第十章管路水力計算 ppt課件

1、101 短管水力計算102 簡單長管的水力計算103 串聯(lián)管路的計算104 并聯(lián)長管的水力計算105 枝狀管路的水力計算106 環(huán)狀管路的水力計算107 均勻泄流的水力計算108 有壓管路的水擊第十章第十章 管路水力計算管路水力計算限制：恒定流，設(shè)限制：恒定流，設(shè)=1。本章是運用能量方程和阻力計算來確定流速、本章是運用能量方程和阻力計算來確定流速、流量，或知管徑、流量，確定阻力，即流量，或知管徑、流量，確定阻力，即qv、p。工程中，普通是設(shè)計時，。工程中，普通是設(shè)計時，qv知，預(yù)知構(gòu)知，預(yù)知構(gòu)造，計算造，計算p阻力。選擇機械如泵、風(fēng)機。阻力。選擇機械如泵、風(fēng)機。在計算中，要用到延續(xù)方程，動量方

2、程，在計算中，要用到延續(xù)方程，動量方程，能量方程，阻力計算公式。能量方程，阻力計算公式。 長管只計算沿程損失而忽略局阻損失和出長管只計算沿程損失而忽略局阻損失和出流速度頭。是工程上的簡化。流速度頭。是工程上的簡化。1、幾個概念：、幾個概念：按能量損失型式將管路分為長管和短管：按能量損失型式將管路分為長管和短管：1管路系統(tǒng)：構(gòu)成流體流動限制，并保管路系統(tǒng)：構(gòu)成流體流動限制，并保證流體流動暢通的管件組合，簡稱管路。證流體流動暢通的管件組合，簡稱管路。2長管長管 ：凡部分損失和出流速度水頭：凡部分損失和出流速度水頭之和與管路的沿程阻力的和比較小，普通之和與管路的沿程阻力的和比較小，普通小于小于5，這

3、樣的管路稱長管或水力長管。，這樣的管路稱長管或水力長管。并聯(lián)管路：有分支，但有共同的集合和并聯(lián)管路：有分支，但有共同的集合和 起始點。起始點。3短管：各項損失和出流速度頭均需短管：各項損失和出流速度頭均需計及的管路，也稱水力短管。計及的管路，也稱水力短管。管路也可按構(gòu)造分為簡單管路和復(fù)雜管路：管路也可按構(gòu)造分為簡單管路和復(fù)雜管路：4簡單管路：等徑，無分支。簡單管路：等徑，無分支。5復(fù)雜管路：簡單管路以外的管路，即復(fù)雜管路：簡單管路以外的管路，即 不等徑，或有分支或二者兼之。不等徑，或有分支或二者兼之。串聯(lián)管路：首尾相連管徑不同，無分支串聯(lián)管路：首尾相連管徑不同，無分支 的管路。的管路。盡量減少

4、動耗費，即能耗，節(jié)約能源，節(jié)約盡量減少動耗費，即能耗，節(jié)約能源，節(jié)約原資料，降低本錢。原資料，降低本錢。為到達(dá)上述目的，需計算確定為到達(dá)上述目的，需計算確定qv，尺寸、，尺寸、d，損失，損失p。枝狀管路：枝狀管路起始點不同，枝狀管路：枝狀管路起始點不同，而集合點一樣。而集合點一樣。網(wǎng)狀管路：起始和集合均不同的網(wǎng)狀管路：起始和集合均不同的不規(guī)那么管路。不規(guī)那么管路。2、設(shè)計管路的目的、設(shè)計管路的目的1知知qv和、和、d，求，求p外力流動或供外力流動或供液水頭本身流動液水頭本身流動2知、知、d，或允許，或允許p，求，求qv3知知qv 、，確定、，確定d3、設(shè)計方法、設(shè)計方法前兩種為校核計算，后一種

