流体输配管网-2气体输配管网水力特征与水力计算.ppt

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1、第第2 2章章 气体输配管网水力特征气体输配管网水力特征与水力计算与水力计算2.12.1气体管流水力特征气体管流水力特征气体重力管流水力特征气体重力管流水力特征v竖管内的重力流竖管内的重力流例例1 1：如右图示：如右图示管内气体由管内气体由1 1流向流向2 2断面，能量方程为：断面，能量方程为：其中：其中：P Pj1j1=0=0，P Pj2j2=0=0，v v1 1=0=0，上式，上式变为：变为：2.1 气体管流水力特征*结论：结论：流动损失的压力来源于进出口之间的流动损失的压力来源于进出口之间的位压。位压。位压动力大小取决于管道进出口高差位压动力大小取决于管道进出口高差和内外气体密度差和内外

2、气体密度差当密度小于室外空气密度，流动向上；当密度小于室外空气密度，流动向上；当密度大于室外空气密度，流动向下。当密度大于室外空气密度，流动向下。vU U形管内的重力流形管内的重力流例例2 2：如右图示，假设管内气体由：如右图示，假设管内气体由1 1流向流向2 2断面，断面断面，断面1 1和和D D间能量方程为：间能量方程为：以上两式相加得：以上两式相加得：断面断面D D 和和2 2之间的能量方程为：之间的能量方程为：*结论：结论：U U型管道内的气体流动动力取决于两竖型管道内的气体流动动力取决于两竖直管段内的气体密度差（直管段内的气体密度差（1 1 2 2）和管道高度（和管道高度（H H2

3、2HH1 1）之积。之积。密度相对较大的竖管内气体下流，相密度相对较大的竖管内气体下流，相对较小的竖管内气体上流。对较小的竖管内气体上流。v闭式环型管内的重力流闭式环型管内的重力流例例3 3：如把例：如把例2 2图变为右图，形成图变为右图，形成封闭循环管道，其能量方程为：封闭循环管道，其能量方程为：返回继续*结论：结论：无机械动力的闭式管道中，流动动力取决无机械动力的闭式管道中，流动动力取决于两竖直管段内的气体密度差（于两竖直管段内的气体密度差（1 1 2 2）和管道高度（和管道高度（H H2 2HH1 1）之积。之积。密度相对较大的竖管内气体下流，相对较密度相对较大的竖管内气体下流，相对较小

4、的竖管内气体上流。小的竖管内气体上流。气体压力管流水力特征气体压力管流水力特征 当管道内部、管道内外不存在密度差，当管道内部、管道内外不存在密度差，或是水平管网，则有：或是水平管网，则有：g g（a a-）（）（H H2 2-H-H1 1）=0=0即位压为零，则式：即位压为零，则式：变为：变为：即：即：结论结论1 1：位压为位压为0 0的管道中，两断面之间的的管道中，两断面之间的流动阻力等于两断面间的全压差。流动阻力等于两断面间的全压差。对公式：对公式：变为：变为：*结论结论：当管段中没有外界动力输入时，下游断面的全当管段中没有外界动力输入时，下游断面的全压总是低于上游断面的全压；压总是低于上

5、游断面的全压；当当 下游断面的静压低于上游断下游断面的静压低于上游断 面的静压；面的静压；当当 两断面的静压相等两断面的静压相等 当当 下游断面的静压大于上游断下游断面的静压大于上游断面的静压面的静压压力和重力综合作用下的气体管流水力特征压力和重力综合作用下的气体管流水力特征由由 得得：12 H2H1压力作用重力作用结论：结论：第一项两断面之间的全压差反映压力作用；第第一项两断面之间的全压差反映压力作用；第2 2项位压反映重力的作用；二者综合作用，克项位压反映重力的作用；二者综合作用，克服流动阻力服流动阻力PP1212，维持管内流动。维持管内流动。二者的综二者的综合作用并非总是相互加强的。合作

