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（P41P41）l l2.1 2.1 气体管流水力特征气体管流水力特征l l2.1.1 2.1.1 气体重力管流水力特征气体重力管流水力特征l l如图如图2-1-12-1-1，管道内气体由断，管道内气体由断l l面面1 1流向断面流向断面2 2。其流动的。其流动的l l能量方程式能量方程式为：为：l l(2-1-1)(2-1-1)H H2 2H H1 11 12 2N No o8383其中，其中，p pj1j1、p pj2j2分别是管内断面分别是管内断面1 1、2 2的的静压静压；lv1、v2分别是管内断面1、2的流速；H分别是 断面1、2的位置标高；a、 为环境空气密度 和管内气体密度；g为重力加速度；p12为从 断面1到 断面2的流动能量损失。工程上称l l 为断面1、2处的动压；l 称为位压，它实 际上是重力对流动的作用。当管内外流体密 度相同，位压为零。当密度上 由温 度差造成时，工程上称位压为势压，或热压 。N No o8484若若1 1、2 2断面分别在管道的进口处和出口处，断面分别在管道的进口处和出口处， 如图，则有如图，则有p pj1j1=0,p=0,pj2j2=0,v=0,v1 1=0,=0,(2-1-1)(2-1-1)式式变形为变形为l（2-1-2）式表明，出口的动压和 断面1、2之间流动损失的压力来 源于进出口之间的位压。即由断 面1到 2的流动是由重力引起的， 属重力流，动力大小取决于进出 口的高差和管道内外密度差之积 。流动方向取决于管道内外气体 密度的相对大小，若管道内气体l l(2-1-2)(2-1-2)N No o85851 11 12 22 2H H2 2H H1 1 a a补充图补充图密度小（密度小（ HH1 1), ),阻挡向下流动阻挡向下流动l（ H2H1 ）。反之，管内气体密度大时，位 压驱动气体向下流动，阻挡向上流动。在闭 式循环管路内，位压驱动密度小的气体向上 流动，密度大的气体向下流动；阻挡相反方 向的流动。l若压力 驱动的流动方向与位压一致 ，则二者综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管流方向 ；绝对值小者实际上成为加“流动阻力”。l如空调建筑装有排气风机的卫生间排气竖井 ，冬季在位压的辅助作用下，排气能力明显N No o9393加强，夏季排气风机除克服竖井的阻力外，加强，夏季排气风机除克服竖井的阻力外， l还要克服位压，排气能力削弱，尤其是高层 建筑。l2.2 流体输配管网水力计算的基本原理和方法l流体输配管网水力计算的主要目的是根据要 求的流量分配，确定管网的各段管径（或断 面尺寸）和阻力，求得管网特性曲线，为l匹配管网动力设备（风机、水泵等）的型号 和动力消耗；或者根据已定的动力设备，确 定保证流量分配的管道尺寸。 N No o94942.2.1 2.2.1 摩擦阻力计算摩擦阻力计算l摩擦阻力按下式计算：l当管道材料不变，断面尺寸不变，流体密度 和流量也不 随流程变化时，l式中，为摩阻力系数： 为管段长度，m；Rs 为管道水力半径，m；Rm为管道 单位长度摩 阻力，又称为比阻，Pa/m。（2-2-12-2-1）N No o9595f f为管道过流断面面积，为管道过流断面面积， mm2 2. .l l当管网压力变化使气体密度当管网压力变化使气体密度 的变化不能忽略的变化不能忽略 时，需要引入气态方程和连续方程组成联合时，需要引入气态方程和连续方程组成联合 方程组；方程组；l l在等断面管道、等温流动条件下，求解此联在等断面管道、等温流动条件下，求解此联 合方程组得：合方程组得：常数常数N No o9696得：得：l l式中，式中，p p1 1、p p2 2分别为分别为1 1、2 2断面的绝对压力，断面的绝对压力， PaPa；L L0 0为管道为管道 流量，流量，NmNm3 3/s;/s;l l分别为气体在标准状态下的密度、压力、绝分别为气体在标准状态下的密度、压力、绝 对温度和压缩因子；对温度和压缩因子； 为断面为断面1 1、2 2间的管道间的管道 长度，长度，mm。l l对于接近于对于接近于0 0C C的常温、压力不太大的（的常温、压力不太大的（ 0.8MPa0.8MPa）圆形管道，可近似取）圆形管道，可近似取T/TT/T0 0=1=1； Z/ZZ/Z0 0=1.=1.（2-2-12-2-1）N No o9797(2-2-1)(2-2-1)简化为简化为: : 低压（0.005MPa）管道，近似取p1+p2=2p0。(2-2-1)可进步简化为（2-2-1“2-2-1“ ）（2-2-1“2-2-1“ ）N No o9898以上公式表明，必须注意正确选择适合管以上公式表明，必须注意正确选择适合管l流特征摩擦阻力计算公式。确定计算公摩擦阻力计算公式。确定计算公 式后，需计算摩擦阻力系数式后，需计算摩擦阻力系数 。 是管流是管流 雷诺数雷诺数ReRe和管道相对粗糙度的函数。和管道相对粗糙度的函数。l l式中式中K K为管道材料的绝对粗糙度。大量为管道材料的绝对粗糙度。