第五章 壓力管路

§5-1管路的特性曲線§5-2長管的水力計(jì)算§5-3短管的水力計(jì)算§5-4孔口和管嘴泄流第五章壓力管路的水力計(jì)算本章將結(jié)合輸油管路設(shè)計(jì)中的一些工程問題，如長輸管線的水力計(jì)算、串并聯(lián)管路，以及孔口和管嘴泄流的基本原理，作扼要分析，介紹處理這些問題的基本方法。1長管計(jì)算實(shí)用公式

簡單長管

串聯(lián)、并聯(lián)和分支管路2短管計(jì)算實(shí)用公式3孔口和管嘴泄流主要內(nèi)容主要公式連續(xù)性方程伯努利方程雷諾數(shù)達(dá)西公式包達(dá)公式基本概念：壓力管路：

在一定壓差下，液流充滿全管的流動管路。（管路中的壓強(qiáng)可以大于大氣壓，也可以小于大氣壓）

注：輸送氣體的管路都是壓力管路。按管路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分為簡單管路：等徑、無分支或匯合的管路,直徑可大可小復(fù)雜管路：直徑有變化或有分支等情況的管路根據(jù)管道分支、排列和組合的情況:

串聯(lián)、并聯(lián)、分支按能量比例大小，分為長管：

和沿程水頭損失相比，流速水頭和局部水頭損失可以忽略的流動管路。如果管路中流速水頭和局部水頭損失的和，所占的比例在5~15%以下，在水力學(xué)計(jì)算中，可以忽略不計(jì)。短

管：流速水頭和局部水頭損失不能忽略的流動管路§5－1

管路的特性曲線一、定義

水頭損失與流量的關(guān)系曲線稱為管路的特性曲線二、特性曲線（1）把

代入上式得：Qhw1、當(dāng)由泵輸送液體時(shí)，因泵給出的揚(yáng)程H要克服位差和水頭損失，繪制管路特性曲線時(shí)，縱坐標(biāo)以泵的揚(yáng)程為準(zhǔn)，故管路特性曲線相應(yīng)地要平移一個(gè)位差的高度。2、理論上有層流到紊流應(yīng)有折點(diǎn)，實(shí)用上不予考慮，而繪制光滑曲線3、根據(jù)水頭損失的計(jì)算通式，當(dāng)有局部水頭損失時(shí)可折算為當(dāng)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，在工程設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用一、簡單長管1、定義：由許多管徑相同的管子組成的長輸管路，且沿程損失較大、局部損失較小，計(jì)算時(shí)可忽略局部損失和流速水頭?！?－2長管的水力計(jì)算短途無中繼泵站的輸油管線和長途兩泵站之間的管線都屬于簡單長管.若上述管路有分支或者直徑發(fā)生變化,此時(shí)對于管路中直徑不變的每一段或每一個(gè)分支,仍然是簡單長管2、計(jì)算公式：簡單長管一般計(jì)算涉及公式（1）（2）（3）（4）

有時(shí)為了計(jì)算方便，hf的計(jì)算采用如下形式：

其中，β、m值如下說明：

（5）流態(tài)βm層

流4.151（a）水力光滑0.02460.25（b）混合摩擦0.0802A0.123（c）水力粗糙0.0826λ0（d）公式（5）的推導(dǎo)：（6）

層流時(shí)，

代入（6）式得：

即：β＝

4.15，m＝1（a’）

水力光滑區(qū)，

代入（6）式得：

即：β＝

0.0246，m＝0.25（b’）

由大慶設(shè)計(jì)院推得經(jīng)驗(yàn)公式，在混合區(qū)：

即：β＝

0.0802A，m＝0.123

其中，（c’）

粗糙區(qū)

即：β＝

0.0826λ，m＝0（d’）流態(tài)βm層

流4.151（a）水力光滑0.02460.25（b）混合摩擦0.0802A0.123（c）水力粗糙0.0826λ0（d）3、簡單長管的三類計(jì)算問題第一類：已知：地形Δz，流量Q，管道尺寸d，L，Δ輸送流體的性質(zhì)μ，γ求：hf，Δp解：Q→V→

→確定流態(tài)→

β，m(λ)

