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1、第五章 管路计算,第一节 管路计算的任务第二节 简单管路计算第三节 串联与并联管路计算第四节 管网计算基础第五节 压力管路中的水击第六节 无压均匀流计算,第一节 管路计算的任务 工程是几种的各种流体输配管路，例如供水管 路、供热管路、通风管路等都会涉及到管路的计算 问题，即流量、能量损失和管道几何尺寸之间关系 的确定问题。管路计算的任务就是利用流体力学的 基本理论，根据流体在管路中的具体流动规律，确 定其流量、能量损失和管道几何尺寸之间的关系，工程是几种也将管路计算称为水力计算。一、管路计算问题的类型：1、设计计算：设计计算是在管路布置已经确定、流量已知的条件下，选择合适的管径并计 算水头损失
2、，以便合理地选用泵与风机。,例如在供热、通风管路设计中，管路的布置和流量 是根据工程的具体要求确定，管路计算的任务就是 经济合理地确定各管段的管径，计算流动时所产生 的能量损失，合理地选择出泵与风机。这类问题在 从事新工程设计时会经常遇到。2、校核计算：校核计算一般是在管路直径、作用 压头已知的条件下，确定通过管路的流量，即校核 管路的输送能力。这类问题在旧工程的改建或扩建 中会经常遇到。,二、管路流动的类型：1、“短管”：指局部损失在总损失中所占的比例较 大（超过沿称损失的10%）两部分损失必须是 同时考虑的管路。工程实际中的大多数管流都 需要按照“短管”来处理。2、“长管”：指局部损失在总
3、损失中所占的比例较 小（不超过沿程损失的10%），计算时可将其 忽略或按照沿程损失百分比（5%10%）进行估 算的管路。城市中的给水干管、供热干管以及 长距离输油管道可以按照“长管”考虑。,三、管路的构成类型：1、简单管路：简单管路是指管径和流量沿程不发生变 化的管路。简单管路是构成各种复杂管路的 基本单元。2、复杂管路：复杂管路是指管径或流量沿程发生变化 的管路。根据其具体的布置情况又可以分为 串联管路、并联管路和管网。管网属于分支 管路，按其分枝的特点可划分为枝状管网和 环状管网。,第二节 简单管路计算一、“短管”的计算：如图所示的简单管路短管系统，管道的直径为d，管道的长度为L，水箱中的
4、水通过该简单管路流入大气 中。取基准面O-O通过管道的轴线，水箱水面到基准面 的距离为H。列水箱水面11和管道出口断面22的能量方程,整理可得 如果将出口处的流速水头看作=1的局部水头损失，并 且合并到中去，则 将 代入上式可得：另 能量方程转化为（1）,H 作用水头。（m）SH 阻抗，也称为管路特性阻力系数（s2/m5）Q 流量。（m3/s）如果是气体管路，不具有明显的水头特征，应该采 用压强来表示，即在（1）式两端乘以容重，则其计算 公式变为 p 作用压强（N/m2）Sp 阻抗（kg/m7）Q 流量（m3/s）注：上述计算式中的包含了系统中所有的局部阻 力构件及管道出口处的局部阻力系数。,
5、二、“长管”的计算：在长距离输水系统中，局部损失和出口处的流速水头 要比沿程损失小的多，因此可以忽略不计。列水箱水面1-1和管道出口断面2-2之间能量方程,将方程进行整理并忽略局部水头损失和流速水头，可得 式中 长管管路阻抗（s2/m5）上式是长管的特性阻力方程式，在给水工程中，常 将该式写为 式中 A长管管路比阻，（s2/m6）L管道长度（m）Q流量（m3/s）在实际工程中，为了简化计算，常将比阻值整理成专用水力计算表，可在设计手册中查到。,第三节 串联与并联管路计算,一、串联管路：串联管路是由许多简单管路首尾相接组合而成，如 图所示。,简单管路是构成复杂管路的基本单元。特性一、流量规律 当
6、无节点分流：特性二、阻力损失规律 即特性三、阻抗规律 因：串联管路 故 即 S管路总阻抗数（）各管段的阻抗数（）而对于长管：,二、并联管路：流体从总管路节点a上分出两根以上的管段，而这 些管段同时又汇集到另一节点b上，在a和b之间的各管 段称为并联管路。,特性一、流量规律 由质量守恒定律 流入流量=流出流量 特性二、阻力损失规律 节点a,b处单位能量只有一个值，即（）a或b，所以单位重量流体通过任意并联分支的能量损失必然相等。特性三、阻抗规律 由上式得:又因并联管路 得,并联管路各管段流量之比为：例题：某两层楼的供暖立管，管段1的直径为20mm，总长为20m，=15。管段2的直径为20mm，总