5、為設(shè)計計算前兩種為校核計算，后一種為設(shè)計計算第一節(jié)第一節(jié) 短管水力計算短管水力計算以等徑管路為例，闡明計算方法。以等徑管路為例，闡明計算方法。2VH (H)100221由于等徑，延續(xù)，由于等徑，延續(xù)，V不變，不變，whgVgpgVgpH2222221110,V 12apppwhgVH222假設(shè)液體自管端流入大氣，即自在出流。假設(shè)液體自管端流入大氣，即自在出流。以以00為基準(zhǔn)，對自在液面為基準(zhǔn)，對自在液面11和出流斷和出流斷面面22列能量方程列能量方程 gVdliii2)(22gVdlHiii2)1 (2gdqgVHvss2116)1 (2)1 (4222iiisdl令240.0827(1)vs

6、qHd或gVdgVlhiiiw222222假設(shè)流入大容器，作用水頭假設(shè)流入大容器，作用水頭H為二液面高為二液面高度差，阻力應(yīng)加上出口阻力。度差，阻力應(yīng)加上出口阻力。假設(shè)不等徑，只需將各處阻力系數(shù)包括假設(shè)不等徑，只需將各處阻力系數(shù)包括沿程換算至同一速度。沿程換算至同一速度。s包括管路入口、轉(zhuǎn)彎、閥門阻力和沿程。包括管路入口、轉(zhuǎn)彎、閥門阻力和沿程。LHd以等徑程度長管為例：以等徑程度長管為例：列能量方程列能量方程:whgVgpgVgpH22222121gVdlgVH222222長管出流長管出流 :0222gV gVdlhHw22即全部能頭即全部能頭H被阻力耗費。被阻力耗費。以以qv為例為例 :52

7、2220827. 0214dqlgdqdlHvv或2252242282116KlqdgqlgdqdlHvvv85dgK 為流量模數(shù)為流量模數(shù)sm3lHKqvlH稱單位長度作用水頭，稱水力坡度。稱單位長度作用水頭，稱水力坡度。 K相當(dāng)于水力坡度為1時的流量。 ,dfK 由于流動為阻力平方區(qū)。 f故故 dfK,在普通工程手冊上可以查到在普通工程手冊上可以查到 dfK通常通常 一定。一定。 第三節(jié) 串聯(lián)管路的計算因各段管路均按長管計算，只需沿程損失，故因各段管路均按長管計算，只需沿程損失，故 iivflKqhi2222d ,l11d ,lH33d ,l1vq2vq在無走漏時：在無走漏時：viqq i

8、fhH忽略出流速度頭忽略出流速度頭 22222112222iiviivKlKlKlqKlqH2iivKlHq(1)iviiqqq1可列可列i-1個方程，與個方程，與1式聯(lián)立可解。式聯(lián)立可解。 當(dāng)有走漏時，當(dāng)有走漏時， 0iq分流前流量為分流前流量為qv1，合流后為，合流后為qv5 內(nèi)部流量為內(nèi)部流量為qv2 ， qv3 ， qv4 A333d ,l ,qv444d ,l ,qv222d ,l ,qv111d ,l ,qv555d ,l ,qvB并聯(lián)特點：并聯(lián)特點：1阻力相等阻力相等22432iivfffKlqhhhii=2、3、4 2流量流量 ：在支線上分流：在支線上分流 54321vvvvv

9、qqqqq 第五節(jié) 枝狀管路的水力計算22iivfKlqhii如圖，不能在總管路與支管如圖，不能在總管路與支管之間列方程之間列方程 ，應(yīng)對某一分支，應(yīng)對某一分支列按并聯(lián)。如列按并聯(lián)。如2、3、4線線3721ffffhhhhH432vvvqqq527vvvqqq671vvvqqq67882443,ffffffffhhhhhhhh 第六節(jié) 環(huán)狀管路的水力計算各節(jié)點，根據(jù)延續(xù)性，各節(jié)點，根據(jù)延續(xù)性，流入流入qvi=流出流出qvo 假設(shè)以流入為正，流假設(shè)以流入為正，流出為負(fù)那么節(jié)點方程：出為負(fù)那么節(jié)點方程：0ivq通常網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃知。即各管的長度通常網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃知。即各管的長度 li 知，知，qvi 知，求各