6、用并非总是相互加强的。若压力驱动的流动方向与位压一致，则若压力驱动的流动方向与位压一致，则二者淙合作用加强管内气体流动，二者淙合作用加强管内气体流动，若驱动方向相反，则由绝对值大者决定若驱动方向相反，则由绝对值大者决定管流方向；绝对值小者实际上成为另加管流方向；绝对值小者实际上成为另加流动阻力。流动阻力。2.22.2流体输配管网水力计算的流体输配管网水力计算的基本原理和方法基本原理和方法流体输配管网水力计算的目的：根据要求的流量分配确定管网的管径或阻根据要求的流量分配确定管网的管径或阻力；求得管网特性曲线，为匹配管网动力力；求得管网特性曲线，为匹配管网动力设备准备条件，进而确定动力设备设备准备

7、条件，进而确定动力设备或者根据已定的动力设备，确定管道尺寸。或者根据已定的动力设备，确定管道尺寸。*流体输配管网水力计算的理论依据：流体力学一元流体流动流体力学一元流体流动连续性方程连续性方程和和能能量方程量方程及及串、并联管路流动规律串、并联管路流动规律。动力设备。动力设备提供的压力等于管网总阻力，串联管路总阻提供的压力等于管网总阻力，串联管路总阻力等于各段管路阻力之和。力等于各段管路阻力之和。管段中的流动阻力包括管段中的流动阻力包括沿程阻力沿程阻力和和局部局部阻力阻力。摩擦阻力的计算摩擦阻力的计算其中：其中：为摩阻系数，为摩阻系数，l为管长，为管长，d d为管径或流速当量为管径或流速当量直

8、径（直径（4R4Rs s，R Rs s=f/x=f/x），），R Rm m为单位长度摩擦阻力。为单位长度摩擦阻力。对高中压燃气管网（对高中压燃气管网（P P10KPa10KPa）由动量方程、气体状）由动量方程、气体状态方程和连续方程得：态方程和连续方程得：（2-2-1）摩阻系数的确定：摩阻系数的确定：1 1、层流区、层流区R Re e200020002 2、临界区、临界区R Re e=2000-4000=2000-40003 3、紊流区、紊流区R Re e40004000 对低压燃气管网（对低压燃气管网（P10KPaP10KPa）式）式2-2-12-2-1可简化为：可简化为：谢维列夫公式新管公

9、式新管公式v新钢管公式新钢管公式v新铸铁管公式新铸铁管公式v综合公式综合公式局部阻力计算局部阻力计算常用的水力计算方法常用的水力计算方法*1*1、假定流速法假定流速法(按照技术经济比较确定推荐的风道流速（经济流速）经济流速），然后根据风道内的风量来确定风道断面尺寸和阻力损失)*2*2、压损平均法压损平均法(风管系统的风机压头已知或对分支管进行阻力平衡)*3*3、静压复得法静压复得法(特别适合于多条主风道，而每条主风道又有很多分支道，出风口或末端装置均有相同的静压)水力计算步骤（假定流速法）水力计算步骤（假定流速法）v计算前，完成管网布置，确定流量分配计算前，完成管网布置，确定流量分配绘草图，编

10、号绘草图，编号确定流速确定流速确定管径确定管径计算各管段阻力计算各管段阻力平衡并联管路平衡并联管路计算总阻力，计算管网特性曲线计算总阻力，计算管网特性曲线根据管网特性曲线，选择动力设备根据管网特性曲线，选择动力设备水力计算步骤（平均压损法）水力计算步骤（平均压损法）v计算前，完成管网布置，确定流量分配计算前，完成管网布置，确定流量分配绘系统图，编号，标管段绘系统图，编号，标管段L和和Q，定最不利，定最不利环路。环路。根据资用动力，计算其平均根据资用动力，计算其平均Rm。根据根据Rm和各管段和各管段Q，确定其各管段管径。，确定其各管段管径。确定各并联支路的资用动力，计算其确定各并联支路的资用动力

