第4章 多相流管网水力特征与 水力计算 4.1 液气两相流管网水力特征与水力计算 工程背景： 建筑排水管网 空调凝结水管网 蒸汽供暖管网4.1.1 液气两相流管网水力特征 4.1.1.1 建筑内部排水流动特点及水封 （1）流动特点 气、液、固均存在，固体物较少，可视为液气两相流。水量、气压随时间变化幅度大。流速随空间变化剧烈 。横支管进入立管，流速激增，水、 气混合；立管进入横总管，流速急降，水、气分离。（2）水封 水封 水封位置 水封高度 水封破坏4.1.1.2 横管内水流状态 （1）能量（2）状态图4-1-1 横管内水流状态示意图1-水膜状高速水流；2-气体V0竖直下落末端水流速度；he横管断面水深；vhe水深时的水流速度；K与连接形式有关的能量损失系数；（3）管内压力 1）横支管内压力变化2）横干管内压力变化 更为剧烈。特别注意 对建筑下部几层横支 管的影响，要与横干 管保持一定的垂直距 离。4.1.1.3 立管中水流状态 排水立管上接各层排水横支管，下接横干管或排出管， 立管内水流呈竖直下落流动状态，水流能量转换和管内压力变化剧烈。 （1）排水立管水流特点 1）断续的非均匀流 2）水气两相流 3）管内压力变化 图4-1-3 排水管内压力分布示意图（2）排水立管中水流流动状态 1）附壁螺旋流。排水量较小，立管中心气流仍旧正常，气压较 稳定。这种状态历时很短 。2）水膜流。有一定厚度的带有横向隔膜的附壁环状流。随水流 下降流速的增加，水膜所受管壁摩擦力增加。当水膜受向上的 管壁摩擦力与重力达到平衡时，下降速度和厚度不再发生变化 ，这时的流速叫终限流速（vt）。从横支管水流入口至终限流速 形成处的高度叫终限长度（lt）。横向隔膜不稳定 ，形成与破 坏交替进行 。在水膜流阶段，立管内气压有波动，但其变化不 会破坏水封。 3）水塞流。随排水量继续增加，水膜厚度不断增加，隔膜下部 压力不能冲破水膜，最后形成较稳定的水塞。水塞向下运动， 管内气体压力波动剧烈，水封破坏，整个排水系统不能正常使 用。 这3个阶段流动状态的形成与管径和排水量有 关。也就是与水流充满立管断面的大小有关。 排水立管内的水流状态应为水膜流。实验表明 ，在设有专用通气立管的排水系统中：（3）水膜流运动的力学分析 n水膜区以水为主的水气两相流，忽略气；n气核区以气为主的气水两相流，忽略水。n经分析推导，得出：4.1.1.4 排水管在水膜流时的通水能力 工作高度：横支管与立管连接处至排除管中心的距离。4.1.1.5 影响立管内压力波动的因素及防止措施 (1) 影响排水立管内部压力的因素 确保立管内通水能力和防止水封破坏是建筑内部排水系 统中两个最重要的问题，这两个问题都与立管内压力有 关。最大负压：（2）稳定立管压力增大通水能力的措施 n减小终限流速n减小水舌阻力系数K4.1.2 建筑排水管网的水力计算 4.1.2.1 横管的水力计算 1. 设计规定 （1）充满度规定最大计算充满度 （2）自净流速 规定的最小流速 （3）管道坡度 通用坡度，最小坡度 （4）最小管径 防止堵塞的最小管径2. 横管水力计算方法 对于横干管和连接多个卫生用水器具的 横支管，应逐段计算各管段的排水设计 秒流量，通过水力计算来确定各管段的 管径和坡度。建筑内部横向管道按明渠 均匀流公式计算。水力计算表见建筑给水排水工程（第四版）附录6-1和6-24.1.2.2 立管水力计算 排水立管按通气方式分为普通伸顶通气 、专用通气立管通气、特制配件伸顶通 气和无通气四种情况。 四种情况的排水立管最大允许通水能力 见表4-1-9，设计时先计算立管的设计秒 流量，然后查表4-1-9确定管径。 4.1.2.3 通气管道计算 按工程实际情况，查取有关手册、参考 资料确定。