10、管段的流量和設(shè)計各管的直知，求各管段的流量和設(shè)計各管的直徑徑d 。如圖。如圖。按阻力：兩節(jié)點間阻力相等。假設(shè)已順時針按阻力：兩節(jié)點間阻力相等。假設(shè)已順時針為正，逆時針為負(fù)，那么節(jié)點間。為正，逆時針為負(fù)，那么節(jié)點間。計算時普通采用逼近方法，即予先取，分配計算時普通采用逼近方法，即予先取，分配流量及流向，選擇管徑，求各段阻力，驗證，流量及流向，選擇管徑，求各段阻力，驗證，否那么重分配流量。普通是管路長，流量大。否那么重分配流量。普通是管路長，流量大。阻力小，流量小。阻力小，流量小。假設(shè)精度要求高，那么用電子計算機編程計假設(shè)精度要求高，那么用電子計算機編程計算。算。 第七節(jié) 均勻泄流的水力計算 普通

11、是在主干上，沿程泄流，把沿程流量均普通是在主干上，沿程泄流，把沿程流量均勻泄出的流動程均勻泄流。如蔬菜大棚中心勻泄出的流動程均勻泄流。如蔬菜大棚中心的灌溉等。假設(shè)單位長度上泄流量的灌溉等。假設(shè)單位長度上泄流量qm3/s，管徑為，管徑為d，管長，管長L，末端出流，末端出流qvT ，總作用水頭，總作用水頭H。如圖，那么由延續(xù)性：。如圖，那么由延續(xù)性：TVVqqqLxHdxVTqqLd,在距管段起始處在距管段起始處x位置取微段位置取微段dx。那么在。那么在x處截面的流量應(yīng)為末端出流量和余段泄流處截面的流量應(yīng)為末端出流量和余段泄流量之和，即：量之和，即：xLqqqTxVVdx上耗費水頭上耗費水頭 dx

12、KqdhxVf22LVLxVfdxKxLqqdxKqdhHT022022 假設(shè)流動處于阻力平方區(qū) constK 232223KLqqLqLq HTTVV3222nnTTVVVVqqqqKL H其中其中: qLqnV為泄流量。相當(dāng)于在同樣水頭為泄流量。相當(dāng)于在同樣水頭 H作用下，作用下，末端無泄流時末端無泄流時:當(dāng)當(dāng) 時，時， 與無與無 泄流時泄流時 比較，比較， 即保證同樣流即保證同樣流 量，泄流所需作用壓頭是末端出流的量，泄流所需作用壓頭是末端出流的1/3。 0TVq322nVqKLH 2231KLqnVVq3nVVqq 322nnTTVVVVVqqqqq緣由是：阻力壓頭緣由是：阻力壓頭 沿

13、程無泄流時不變，有沿程無泄流時不變，有泄時延續(xù)減少因此下降。泄時延續(xù)減少因此下降。第九節(jié)第九節(jié) 有壓管路的水擊有壓管路的水擊 本節(jié)引見水擊機理和減輕水擊的措施。本節(jié)引見水擊機理和減輕水擊的措施。當(dāng)管件中的閉門忽然封鎖或水泵忽然停頓當(dāng)管件中的閉門忽然封鎖或水泵忽然停頓任務(wù)，使液流速度忽然改動，這種液體動任務(wù)，使液流速度忽然改動，這種液體動量的變化而引起的壓強突變急上或下量的變化而引起的壓強突變急上或下的景象稱水擊。的景象稱水擊。壓強的交替變化，對管壁或閥門儀表產(chǎn)生類壓強的交替變化，對管壁或閥門儀表產(chǎn)生類似于錘擊的作用，因此，水擊也稱水似于錘擊的作用，因此，水擊也稱水“錘。錘。水擊使壓強升高達(dá)數(shù)倍

14、或幾十倍，嚴(yán)重時水擊使壓強升高達(dá)數(shù)倍或幾十倍，嚴(yán)重時損害管路。損害管路。 對恒定流，由于忽略可緊縮性，結(jié)果和實踐差不多。對非恒定流，水擊必需思索緊縮性，而且還要思索管壁的膨脹。下面以圖示情況闡明水擊過程1.水擊及其物理過程水擊及其物理過程00, pV 在A處裝有足夠大的蓄能器，即以為水擊波截止于A處，A以前堅持不變的 。假定無粘性， 不變。假定B處閥門忽然封鎖，時間 。并假設(shè)管中液體由無數(shù)微段組成，彼此互挨并且互無聯(lián)絡(luò)。0, 0pVdl,0t當(dāng)當(dāng)B處閘門忽然封鎖時，緊靠處閘門忽然封鎖時，緊靠B處的液處的液體立刻停頓，接著緊挨它的前一段也體立刻停頓，接著緊挨它的前一段也停頓，這樣自停頓，這樣自B