大量l l实验荻得不同流态下，（实验荻得不同流态下，（2-2-22-2-2）式的具）式的具 体数学关系：体数学关系：（2-2-22-2-2）N No o9999在层流区：在层流区： 当2000Re4000时称为临界区或临界过度区：紊流区包括水力光滑区、过渡区（又称紊流过 渡区）和阻力平方区：工程中，还常采用适合于一定管材，一定阻力 区的专用公式：（2-2-2a2-2-2a ）（2-2-2b2-2-2b ）（2-2-2c2-2-2c ）N No o1001001.1.阿里特苏里公式：阿里特苏里公式：2.2.谢维列夫公式谢维列夫公式 对于新钢管：对于新钢管： 水力光滑区水力光滑区过渡区（过渡区（ ）（2-2-2d2-2-2d ）（2-2-2e2-2-2e ）（2-2-2f2-2-2f）N No o101101对于新铸铁管：对于新铸铁管：l l水力光滑管（水力光滑管（ ）l l过渡区（过渡区（ ）l l阻力平方区（阻力平方区（ ）（2-2-2h2-2-2h ）（2-2-2i2-2-2i）（2-2-2j2-2-2j）N No o102102上述诸式：上述诸式：l lK K1 1-考虑实验室和实际安装管道的条件不同考虑实验室和实际安装管道的条件不同 的系数，取的系数，取K K1 1=1.15=1.15；l lK K2 2-考虑由于焊接接头而使阻力增加的系数考虑由于焊接接头而使阻力增加的系数 ，取，取K K2 2=1.18=1.18。 谢维列夫建议的适用铸铁管谢维列夫建议的适用铸铁管 紊流三个区的综合公式为：紊流三个区的综合公式为：l l根据新铸铁管的实际资料，上式可写成：根据新铸铁管的实际资料，上式可写成：（2-2-2k2-2-2k ）N No o103103l l有明显差别有明显差别，雷诺数范围不相同。这就造成，雷诺数范围不相同。这就造成 同一基本原理下，同一基本原理下，不能用统一的计算公式不能用统一的计算公式或或 图表图表计算各种流体输配管网的摩擦阻力。因计算各种流体输配管网的摩擦阻力。因 此必须特别此必须特别注意各公式和计算图表的使用条注意各公式和计算图表的使用条 件和修正方法件和修正方法。l l2.2.2 2.2.2 局部阻力计算局部阻力计算l l局部阻力按下式计算：局部阻力按下式计算：实际工程中，各种流体输配管网的实际工程中，各种流体输配管网的流动状态流动状态（2-2-32-2-3 ） N No o104104式中，式中， 为局部阻力系数。为局部阻力系数。l l局部阻力系数一般实验方法确定局部阻力系数一般实验方法确定。l l实际工程中，管件、部件或设备处的流动，实际工程中，管件、部件或设备处的流动， 通常都处于自模区，局部阻力系数通常都处于自模区，局部阻力系数 只取决只取决 于于管件部件或设备流动通道的管件部件或设备流动通道的几何参数几何参数，一，一 般不考虑相对粗糙度和雷诺数的影响。般不考虑相对粗糙度和雷诺数的影响。N No o1051052.2.3 2.2.3 常用的水力计算方法常用的水力计算方法l流体输配管网水力计算的常用方法有假 定流速法、压损平均法和静压复得法等 ，目前常用的是假定流速法。l假定流速法的特点是，先按技术经济要 求选定管内流速,再结合所需输送的流量 ，确定管道断面尺寸，进而计算管道阻 力。N No o106106压损平均法压损平均法的的特点特点是，将是，将已知总作用水头已知总作用水头，按按l管道长度平均分配给每一管段，以此确定管段 阻力，再根据每一管段的流量确定管道断面尺 寸。当管道系统所用的动力设备型号已定，或 对分支管路进行阻力平衡计算，此法较为简便 。环状管网水力计算常用此法。l静压复得法的特点是，利用管道分段，改变管 道 断面尺寸，降低流速，克服管段阻力，重 新获得静压。l不论采用何种方法，水力计算必须完成管网系 统和设备的布置，确定管材，确定各个接受流 量的管网末端的位置和所需分配的流量。N No o107107然后循着各种方法所要求的步骤进行计算。然后循着各种方法所要求的步骤进行计算。l l以下是以下是假定流速法的假定流速法的 基本步骤基本步骤：l l（1 1）绘制管网轴测图绘制管网轴测图，对各，对各管段管段进行进行编号编号， 标出长度和流量。标出长度和流量。l l（2 2）合理）合理确定管内流体流速确定管内流体流速。l l（3 3）根据各管段流量和确定的流速，）根据各管段流量和确定的流速，确定各确定各 各部管段的断面尺寸各部管段的断面尺寸。l l（4 4）计算各管段的阻力计算各管段的阻力l l（5 5）平衡并联管路平衡并联管路（使各并联管路的计算阻（使各并联管路的计算阻 力相等）。这是保证流量按要求分配的关键。力相等）。这是保证流量按要求分配的关键。N No o108108若并联管路计算阻力不相等，在实际运行时若并联管路计算阻力不相等，在实际运行时 ，l管网会自动调整各并联管路流量，使并联管 路的实际流动阻力相等。这时各并联管路的 流量不是要求的流量。l（6）计算管网的总阻力，求取管网特性曲线 。l（7）根据管网特性曲线，所要求输送的总流 量以及所输送流体的种类、性质等诸因素， 综合考虑为管网匹配动力设备（风机、水泵 等），确定动力设备所需的参数。l管网阻力计算和特性曲线的求取，水力计算 的主体，对不同流体输配管网水力计算虽有N No o109109区别，但都是水力计算的重点所在，因而是区别，但都是水力计算的重点所在，因而是l l水力计算的学习重点水力计算的学习重点。水力计算的。水力计算的另重点是管另重点是管 网动力设备的匹配网动力设备的匹配，在第，在第7 7章专门分析讨论。章专门分析讨论。l l水力计算中，各种计算公式和基础数据的选取水力计算中，各种计算公式和基础数据的选取 ，应遵循相关，应遵