串聯管道的流量qV，求hf或揚程H

；2、已知總水頭H，求串聯管道的流量qV

。解法：解法：（1）任取；（2）；（3）判別是否同時滿足給定精度；（4）若不滿足，則取，再循環。三、并聯管道

由幾條簡單管道或串聯管道，入口端與出口端分別連接在一起的管道系統。并聯管道特征1.總流量是各分管段流量之和。2.并聯管道的損失等于各分管道的損失。AQQ1d1hw1Q2d2hw2Q3d3hw3BQ特點：一般按長管進行水力計算兩類計算問題（1）已知A點和B點的靜水頭線高度（即z+p/g)，求總流量qV；AQQ1d1hw1Q2d2hw2Q3d3hw3BQ假設

由hf計算v

、Re由Re、查莫迪圖得New校核New=NewNY由hf計算v

、qV

求解方法相當于簡單管道的第二類計算問題。（2）已知總流量qV

，求各分管道中的流量及能量損失

。假設管1的q’V1

由q’V1計算管1的h’f1

由h’f1求q’V2和

q’V3h’f1=

h’f2=

h’f3q’V1=qV1N結束計算按q’V1、q’V2和q’V3的比例計算qV1、qV2和qV3計算h’f1、

h’f2和h’f3YAQQ1d1hw1Q2d2hw2Q3d3hw3BQ例題5-4：并聯管路系統中，，管材都為新的無縫鋼管，，總流量，試求每條分支管路的流量Q1，Q2。該流體解：相對粗糙度先假設流動都在湍流粗糙區

則在莫迪圖上查出：

由，并先設將代入達西公式，求出Q2加大Q1，再設

于是：以上結果已比較好，用Re數校驗沿程阻力系數：而：查莫迪圖得：重設重算：

于是：

至此，試算結束。塔里木油田，管投產1年零9個月CO2腐蝕穿孔四川達窩輸氣管線，H2S腐蝕造成開裂爆炸事故，24人死亡油氣管道開裂和泄漏造成的環境污染嚴重美國1993年、1994年在華盛頓和新澤西洲發生的兩起輸氣管道爆裂事故四、分支管路分支管道特征

流入匯合點的流量等于自匯合點流出的流量。

沿一條管線上總水頭損失為各段水頭損失總和。計算問題－新建管道，確定管徑、起點壓力

已知管網結構形式（地形、長度、用戶位置）、用水量、用戶所需自給水頭，確定管徑和管網起點水壓。213Jz2z1z31根據管網布置圖，將管網分段編號2用連續性方程確定各段流量3以經濟流速確定各段管徑4取標準管徑后，計算流速和摩阻5按長管計算各段水頭損失hw6按串聯管道計算起點到控制點的總水頭損失。計算問題－擴建管道，確定管徑

已知管網結構形式（地形、長度、用戶位置）、用戶用水量，起點壓力，確定管徑。213Jz2z1z31根據管網布置圖，將管網分段編號2計算每一個主干線的平均水力坡度，選擇其中最小的作為擴建管網的控制干線3按平均水力坡度，計算各段摩阻4選擇管徑

中國天然氣管道

川渝環網干線：北干線

南干線管長：2906千米管徑：最大720mm鋼材：X60歐洲天然氣管道

北海海底管網阿意輸氣管道

美國天然氣管道

灣流管道系統

俄羅斯輸氣管道

俄羅斯已建和擬建跨國輸氣管道

一個抽水系統通過水泵轉動轉輪的作用，在水泵進水口形成真空，使水流在池面大氣壓強的作用下沿吸水管上升，流經水泵時從水泵獲得新的能量，進入壓力管，再流入水塔。1水泵吸水管的水力計算5.4短管的水力計算吸水管和壓力水管吸水管:短管壓力水管:長管水泵系統的水力計算

虹吸管是一種壓力輸水管道，頂部彎曲且其高程高于上游供水水面。在虹吸管內造成真空，使作用虹吸管內產生真空，水流則能通過虹吸管最高處引向其他處。2虹吸管的水力計算

虹吸管的優點在于能跨越高地，減少挖方。虹吸管長度一般不長，故按照短管計算。pa1122zzs虹吸管頂部

虹吸管頂部的真空壓強理論值不能大于最大真空值（10mH2O）。當虹吸管內壓強接近該溫度下的汽化壓強時，液體將產生汽化，破壞水流連續性，可能產生空蝕破壞，故一般虹吸管中的真空值7～8mH2O。例1：有一渠道用兩根直徑為1.0m的混凝土虹吸管來跨越山丘，上游水位為▽1＝100.0m下游水位為▽2＝99.0m虹吸管長度l1=8m

；l2=15m；l3=15m，沿程阻力系數為0.03，彎頭的局部水頭損失系數為0.365，進口局部水頭損失系數為0.5；出口局部水頭損失系數為1.0。試確定：當虹吸管中的最大允許真空度為7mH2O