15、CA依次停下來，依次停下來， (1).減速、升壓過程液體停頓和由此呵斥的壓強升高以波的方式液體停頓和由此呵斥的壓強升高以波的方式沿管路向沿管路向A處傳播，這一波稱壓強升高波。處傳播，這一波稱壓強升高波。設(shè)液體和管壁均勻，那么波傳播速度為常數(shù)設(shè)液體和管壁均勻，那么波傳播速度為常數(shù)a，設(shè)管長設(shè)管長l，經(jīng)過時間，經(jīng)過時間t0，升壓波到達(dá)，升壓波到達(dá)A處，使處，使AB全停，這時全停，這時A處壓強高于處壓強高于p0， 稱水擊壓強。當(dāng)經(jīng)過時間稱水擊壓強。當(dāng)經(jīng)過時間t=l/a后，后，AB段中段中 V=0 ，壓強，壓強 。pppA0ppp0動能轉(zhuǎn)化為壓強能，使停頓的液體中壓強升動能轉(zhuǎn)化為壓強能，使停頓的液體中

16、壓強升高，使流體受緊縮，也使管壁膨脹。高，使流體受緊縮，也使管壁膨脹。因蓄能器存在，壓強波在因蓄能器存在，壓強波在A處不能引起蓄能器處不能引起蓄能器壓強動搖，當(dāng)傳至壓強動搖，當(dāng)傳至A點，被蓄能器截止，以為點，被蓄能器截止，以為A左段壓強不變，于是在左段壓強不變，于是在A左右產(chǎn)生壓差左右產(chǎn)生壓差p，使停頓液體向左挪動，將使壓強恢復(fù)到使停頓液體向左挪動，將使壓強恢復(fù)到p0，緊，緊挨著的一段向左做降壓流動，稱為減壓升速波。挨著的一段向左做降壓流動，稱為減壓升速波。從從A傳到傳到B。仍用時間。仍用時間t=l/a ，這時，流體向左，這時，流體向左挪動，速度挪動，速度V0，壓強，壓強 p0 。(2).壓強

17、恢復(fù)過程壓強恢復(fù)過程在在B處，由于有向左的處，由于有向左的V0 ，壓強，壓強 p0，使，使B處有向左分開的趨勢。由于處有向左分開的趨勢。由于B右側(cè)無液流填右側(cè)無液流填充，又使其停頓，壓強降低，密度減小。充，又使其停頓，壓強降低，密度減小。在理想情況下，壓強降低值在理想情況下，壓強降低值=升高值升高值p，從，從B傳至傳至A用的時間為用的時間為t=l/a，稱降壓波，使，稱降壓波，使AB段段V=0，壓強，壓強p= p0 -p 。3壓強降低過程壓強降低過程當(dāng)減壓波傳到當(dāng)減壓波傳到A。被蓄能器截止，在。被蓄能器截止，在A兩側(cè)兩側(cè)產(chǎn)生壓差，使流體向右流，速度產(chǎn)生壓差，使流體向右流，速度V0，到達(dá)，到達(dá)B處

18、，使處，使AB段壓強回到段壓強回到p0，所用時間為，所用時間為t=l/a ，速度，速度 V0 。4 壓強恢復(fù)過程壓強恢復(fù)過程此時假設(shè)閥門仍封鎖，那么反復(fù)開場升壓波此時假設(shè)閥門仍封鎖，那么反復(fù)開場升壓波壓力恢復(fù)壓力恢復(fù) 減壓減壓壓強恢復(fù)過程。因此，壓強恢復(fù)過程。因此，用用 4t=4l/a完成一個水擊周期，速度完成一個水擊周期，速度依次依次V00，0 V0 ；V0 0，0 V0 。理。理想條件下，無阻力，無能損，水擊將無休止想條件下，無阻力，無能損，水擊將無休止進展下去。進展下去。在在B處壓強變化如圖處壓強變化如圖a0ppal 2al 20ttT)(ap恣意點恣意點C處壓強變化如圖處壓強變化如圖b