11、，计算其Rm。根据各并联支路根据各并联支路Rm和各管段和各管段Q，确定其管，确定其管径。径。水力计算步骤（静压复得法）水力计算步骤（静压复得法）v计算前，完成管网布置计算前，完成管网布置确定管道上各孔口的出流速度。确定管道上各孔口的出流速度。计算各孔口处的管内静压计算各孔口处的管内静压Pj和流量。和流量。顺流向定第一孔口处管内流速、全压和管道尺寸。顺流向定第一孔口处管内流速、全压和管道尺寸。计算第一孔口到第二孔口的阻力计算第一孔口到第二孔口的阻力P12。计算第二孔口处的动压计算第二孔口处的动压 Pd2。计算第二孔口处的管内流速，确定该处的管道尺寸。计算第二孔口处的管内流速，确定该处的管道尺寸。

12、以此类推，直到确定最后一个孔口处的管道断面尺寸。以此类推，直到确定最后一个孔口处的管道断面尺寸。2.3气体输配管网的水力计算开式枝状气体输配管网的水力计算v首先完成管道布置、设备和各排送风点位置的确定；首先完成管道布置、设备和各排送风点位置的确定；v排送风点风量和各管段风量的确定排送风点风量和各管段风量的确定v计算步骤见计算步骤见管道流速和管道断面尺寸的确定管道流速和管道断面尺寸的确定（1 1）绘制系统图）绘制系统图（2 2）确定管内流速）确定管内流速 一般采用经济流速，表2313（3）根据确定流速确定风管管径，计算阻力（包括摩擦阻力(沿程阻力)和局部阻力）摩擦阻力计算选最不利环路计算阻力u值

13、的确定 uRm值的计算和修正制成图表，已知制成图表，已知流量、管径、流速、阻力流量、管径、流速、阻力四个参数中四个参数中两个，可查得其余两个，是在一定条件下锝出两个，可查得其余两个，是在一定条件下锝出Rm值的计算和查取（标准状态下）：返回返回R Rm m值的修正：值的修正：（1 1）密度、运动粘度的修正）密度、运动粘度的修正（2 2）温度、大气压和热交换修正）温度、大气压和热交换修正继续式中（3 3）管壁粗糙度的修正）管壁粗糙度的修正u 矩形风管的摩擦阻力计算主要考虑当量直径的确定，有流速当量直径和流量当量直径（1）流速当量直径例2-1有一表面光滑的砖砌风道（有一表面光滑的砖砌风道（K K3m

14、m3mm），断），断面面500400mm，L1m3/s，求Rm解：解：v1(0.4 0.5)=5 m/s Dv=2ab/(a+b)=444mm查图查图2-3-1 得得Rm00.62Pa/mKr=(3 5)0.25=1.96Rm=1.96 0.62=1.22 Pa/m（2 2）流量当量直径）流量当量直径例2 同例1解：v1(0.4 0.5)=5 m/s DL=1.3(ab)0.625/(a+b)0.25=478mm查图2-3-1 得Rm00.61Pa/mKr=(3 5)0.25=1.96Rm=1.96 0.61=1.2Pa/m局部阻力计算并联管路的阻力平衡并联管路的阻力平衡（1 1）目的：管路风

15、量达到预期值，力求各支路）目的：管路风量达到预期值，力求各支路阻力相等，各管路阻力差小于阻力相等，各管路阻力差小于15%15%，含尘风管小，含尘风管小于于10%10%（2 2）平衡的方法：）平衡的方法：调整管径调整管径阀门调节：阀门调节：通过查手册获得2.3.1.5 2.3.1.5 计算系统总阻力和获得管网特性曲线计算系统总阻力和获得管网特性曲线（1）系统总阻力：最不利环路所有串联管路阻力之和。（2）管网特性曲线：A）B）或其中：计算例题计算例题例2-3 如图所示通风管网。风管用钢板制作，输送含有轻矿物粉尘的空气，气体温度为常温。除尘器阻力为1200Pa，对该管网进行水力计算，并获得管网特性曲

16、线。返回解：1 1 1 1对各管段进行编号，标出管段长度和各排风点的对各管段进行编号，标出管段长度和各排风点的排风量。排风量。2 2 2 2选定最不利环路，本系统选择选定最不利环路，本系统选择1-3-5-1-3-5-除尘器除尘器-6-6-风机风机-7-7为最不利环路。为最不利环路。3 3 3 3根据各管段的风量及选定的流速，确定最不利环根据各管段的风量及选定的流速，确定最不利环路上各管段的断面尺寸和单位长度摩擦阻力。路上各管段的断面尺寸和单位长度摩擦阻力。根据表根据表2-3-32-3-3，输送含有轻矿物粉尘的空气时，风，输送含有轻矿物粉尘的空气时，风管内最小风速为：垂直风管管内最小风速为：垂直

