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1、第七章 压力管路、孔口、管嘴,2/15,7-1 简单长管的水力计算,前面两章详细介绍了流体流动的基本原理。介绍这些基本原理的目的是为了工程应用，尤其是石油工程方面的应用。一个很重要的方面是应用于管路的水力计算，而管路水力计算的目的是设计管路及优化使用管路。,7-1 简单长管的水力计算,液体在一定的压差作用下流动的管路，称为压力管路。压力管路水力计算时，根据沿程水头损失和局部水头损失所占比例，分为两类：长管：局部水头损失和流速水头在能量方程中所占的比重较小，以致在计算中可以忽略不计的压力管路；短管：局部水头损失和流速水头在能量方程中所占的比重较大，以致在计算中不能忽略的压力管路。辨析:长管和短管
2、并不是按照几何长度来划分的，而是按照局部水头损失以及流速水头所起的作用来划分的。辨析:一般来说，室外管路多属于长管，如油田的地面集输管路和外输管路。室内管线多属于短管，如联合站、计量间内管件较多的管路。简单长管是指液体从入口到出口均在同一等直径管道中流动，没有出现流体的分支或汇合的管路。复杂管路，如串联管路、并联管路、分支管路和管网等。,7-1 简单长管的水力计算,忽略局部水头损失和速度水头，能量方程为：,对于层流流动,对于紊流的水力光滑,紊流混合摩擦区、完全粗糙区,查莫迪图或其他公式,沿程水头损失的达西公式,注：,也可以把阻力系数代入，进一步写成系数，具体取值见表7-1,7-1 简单长管的水
3、力计算,工程实际中，简单长管的设计计算问题可归结为以下三类：第一类问题：已知地形、流体性质、输送量、管路几何尺寸，计算管路的水头损失或者压降；第二类问题：已知地形、流体性质、管路几何尺寸和允许压降，计算管路的输送量；第三类问题：已知地形、流体性质、输送量、管长，(压降未知)，设计计算最佳管径。对于第一类问题，根据已知条件可以直接计算得到结果。对于后两类问题，由于输送量或者管径未知，无法求取流体流动的雷诺数，即无法判断流态也不能确定摩擦系数，需要采用试算法或迭代法求解。,7-1 简单长管的水力计算,1.第一类问题 已知管径、管长和地形（即管路起点和终点的地面标高），根据给定的输送量，计算管路中的
4、压降。这类问题无论是在管路初步还是正式设计的计算中，都会经常遇到。解决这类问题的计算步骤是：根据给定的流量，管径和液体性质，算出雷诺数，确定流动状态；确定沿程阻力系数，计算水头损失hf；由能量方程计算压降。,7-1 简单长管的水力计算,2.第二类问题 已知管径、管长和地形，在一定压降限制下，确定当某种液体通过时最大输送量。由于流量是未知数，无法先判别流动状态，可用试算法。计算步骤为：利用能量方程求出水头损失hf 值；然后假设流动状态，沿程阻力系数，求出输送量Q；验算流态，如果假设正确则所求得的输送量为正确值，否则重新假设。,7-1 简单长管的水力计算,对前两类问题，也可以先做出图72所示的管路
5、特性曲线，然后由管路特性曲线求解。下面以第二类问题为例，给出如下的求解步骤：先设定几个不同的流体和输送量，按照第一类问题的算法，求出相应的水头损失hf；绘制管路特性曲线；由给定的压降，依据能量方程求出水头损失hf；再由求得的hf值，从管路特性曲线上查出相应的流量。,7-1 简单长管的水力计算,3.第三类问题 已知管长、地形、流体性质和输送量，要求设计最经济的管径。在这类问题中，管径和压降都是未知数。在一定的流量下，管径的大小直接影响流速的大小和流动状态的变化，也就影响水头损失（压降）的大小。小管径，材料省，轻便，造价低；但管径小，流速大，水头损失大，需要高位水塔或大功率输液泵，增加了设备费和养