→hf

→伯努利方程求Δp(1)(2)例:50°C的原油,密度ρ=950kg/m3,運(yùn)動粘度ν=8×10-5m2/s,流過一根長l=400m,D=150mm,粗糙度e=0.30mm的管道,流量Q=0.12m3/s,試求產(chǎn)生的壓降.第二類：(在既有設(shè)備能力下,作管線設(shè)計(jì)或校核時(shí)使用)已知：

Δp

，Δz，d，L，μ，γ

求：Q

解：Q未知→流態(tài)也未知→

β，

m(λ)無法確定

→

試算法或繪圖法

a、先假設(shè)一流態(tài)，取β，

m值，算出Q’

試算法b、Q’→→

，校核流態(tài),如由

Q’→Re’

和假設(shè)一致，

Q’

即為所求Q

c、如由

Q’→定出的流態(tài)和假設(shè)不一致，重復(fù)a。繪圖法按第一類問題的計(jì)算方法，選取足夠多

Q，算出

hf值，然后繪制圖形。使用時(shí)由

hf查找

Q即可。第三類：已知：

Q

，

Δz，L，μ，γ

求：

經(jīng)濟(jì)管徑d(Δp未知)

解：考慮兩方面的問題

①d↑，材料費(fèi)↑，施工費(fèi)、運(yùn)輸費(fèi)↑

,造價(jià)高

V↓，損失↓，管理費(fèi)用↓

輸油管容易結(jié)蠟②d↓，一次性費(fèi)用↓

V↑，損失↑，設(shè)備（泵）費(fèi)↑，動力費(fèi)用↑

水擊,靜電發(fā)生爆炸如何解決這一矛盾，正是一個(gè)管徑優(yōu)選問題。1)根據(jù)設(shè)計(jì)流量,在速度范圍內(nèi)選擇幾個(gè)不同的管徑一般油田內(nèi)部管線或庫內(nèi)管線流速以1~2m/s左右外輸管線取1~3m/s2)按照所選管徑d算出速度v3)V、d、v

→確定流態(tài)→

β，

m(λ)→hf

→伯努利方程求水頭損失Δp4)由總水頭損失及壓降確定泵的揚(yáng)程、功率,計(jì)算每年動力消耗費(fèi)用計(jì)算全部設(shè)備投資、管線投資及每年平均折舊費(fèi)計(jì)算每年的檢修、保養(yǎng)及管理費(fèi)5)管徑d~年費(fèi)用曲線20°C的四氯化碳,密度ρ=1590Kg/m3,運(yùn)動粘度ν=6.1×10-7m2/s,通過長度l=20m的鋼管,流量Q=2×10-3m3/s,要求單位長度的壓降為△p/l=3.7kpa/m,設(shè)e=0.046mm,試問需要管徑D。二、串、并聯(lián)管路1、串聯(lián)管路①定義：由不同管徑的管道依次連接而成的管路。②水力特征：a、各聯(lián)結(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)）處流量出入平衡，即進(jìn)入節(jié)點(diǎn)的總流量等于流出節(jié)點(diǎn)的總流量。其中，進(jìn)為正，出為負(fù)，它反映了連續(xù)性原理。b、全線水頭損失為各分段水頭損失之和，即：它反映了能量守恒原理。2、并聯(lián)管路①定義：兩條以上的管路在同一處分離，以后又在同一處匯合，這樣的組合管道，叫并聯(lián)管道（路）。②水力特征：a、進(jìn)入各并聯(lián)管的總流量等于流出各并聯(lián)管的總流量之和，即b、不同并聯(lián)管段A→B，單位重量液體的能量損失相同，即：3、串、并聯(lián)管路的水力計(jì)算①串聯(lián)管路——屬于長管計(jì)算第一類問題已知：Q