17、风管12m/s12m/s，水平风管，水平风管14m/s14m/s。考虑到除尘器及风管漏风，取考虑到除尘器及风管漏风，取 5 5的漏风系数，的漏风系数，管段管段 6 6及及 7 7的计算风量为的计算风量为 6300*1.05 6300*1.05 6615m 6615m3 3h h。返回管段管段1 1 水平风管，初定流速为水平风管，初定流速为14m/s14m/s。根据。根据 Q Ql l 1500m1500m3 3/h/h（0.42m0.42m3 3/s/s）、）、v v1 1=14m/s=14m/s所选管径按通所选管径按通风管道统一规格调整为：风管道统一规格调整为：D D1 1200mm200m

18、m；实际流速；实际流速v v1 113.4m/s13.4m/s；由图；由图2-3-12-3-1查得，查得，R Rm1m1=12.5Pa/m=12.5Pa/m 同理可查得管段同理可查得管段3 3、5 5、6 6、7 7的管径及比摩阻，的管径及比摩阻，具体结果见表具体结果见表2-3-52-3-5。4 4 4 4.确定管段确定管段2 2、4 4的管径及单位长度摩擦力，见表的管径及单位长度摩擦力，见表2-3-52-3-5。5 5 5 5.计算各管段局部阻力计算各管段局部阻力例如：例如：继续800380500380420800400420410*315420返回6 6.计算各管段的沿程阻力和局部阻力(见

19、表2-3-5)7.7.对并联管路进行阻力平衡：继续 图返回8.8.计算系统总阻力，获得管网特性曲线最不利环路所有串联管路1-3-5-6-7阻力之和。继续返回1返回2均匀送风管道设计均匀送风管道设计一、设计原理继续静压产生的流速为：静压产生的流速为：空气在风管内的流速为：空气在风管内的流速为：空气从孔口出流时的流速为：空气从孔口出流时的流速为：如图所示：出流角为如图所示：出流角为：返回孔口出流风量：由上式得f0上的平均流速v0为：继续返回v风口的流速分布如图风口的流速分布如图：（矩形送风管断面不变）（矩形送风管断面不变）v*要实现均匀送风可采取的措施（要实现均匀送风可采取的措施（如图如图）1、设

20、阻体；、设阻体；2、改变断面积；、改变断面积；3、改变送风口断面积；、改变送风口断面积；4、增大、增大F，减小减小f0。继续返回二、实现均匀送风的基本条件二、实现均匀送风的基本条件：保持各侧孔静压、流量系数相等保持各侧孔静压、流量系数相等,增大出流角。增大出流角。1、保持各侧孔静压保持各侧孔静压Pj相等；相等；2、保持各侧孔流量系数相等；与孔口形状、流角以及L0/L=有关，当大于600，一般等于0.63、增大出流角，大于600，接近900。返回三、直流三通局部阻力系数和侧孔流量系数直流三通局部阻力系数和侧孔流量系数1、直流三通局部阻力系数：由直流三通局部阻力系数：由L0/L查表查表2-3-6；

21、2、侧孔、侧孔流量系数流量系数=0.60.65；四、四、均匀送风管道计算方法均匀送风管道计算方法确定侧孔个数、侧孔间距、每个孔的风量计算侧孔面积计算送风管道直径和阻力继续返回五、计算例题计算例题如图所示：总风量为如图所示：总风量为8000m3/h的圆形均匀送风管道的圆形均匀送风管道采用采用8个等面积的侧孔均匀送风，孔间距为个等面积的侧孔均匀送风，孔间距为1.5M，确，确定其孔口面积、风管各断面直径及总阻力定其孔口面积、风管各断面直径及总阻力。继续解：1、确定孔口平均流速确定孔口平均流速v0，注意：注意：把每一段起始断面的动压作为该管段的平均把每一段起始断面的动压作为该管段的平均动压，并假设动压