19、)(bp0ppal2A點的壓強分布點的壓強分布cal 2al 2alp0ppt)(c從閥門封鎖到水擊波第一次前往閥門用從閥門封鎖到水擊波第一次前往閥門用2l/a時間，令時間，令t0= 2l/a稱為水擊波的波相，每經(jīng)稱為水擊波的波相，每經(jīng)過過 t0時間，水擊壓力變化一次，稱時間，水擊壓力變化一次，稱“倒相。倒相。每經(jīng)過時間每經(jīng)過時間T=2 t0=4l/a水擊景象反復(fù)一次。水擊景象反復(fù)一次。實踐上，閥門不能夠忽然瞬間封鎖，總有一實踐上，閥門不能夠忽然瞬間封鎖，總有一個時間個時間tk ，將，將 tk與與 t0相比，把水擊分為直相比，把水擊分為直接水擊和間接水擊。接水擊和間接水擊。間接水擊：當(dāng)間接水擊

20、：當(dāng) tk t0 ，前往時閥門并未封，前往時閥門并未封鎖，使一部分能量從閥門消去，壓強有所鎖，使一部分能量從閥門消去，壓強有所抵消，因此直接水擊比間接水擊壓強高，抵消，因此直接水擊比間接水擊壓強高，破壞性大。破壞性大。假設(shè)假設(shè) tk t0 ，那么每次都抵消一部分，那么每次都抵消一部分，可以將水擊能量耗費掉可以將水擊能量耗費掉 ，這是一方法。，這是一方法。 取接近取接近B端的一段液柱進展研討，在端的一段液柱進展研討，在t時間時間內(nèi)，升壓波向右傳送的間隔為內(nèi)，升壓波向右傳送的間隔為ta ，此時速，此時速度為度為0，壓強添加到，壓強添加到 p0+p ，管道截面積，管道截面積從從A擴展到擴展到 A+A

21、 。如圖。如圖。2. 水擊最高壓強水擊最高壓強00, pVatpp0AAtVaAtAVtAa)(00該段流體質(zhì)量為該段流體質(zhì)量為ta長度管內(nèi)流體與長度管內(nèi)流體與 t 時間時間以速度以速度V0流入的流體質(zhì)量之和，即：流入的流體質(zhì)量之和，即：該段所受軸向力為：該段所受軸向力為：pAApApp00)(它與該段所添加的圓環(huán)面積它與該段所添加的圓環(huán)面積A上受力相互上受力相互平衡。平衡。0Va0paV 通常通常 ，因此，因此 該式稱為儒該式稱為儒柯夫斯基公式。柯夫斯基公式。0000()(0)()pA aVAtA aVtVVt00()paV V tk 為閥門封鎖時間。為閥門封鎖時間。KtlVp20 在在at

22、長度段內(nèi)，由于壓強添加，管道將擴張。長度段內(nèi)，由于壓強添加，管道將擴張。在在t 時間內(nèi)，將有時間內(nèi)，將有V0At的液體補充。的液體補充。 0VV)(0VVapV當(dāng)閥門部分封鎖時，過程與上述完全一致，當(dāng)閥門部分封鎖時，過程與上述完全一致，只是速度由只是速度由 降為降為 ，用類似方法可求出：，用類似方法可求出： 但計算較復(fù)雜，由于但計算較復(fù)雜，由于 難測。難測?？捎孟率鼋剖剑嚎捎孟率鼋剖剑?.水擊波傳播速度水擊波傳播速度兩者體積可以看作相等，忽略補充進入體兩者體積可以看作相等，忽略補充進入體積的緊縮量即積的緊縮量即tpAatadAtAV0體積緊縮系數(shù)。體積緊縮系數(shù)。2222dArdrdrD pArrEE式中式中 管壁內(nèi)所受的附加應(yīng)力管壁內(nèi)所受的附加應(yīng)力 管道內(nèi)半徑，直徑管道內(nèi)半徑，直徑 管壁厚度管壁厚度 管壁資料的彈性模數(shù)管壁資料的彈性模數(shù)Dr,EtpAa其中其中 為原有緊縮