自学【例4-1】 参考书：建筑给水排水工程（第四版 ）4.1.3 空调凝结水管路系统的设计 各种空调设备（例如风机盘管机组，柜式 空调机，新风机组，组合式空调箱等）在 运行过程中产生凝结水。 较之建筑排水管网，凝结水管网内的流动 稳定性要好得多，气压波动小。 设计要点：管材；坡度；水封；通气；保 温；冲洗的可能性。通常，可以根据机组的冷负荷Q（kW）按下 列数据近似选定冷凝水管的公称直径：Q7kW时， DN=20mm Q=7.117.6kW时， DN=25mm Q=17.7100kW时， DN=32mm Q=101176kW时， DN=40mm Q=177598kW时， DN=50mm Q=5991055kW时， DN=80mm Q=10561512kW时， DN100mm Q=151312462kW时， DN=125m Q12462kW时， DN=150mm 4.2 汽液两相流管网水力特征与水力计算 4.2.1 汽液两相流管网水力特征与保障正常流动的技术措施 汽、液相的相互转变：蒸汽凝水；凝结水二次汽化。形成流动阻碍。 水击产生及防止 蒸汽管路中的凝水不能顺利排走，遇到阻碍，在高速下（ 20m/s)与管壁、管件撞击。 尽量汽、水同向流，逆向流时采用低流速；及时排除凝水。 系统中引入和排除空气 停止运行时，引入空气以排除凝水；开始运行，排除空气。凝结水回收重力回水余压回水机械回水 二次蒸汽利用4.2.2 室内低压蒸汽供暖管网水力计算（1）蒸汽管路 资用动力 锅炉出口（或建筑物采暖管网入口）蒸汽压力。 密度：近似为常数。 计算方法 压损平均法平均比摩阻P0一般取2000Pa；Pg较大时，Rm可能很大，可能导致流速 过大。这时，控制比摩阻=0.005。 湿凝水管路 按负担的热负荷查表确定管径。 计算表参考供热工程（第三版）附录4.2.3 室内高压蒸汽供暖管网水力计算（1）蒸汽管道： 压损平均法：最不利管路的总压力 损失不超过起始压力的25%。 假定流速法 汽、水同向流动时 0.005，查表选用 管径。 疏水器以后：余压回水，在室外凝水管网 中介绍。 计算公式：同室外供热管网。 注意：密度变化。 采用图表计算要注意修正：密度修正； 粗糙度修正。4.2.4 室外蒸汽管网的水力计算 4.2.5 凝结水管网的水力计算方法 管段AB 散热设备疏水器。非满管流。前面已在“室内 高压蒸汽供暖管网水力计算”中介绍:根据承担的 负荷查表。 管段BC乳状混合物的两相流。 要计算混合物的密度。按（4-2-13）（4-2-14） 。 1）疏水器二次蒸发箱 2）疏水器凝结水箱（沿图中兰色管道路径） 对于1），距离较短，按余压凝水管道计算表计算、修 正；对于2）按室外热水管网水力计算表计算、修正。局部阻力按百分数估计。 管段CD 饱和凝水。按资用动力确定平均比摩阻，利用 室外供热管道计算表确定管径。 管段DE 凝水泵输送凝水，满管流。按流速12m/s，用 室外供热管道计算表确定管径并计算阻力、确 定水泵所需扬程。注意修正。6.2.6 凝结水管网的水力计算例题二、多用户并联工作的余压管网水力计算n 逐段计算密度，按管段末端压力计算平均密度n 先计算主干线和最不利用户，主干线计算公式：4.3 气固两相流管网水力特征与水力计算4.3.1 气固两相流水力特征 （1）物料的沉降速度和悬浮速度 粉状物料与粒状物料，根据不同的雷诺数，阻力系数CR有不同 的计算公式。 若气体处于静止状态，则vf是颗粒的沉降速度；若颗 粒处于悬浮状态，则vf是使颗粒处于悬浮状态的竖直 向上的气流速度，称为颗粒的悬浮速度。 （2） 气固两相流中物料的运动状态 实际的竖直管道中，要使物料悬浮，所需 速度比理论悬浮速度大得多； 水平管中，气流速度不是使物料悬浮的直 接动力，所需速度更大。 