求：d

解：確定合理流速V合理＝？→合理d

②并聯(lián)管路——屬于長管計(jì)算第二類問題

因?yàn)樗婕暗搅髁糠峙鋯栴}，Q→

Q1?Q2?Q3?一輸水管路，總流量Q＝100L/s，各段管徑、長度及程水力摩阻系數(shù)分別標(biāo)于圖中，試確定流量Q1、Q2及AB間的水頭損失為多少？又（2）Q1＝0.0446m3/s＝44.6L/sQ2＝0.0554m3/s＝55.4L/s一管路系統(tǒng)，CD管中的水由A、B兩水池聯(lián)合供應(yīng)。已知L1＝500m，L0＝500m，L2＝300m，d1＝0.2m，d0＝0.25m，λ1＝0.029，λ2＝0.026，λ0＝0.025，Q0＝100L/s。求Q1、Q2及d2解：按長管計(jì)算A～D伯努利方程：B～D伯努利方程：d2=0.242m4、分支管路①定義：自一點(diǎn)分開不再匯合的管路②水力特征：a、節(jié)點(diǎn)處流出與流入的流量平衡b、沿一條管線上總水頭損失為為各段水頭損失總和c、節(jié)點(diǎn)處：③、分支管路1)選定主干線(以起點(diǎn)到最遠(yuǎn)點(diǎn)為主干線)2)按各終點(diǎn)流量要求,從末端前推,分配各管段流量3)根據(jù)流量及合理流速,選定各段管徑4)計(jì)算干線各段水頭損失,確定干線上各節(jié)點(diǎn)處的壓頭,推算起點(diǎn)壓頭,確定泵壓或罐塔高度5)通過節(jié)點(diǎn)壓頭確定各支管的水頭損失,再根據(jù)設(shè)定的管徑校核水頭損失,不符合則重選支管徑

許多室內(nèi)管線，集油站及壓水站內(nèi)管線管件較多，屬于短管。

短管計(jì)算問題，多涉及到能量方程的應(yīng)用：§5－3短管水力計(jì)算ζc綜合阻力系數(shù)

一、綜合阻力系數(shù)已知：大直徑管段：直徑d1，長l1小直徑管段：直徑d2，長l2

孔板直徑：d孔則全管路總水頭損失為：（1）

為了計(jì)算方便，一般以出口速度作為標(biāo)準(zhǔn)，把其它速度化成出口速度表示的形式，由連續(xù)性方程：（2）ζc綜合阻力系數(shù)

令

稱之為作用水頭。

則所以二、短管實(shí)用計(jì)算通式由圖A→B，1－1~2－2斷面列能量方程：流量系數(shù)基本概念：

自流管路：完全靠自然位差獲得能量來源輸送或排泄液體的管路。

孔

口：儲液罐壁或底部打開的小孔。局部阻力

管

嘴：在孔口處接出短管。局部阻力+沿程阻力§5－4孔口和管嘴泄流收縮斷面C－C的形成：流線特性，流線不能轉(zhuǎn)折,液流射出時(shí),將向內(nèi)部收縮形成收縮斷面c－c（約在距出口d/2處）收縮斷面：—收縮系數(shù)：0.62～0.64一、定水頭孔口泄流分析定水頭薄壁圓形小孔口泄流。薄壁孔口：液體與孔口周圍只有線接觸,容器壁厚與所開孔口直徑之比小于1/2,即小

孔

口：

孔口有效斷面上所有的點(diǎn)都可用其中線上的點(diǎn)來代替射流結(jié)構(gòu)分析：

孔口泄流計(jì)算公式取0－0~c－c列方程，壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)為絕對壓強(qiáng)，則有：

流速系數(shù)令則（1）定水頭薄壁圓形小孔口自由出流流量計(jì)算公式

孔口阻力系數(shù)——理論流速

②實(shí)驗(yàn)證明：

③對于理想流體：說明：

所以流量系數(shù)——孔口泄流計(jì)算公式。二、管嘴泄流

標(biāo)

準(zhǔn)

圓

柱

管

嘴：自孔口接出短管直徑與孔口直徑相同，且

l＝（3～4）d

管嘴與孔口區(qū)別：①流態(tài)不一樣，先收縮，再擴(kuò)大，然后封住出口，均勻泄出。②孔口只有局部阻力，管嘴加上擴(kuò)大阻力和沿程阻力。

流量計(jì)算公式據(jù)公式：

由于ε＝1，要知μ，須求φ。實(shí)驗(yàn)修正：孔口和管嘴的流量公式三、管嘴流量系數(shù)為什么大于孔口流量系數(shù)？

孔口計(jì)算斷面為收縮斷面C－C，壓強(qiáng)為

pa，而管嘴收縮處卻不一樣，管嘴出口在收縮斷面之后，由于在C’－C’處液流