7、长为10m，=15，管路的=0.025，干管中的流量QV=110-3m3/s，求QV1和QV2。解：节点a.b间并联有1.2两管段,由 得，计算S1、S2，,所以 则：又因：于是得：,第四节 管网计算基础,管网是一种在许多节点处有分支、由简单管路经过 串联和并联所构成的复杂管路。工程中的一切复杂管路 系统均为管网。管网按其布置方式可分为枝状管网和环 状管网。如下图所示。枝状管网 环状管网,一.管网水力计算的类型设计计算：确定d，和进行阻力平衡。校核计算：核算阻力损失及Q和动力设备。二.管网的水力计算方法支状管网：划分管段，进行节点编号 确定最不利的管线，即确定一条主干线。初选管径 通过限定流速
8、V来计算d。确定实际管径d，根据查取标准规格的管径d，确定d 之后再核算流速v，（v=）在流速范围内即满 足要求。阻力损失计算 选择动力设备，根据 选择 阻力平衡,（二）环状管网：1、任一节点（如G点）流入流出的流量相等，即 2、任一闭合环路（如ABGFA）中，如规定顺时针方向流 动的阻力损失为正，反之为负，则各管段阻力损失的 代数和必等于零，即哈迪.克罗斯计算程序：（1）将管网分成若干环路如图5-19上分成、三个闭合环路。按节点流量平衡确定流量QV，选取限 定流速v，定出管径D。,（2）按照上面规定的流量与损失在环路中的正负值，求出 每一环路的总水头损失（以后写作）。（3）根据上面给定的流量
9、QV，若计算出来的 不为零，则每段管路应加校正流量QV：在每一管段上加校正流量，便得出第一次校正后流量 QV1。（4）重复上述程序，算出第二次校正后流量QV2，直到满足 工程精度要求为止。,第五节 压力管路中的水击,一.压力管路中的水击现象定义：压力管路中运动的液体，由于外界条件的改变（阀门 的启闭和水泵的启闭）使液体的流速发生突然的改变，从而引起压强的突然升高和降低（升高和降低在交替 中进行）现象称为水击。实际：增压和减压过程的交替。二.水击现象发生的过程 如图所示，假设阀门突然关闭，（即关闭时间趋于0，且采用无粘性液体模型）设阀门关闭前水流的速度为V0,，水击发生的过程如下：,1.减速增压
10、过程 当阀门突然关闭，m-n 断面最先停止流动，动量在 瞬间发生变化。其动量变化量=压强瞬间上升（），这样水层m-n 受到压缩，而管壁则受到 膨胀。m-n 停止运动后，后面的各水层会相继停止流动，形成以波的形式从阀门开始的减速增压过程，直到 靠近水池的水层停止。（C-水击波速）,2.减速增压过程 由于惯性及压差作用，管道中水的压缩得以缓解，以 波的形式向阀门方向传递，这是解压波。当 时，解压波传递到阀门。3.减速减压过程 由于惯性，管道中的水流压强由P0降低为（），这个低压弹性波又以波的速度从阀门向水池方向传播，当 时传到水池，管道处于瞬时低压（）状态。4.增速增压过程 管道中压强为P0，水池
11、中为 时，增压弹 性波传递到阀门。此四个过程构成一个周期，即，往返两次。往返一次所需的时间称为水击相,三.水击压强的计算 直接水击 时 C水击波速（m/s）C=管径大，管壁薄，管材弹性模量小的管道，其水击 波速小。（二）间接水击 时 间接水击压强比直接水击压强小。,四.减小水击危害的措施1.规定最大流速2.延长阀门启动时间3.采用管径大，管壁薄，弹性模量小的管道。4.设置安全阀5.设置缓冲装置,第六节 无压均匀流的计算,无压流：液体在重力作用下产生的流动，通常具有 自由表面，且自由表面上受大气作用。无压均匀流：流线是相互平行的直线的无压流。例如：天然河道中流动和明渠流一.无压均匀流的特点及产生
12、条件特点：过流断面形状，尺寸及深度沿程不变。流速分布，断面平均流速沿程不变。坡度i 不变=水面坡度=总水头线坡度 合外力为,产生条件：流量沿程不变，且为恒定流 长直管道或棱柱形正底坡的长渠道 固体壁面的表面粗糙系数沿程不变，且流道 中无障碍物 二.无压均匀流的水力计算方法 水力计算公式 则任意断面：设C=则开方得：,C谢才系数（）反映沿程阻力变化规律的系数，与 和 有关 经验公式：C=n粗糙系数，可查表得 此式在n0.5m范围内使用 而对无压均匀流：故 则 代入C=则,（二）圆管无压均匀流的计算 若设满管流的速度和流量为V0Q0，非满管流的速度和流量为V Q，则：流量比:结论：流量比和流速比都是充满度的函数,特点：原因：R=A/X，当充满度达到一定值后，随着充满度的 增加，过流断面积的增长率小于湿周的增长率而 水力半径变小，使Q和V也减小。,流体力学泵与风机精品课程 第五章,