输料管内气固两相流的运动状态，随气流 速度和料气比的不同而改变：分别呈悬浮 流 、底密流 、疏密流 、停滞流 、部分流 、柱塞流状态。（3）气固两相流的阻力特征 c点是临界状态 点，此时颗粒群 刚处于完全悬浮 状态，阻力最小 。临界状态的流 速称为临界流速 。 图4-3-3 两相流阻力与流速的关系（4） 气固两相流管网的主要参数 1）料气比：单位时间内通过管道的物料量与空气 量的比值。根据经验，一般低压吸送式系统 1=14，低压压送式系统1=110，循环式 系统1=1左右，高真空吸送式系统1=2070 。 2）输送风速：可以按悬浮速度的某一倍数来定， 一般取2.44.0倍，对大密度粘结性物料取510 倍。输送风速也可按临界风速来定，例如砂子等粒 状物料，其输送风速为临界风速的1.22.0倍。通 常参考经验数据，见表4-3-1。 3）物料速度和速比：物料速度指管道中颗粒群的 最大速度。气流必须用一部分能量使物料颗粒悬 浮，然后再推动颗粒运动，因此，物料速度v1小 于输送风速v。物料速度与输送风速之比称为速比 。 4.3.2 气固两相流管网水力计算 两相流的阻力看作是单相气流的阻力与物料颗 粒引起的附加阻力之和。 分别计算： 1）喉管或吸嘴的阻力 2）物料的加速阻力 3）物料的悬浮阻力 4）物料的提升阻力 5）管道的摩擦阻力 6）弯管阻力 7）分离器阻力 8）其他部件的阻力 4.4 枝状管网水利共性与水力计算通用方法4.4.1 开式管网的虚拟闭合 4.4.2 环路、共用管路和独用管路 4.4.3 环路动力来源 4.4.4 环路需用压力与资用动力 4.4.5 环路资用动力的分配 4.4.6 独用管路压损平衡与并联管路阻力平衡 4.4.7 枝状管网水力计算通用方法4.4.1 开式管网的虚拟闭合枝状管网有开式和闭式两大类。通过引入虚拟管路的概念，将开式管网变为虚 拟的闭式管网。4.4.2 环路、共用管路和独用管路开式管网虚拟闭合后，所有的枝状管网都可以按闭式 管网进行水力特征分析。枝状管网的基本水力特征：流向的唯一性。以管网的任一点为起点，沿着管路（含虚拟管路） ，顺着流向（虚拟管路中的流向是从开始管网的真实出 口到真实进口）前进，最终必定回到起点，沿途所经过 的所有管路（含虚拟管路）构成了枝状管网的一个流动 环路。枝状管网可以只有一个流动环路，也可能有若干个流动 环路。4.4.3 环路动力来源管网中的流动动力：压力惯性力重力环路动力P：P = Pq+ PgPq-作用在环路上的全压Pg-重力作用产生的环路动力a.环路中全压的来源： (1)由风机、水泵等动力机械提供。 (2)由上级管网提供。 (3)由压力容器提供。 (4)由环境流体的动压提供（只能提供在管网 的真实开口上）环路中全压的来源不同，但是具备一个共同 特点：提供在环路的一个断面上，作用于整个 环路。b.重力产生的环路动力重力以重力场的形式来提供动力，大 小取决于环路的空间走向和环路中的流 体密度。依据相应的公式计算出该部分的动力。不同环路中的流体密度分布不同，即 各环路的独用管段内的流体密度分布不 同，其重力形成的环路动力也不同。4.4.4 环路需用压力与资用动力 稳态流动条件下，任一环路的流动动力与流动阻力都是相等的。 Pqi+PGi=PiPi-环路i的流动阻力全压待定时，可根据环路内流体密度与环路空间走向计算出环路流动阻力Pi。同时，可根据环路内流体密度与环路空间走向计算 出重力作用形成的流动动力PGi。因此，环路所需风机、水泵、调压器等压力源提供的全压为： Pqi=Pi-PGi Pqi -环路i的需用压力Pqi确定的情况下，称Pqi+PGi为环路i的资用动力Pzh