6、护费。大管径，管材多，重量大，运输和安装不便，保温费用多，造价高；但管径大流速小，水头损失小，设备投资和运转费较省。管中流速过大，管子易磨损，迅速关闭阀门时，产生较大水击压力，造成管子爆裂。反之，管中流速过小，液体中的质易在管中沉淀，侵蚀管壁并增大摩擦阻力。因此，管径的选择必须全面考虑各方面的利弊，即要保持一定的流速，又要符合经济要求，使操作管理方便，输液成本尽可能节省。根据经验，一般油田内部管路中的液体流速以12米/秒左右为宜，外输管路中的流速可取13m/s。在进行初步设计时，可参考表72推荐的经济流速。,7-1 简单长管的水力计算,第三类问题：设计管径的步骤大致如下：根据设计流量，在适宜的
7、流速范围内选择几种不同的管径；按照选择的管径，求出相应的实际流速；根据实际流速、管径和油品粘度，求出雷诺数，判别流动状态，进一步求出水头损失；由总水头损失及压力确定泵的扬程和功率，从而算出每年动力消耗费用；计算出全部设备每年平均的折旧费；把选用不同管径时，每年所需的全 部开支一一算出；以管径为横坐标，年费用为纵坐标，绘成曲线，如图73。,7-1 简单长管的水力计算,例71 水平的铸铁管线，长度L=800m，内径D=0.5m，绝对粗糙度=1.2mm，以Q=1000m3/h的输送量输水（=0.001Pas），试求压降。,7-1 简单长管的水力计算,例72 用1084mm，长度为2000m，绝对粗糙
8、度为0.02mm的水平管道输送密度为850kg/m3，粘度为5.010-3Pas的原油，设允许的压降为0.2MPa，试求原油的输送量。,7-1 简单长管的水力计算,例73 一管路总长为70m，要求输水量为30m3/h，允许的水头损失为4.5m。假设管材的绝对粗糙度为0.2mm，水的粘度为0.001Pas，试求管径。,7-2 复杂管路的水力计算,由不同直径的管段依序连接而成的管路称为串联管路。自一点分支，而又汇合于另一点的两条或两条以上的管路称为并联管路。这两种管路是计算复杂管路的基础。下面分别讨论其水力特点和计算方法。,一、串联管路,二、并联管路,三、分支管路,7-2 复杂管路的水力计算,一、
9、串联管路,图74图表示三种不同直径管段的串联。虚线箭头表示该点接有支线，分出一部分液流。干线各段的流量用Q表示，支线分出的流量用q表示。图中阴影线表示水头损失状况。串联管路的特点：,各节点处，流进和流出的流量平衡。它反映了质量守恒的连续原理，即流入与流出节点的流量的代数和为0，则有,全段的总水头损失为各段水头损失的总和，即,7-2 复杂管路的水力计算,例75 图示一个串联管路，管径、管长、沿程阻力系数和流量分别标于图中。试按长管计算所需的水头为若干？,7-2 复杂管路的水力计算,例75 图示一个串联管路，管径、管长、沿程阻力系数和流量分别标于图中。试按长管计算所需的水头为若干？,。,7-2 复
10、杂管路的水力计算,二、并联管路,各并联管内流量的总和等于自A点流入各管的总流量，即,各并联管内的水头损失相等，即,7-2 复杂管路的水力计算,例76 今有输送原油的并联管路，已知输送量为204m3/h，运动粘滞系数=0.4210-4m2/s，管径分别为0.156m和0.203m，管长依次为10km和8km。试求两管内的流量及水头损失。,解:由于Q1和Q2都是未知数，流动状态无法确定，因此对这类问题，只有采用试算法解决。先假设流动是在水力光滑区，待求出流量后再对流动状态进行校核。,7-2 复杂管路的水力计算,假设流动是在水力光滑区，则,水头损失的关系式hf1=hf2可得,流量关系式Q=Q1+Q2
11、,，,，,校核流动状态,属水力光滑区,确定水头损失：,21/15,三、分支管路,例77 从泵房A向三个罐区输油。设计流量为一号罐区60m3/h，二号罐区50m3/h，三号罐区50m3/h；各点的高度以m计，标于旁；各管段的长度以m计，标于图中。各罐最大油面高度为11m，油面蒸汽压力为0.25m油柱，油品的运动粘度系数为710-6m2/s，油品的密度为830kg/m3，试计算各管段的直径和输液泵的出口压头。,7-2 复杂管路的水力计算,7-3 短管的水力计算,液体由贮液箱经短管流到大气中，管路上装有两个相同的弯头和一个阀门，管段L1、L2和L3的沿程阻力系数、管径和流速分别为1、D1和v1；管段