22、，并假设、为常数，将产生一定误差，但在为常数，将产生一定误差，但在工程实际是允许的。工程实际是允许的。（2-3-24）2.3.1.8 中、低压燃气管网水力计算l低压管道摩擦阻力计算公式低压管道摩擦阻力计算公式 对低压燃气管网（对低压燃气管网（P10KPaP10KPa）由式）由式2-2-12-2-1可得：可得：1、层流区Re21002、临界区Re=21003500摩阻系数的确定：1)钢管2)铸铁管3、紊流区Re3500，并与管材有关水力计算水力计算图表图表编制条件：编制条件：分天然气、人工煤气、液化石油气分天然气、人工煤气、液化石油气密度、运动年度、温度为常数密度、运动年度、温度为常数l中、高压

23、管道摩擦阻力计算公式中、高压管道摩擦阻力计算公式（2-3-30）对中压燃气管网（对中压燃气管网（P10KPaP10KPa）由式）由式2-2-12-2-1 可得：可得：摩阻系数的确定：1)钢管2)铸铁管l中、高压管道水力计算中、高压管道水力计算图表图表室内燃气管道计算 在室内燃气管运计算之前，一必须先选定和布置用户燃气用具，并画出管道系统图。计算步骤：1将各管段按顺序编号，凡是管径变化或流量变化处均应编号。2求出各管段的额定流量，根据各管段供气的用具数得同时工作系数值，可求得各管段的计算流量 3由系统图求得各管段的长度，并根据计算流量预定各管段的管径。4算出各管段的局部阻力系数，求出其当量长度，

24、可得管段的计算长度。5.用水力计算图查得各管段比摩阻，计算阻力，并修正6.计算各管段的附加压头（重力压头）7求各管段的实际压力损失10求室内燃气管道的总压力降，对于人工燃气计算压力降一般不超过80100Pa（不包括燃气表的压力降）。9以总压力降与允许的计算压力降相比较，如不合适。则何改变个别管段的管径。【例 25】试作五层住宅楼的室内燃气管道的水力计算，每家用户装双眼灶一台，额定用气量为l.4Nm3h，燃气密度为0.46kgNm3，运动粘度为 25 x 106m2s返回返回低压管网计算压力降返回继续燃气种类单层建筑多层建筑人工煤气150Pa250Pa天然气250Pa350Pa液化石油气350P

25、a450Pa低压管网总计算压力降P=0.75Pn+150Pa人工燃气Pn=1000Pa天然气Pn=2000Pa液化石油气Pn=3000Pa干管：0.5Pn，庭院管：0.15Pn室内管三、静压复得传统算法的疑点：返回继续a a传统静压复得法声称：只要在主风道传统静压复得法声称：只要在主风道各三通节点上游断面保持相同的静压就能各三通节点上游断面保持相同的静压就能保证各完全相同的支风道送风量相等。不保证各完全相同的支风道送风量相等。不禁要问：这岂不与并联节点全压平衡原理禁要问：这岂不与并联节点全压平衡原理相抵触吗？！相抵触吗？！b b众所周知，伯努利方程的应用条件之众所周知，伯努利方程的应用条件之一

26、是所选断面须是均匀流或渐变流断面；一是所选断面须是均匀流或渐变流断面；而传统静压复得法用伯努利方程去计算三而传统静压复得法用伯努利方程去计算三通节点复得的静压显然是不符合这一条件通节点复得的静压显然是不符合这一条件的，且静压复得系数的，且静压复得系数R R也是不能事先准确也是不能事先准确确定的。确定的。返回继续返回四、针对以上两点分析得出：1、不管主风道各三通节点上游断面的静压相等与否，在一定条件下，各完全相同的支风道送风量相同是可以实现的，但并无普遍性。2、静压复得新算法返回习题作业一：有一炬形断面的均匀送风管，总长L12m，总进风量L0=9600m3/h。均匀送风管上设有4个侧孔，侧孔间的间距为3。确定该均匀送风管的断面尺寸、阻力及侧孔的尺寸。