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1、工程流体力学 第五章 压力管路的水力计算主 讲：魏纳石油工程学院,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。,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,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
2、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
3、：,能量方程：,2、管路特性曲线：对于一定管长和管径的管路，系数将随值变化，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。,层流：,水力光滑：,水力粗糙：,过渡粗糙：,(式中：）,可综合成
4、一个公式：,式中系数、指数m可根据不同流态在下表中选取：,3、三类计算问题,（1）已知qV、l、d、，求hf；（选泵的扬程）,（2）已知hf、l、d、，求qV；（输送能力）,（3）已知hf、qV、l、，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、，求hf；,qV、d,计算Re,计算,计算 hf,计算v,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,因此，属于水力光滑区，则：,第二类问题的计算步骤（不知道流量，试算）,（2）已知hf、l、d、，求qV；,
5、假设Q,由Q计算 Re、,计算Q1,重新计算新的Re1、1,Q1=Q2,N,Y,由达西公式计算 Q2,Q2,方法一：,20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，,（2）已知hf、l、d、，求qV；,假定一个流态,选取、m值,计算Q,计算Re,不相符,相符,校核流态,Q,方法二：,第三类问题的计算步骤,（3）已知hf、qV、l、，求d。,hf qV l,假设d1,计算v1，Re1，1,计算d2,取d1=d2,N,Y,d=d2,
6、方法一：,E3：50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：,方法二：,1）根据设计流量，在适宜的流速范围内选择几个不同的管径；,2）按照所选管径算出经济流速；,3）根据经济流速、管径及油品粘度计算雷诺数，确定流态，计算水头损失；,4）由水头损失确定泵的扬程及功率，计算出每年动力消耗费用；,5）计算全部设备投资、管线投资及每年平均折旧费；,6）计算每年的检修、保养及管理费用；,7）把选用不同管径时每年所需各种费用全部开支一一算出；
7、,7）以管径为横坐标，年费为纵坐标，绘成曲线，选择经济直径。,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。,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。,1 按长管计算,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。,对上游断面和出口断面列能量方程，则,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。,特
8、点：一般按长管进行水力计算,各支的流量与总流流量之间应满足连续方程，即,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,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；,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；,假设,由hf计算 v、Re,由Re、查莫迪图得New,校核 New,=New,N,Y,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
9、管道中的流量及能量损失。,假设管1的 qV1,由qV1计算管1的hf1,由hf1求qV2和 qV3,hf1=hf2=hf3,qV1=qV1,N,结束计算,按qV1、qV2 和qV3的比例计算qV1、qV2 和qV3,计算hf1、hf2和hf3,Y,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
10、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。,计算内容：,1、根据管线布置选定主管线（从起点到最远点）；,2、按各终点流量要求，从末端前推，分配各段流量；,3、根据流量及合理流速，选定各段管径；,4、计算干线各段水头损失，确定干线上各节点处的压头，进而推算起点压头，以确定泵压或罐塔高度。,5、以算出的节点压头为准，确定各支管的水头损失，再根据设定的管径校核水头损失。,中国天然气管道
11、,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
12、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。,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78mH2O。,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1100.0m下游水位为299.0m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
13、中的最大允许真空度为 7mH2O时，虹吸管最高安装高程 zs为多少？,求流量,列00、11伯努力方程,v,虹吸管中最大真空一般发生在管道最高位置。本题最大真空发生在第二个弯头后的B-B 断面。考虑0-0断面和B-B 断面的能量方程，则,列00、BB伯努力方程,5.5 孔口和管嘴泄流,5.5.0 引言：孔口和管嘴泄流在石油工业中的应用,(1)钻井过程中，泥浆由钻具内经过钻头的水眼或喷嘴射入井腔冲击地层；(2)油田开采工作中，自喷井通过油嘴控制石油的产量;(3)为保持地层的能量，在油田注水井中用水嘴将高压水分别注入各个油层;(4)在油气输送工作中，储运工人计量油气的输送量，是利用油气通过孔板孔眼时
14、的节流压降的大小来测量计算的;(5)在石油加工、天然气净化工作中，常常将液体由喷射塔的喷嘴喷入另一种液体中，以加强分散提高传热或传质效果。,5.5.1 孔口出流,1.有关孔口出流的基本概念,孔口出流：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。,孔口出流的几个几何参数：孔径d，壁厚，水头H，孔口面积A，收缩断面面积Ac，收缩系数：=Ac/A。,孔口出流的分类：,（1）薄壁孔口：若 孔口出流时，水流与孔壁仅在一条周线上接触，壁厚对出流无影响；,（2）小孔口：如，便可认为孔口断面上各点的水头相等，这样的孔口为小孔口；,（3）定水头（定常）出流：液面位置保持不变。,2.薄壁小孔口定水头出
15、流,（1）自由出流：,自由出流：流体由孔口流入大气中。,收缩断面：c-c。,收缩系数：=Ac/A,通过孔口的流速和流量分析：,列自由液面与收缩断面的伯努利方程：,令：整理得：,收缩断面的流速：,其中：为流速系数。,孔口流量：,其中：为流量系数。,说明：（1）流速系数与流量系数通常由实验确定；对于圆形薄壁小孔口，这些系数都接近常数。,（2）流速系数的物理意义为实际流体与理想流体流速之比；,（3）流量系数的物理意义为实际流体与理想流体流量之比。,（2）淹没出流：流体由孔口直接流入另一部分流体中。,管嘴：由孔口接上与孔径d相同而长度l=（34）d的短管。,5.5.2 管嘴出流（圆柱形外管嘴定水头出流
16、）,液流流经管嘴的特点：液流先在管嘴内收缩形成真空，然后扩张充满整个断面，封住管口均匀地泄出，因此增设管嘴影响了出流的速度系数，进而影响了流量系数。,1.通过管嘴的流速和流量分析：,对进口断面1-1和出口断面2-2列伯努利方程：,令：整理得：,管嘴出流流速：,管嘴流量：,讨论：比较孔口和管嘴的流速系数和流量系数,管嘴,管嘴=1=0.82=0.82,孔口=0.64=0.97=0.62,2.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：,3.圆柱形外管嘴的正常工作条件收缩断面的真空度：限制收缩断面的真空高度：规定管嘴作用水头的限值为：圆柱形管嘴的正常工作条件为：（1）作用水头（2）管嘴长度,4.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,收缩系数Cc,流速系数Cv,流量系数Cq,0.06,0.5,1,0.09,4,0.04,0.63,1,1,0.98,1,1,0.97,0.82,0.71,0.96,0.45,0.98,0.61,0.82,0.71,0.95,0.45,0.98,