12、L4和L5则分别为2、D2及v2。,7-3 短管的水力计算,能量方程,v1=(D2/D1)2v2,水头损失,管系阻力系数,管系流量系数,7-3 短管的水力计算,当流量较小时，管路处于层流，这时H 与Q 成直线关系；当流量较大时，流动状态过渡到紊流，这时的管路特性曲线为曲线。,7-3 短管的水力计算,例78 图示水力循环系统，水的粘度10-6m2/s，管子为普通镀锌管，内径均为0.05m，每个圆弯头局部阻力系数为0.6，进口阻力系数为0.5，系统内的流量为0.2m3/min。求阀门的局部阻力系数；管系阻力系数和全管路的水头损失；泵的扬程和有效功率。,7-3 短管的水力计算,例78 图示水力循环系
13、统，水的粘度10-6m2/s，管子为普通镀锌管，内径均为0.05m，每个圆弯头局部阻力系数为0.6，进口阻力系数为0.5，系统内的流量为0.2m3/min。求阀门的局部阻力系数；管系阻力系数和全管路的水头损失；泵的扬程和有效功率。,解：阀门的局部阻力系数,7-3 短管的水力计算,计算全管路的水头损失,普通镀锌管的=0.39mm，查莫迪图可得=0.0357。管线总长L=17.3m，管系的阻力系数为,则全管路的水头损失为,例78 图示水力循环系统，水的粘度10-6m2/s，管子为普通镀锌管，内径均为0.05m，每个圆弯头局部阻力系数为0.6，进口阻力系数为0.5，系统内的流量为0.2m3/min。
14、求阀门的局部阻力系数；管系阻力系数和全管路的水头损失；泵的扬程和有效功率。,例78 图示水力循环系统，水的粘度10-6m2/s，管子为普通镀锌管，内径均为0.05m，每个圆弯头局部阻力系数为0.6，进口阻力系数为0.5，系统内的流量为0.2m3/min。求阀门的局部阻力系数；管系阻力系数和全管路的水头损失；泵的扬程和有效功率。,7-3 短管的水力计算,泵的扬程和有效功率,，,7-4 水击现象,由于某种原因引起管内液体流速突然变化时，例如迅速开关阀门，突然停泵等，都会引起管内压力突然变化，这种现象叫做水击现象。这种压力变化由于管壁和液体的弹性作用，造成压力波在管内迅速传播，常常可以听到液体对管壁
15、的锤击声，所以又称水击为水锤。水击压缩波：在管路中，这种压力变化是由于液体的惯性造成的。如果液体原来以某一流速v流动，突然使之停止，即在很短的时间内使流速变为零，由于流速的突然变化，引起惯性水头的作用使压力随之突然增加。水击膨胀波：反之，当原来是静止的液体，突然使其产生一流速v时，同样由于惯性水头的作用使压力突然降低。水击压力：这种增加或降低的压力叫做水击压力。水击压力是一个可观的数值，有时会引起管子的爆裂，因此必须给予足够的注意。,7-4 水击现象,7-4 水击现象,当阀门突然关闭时，在无限小的t时刻内，与阀门紧邻的一层液体首先停止流动。则一层液体的体积为As，其质量为As，由动量定理可以写
16、出:,式中：c为压力的传播速度。,水击压力的计算公式,E0为管材的弹性系数，E为液体的弹性系数,液体内的音速，,管道直径,以上讨论的是指阀门关闭很快，当压力波传递一个往返时间t0=2L/c之前已经把阀门全部关死的情况，称之为直接水击。如果关闭阀门的时间为TM，且TM t0，这种水击成为间接水击。间接水击的压强要比直接水击小，一般可用经验公式计算，即,7-4 水击现象,7-4 水击现象,例79 用1084的钢管输水时，水击压力传播速度为多少？若管内流速v0=1m/s，可能产生的最大水击压力为多少？若输水总管长2km，则避免直接水击的关阀时间以多大为宜？,T0=2L/c,，,5 孔口与管嘴,一、圆形小孔口的出流,二、管嘴出流,在孔口上接一段长度L=(34)D（D为孔口直径）的短管，称为管嘴。,5 孔口与管嘴,一、圆形小孔口的出流,收缩系数,能量方程,流速系数,流量系数,5 孔口与管嘴,二、管嘴出流,液体经管嘴出流时，如同孔口出流一样先发生液流的收缩现象，然后逐渐扩大充满全管嘴后流出。液体从管嘴流出时不再发生收缩，其收缩系数=1,液体经管嘴出流的阻力除有和孔口出流一样的突然收缩的局部阻力外，还有突然扩大的局部阻力和沿程阻力。,扩+,=进口=0.5,
