1、机械工程学院机械工程学院 工程流体力学（5）20042004年年4 4月月 第5章 有压管路的水力计算 管路中的能量损失沿程损失局部损失 一般情况下的水力计算都应考虑沿程损失，局部损 失因管路的情况 不同有很大的差异。管路计算时可分：长管和短管 长管是指流体在管路中流动时，局部损失与速度水 头的总和与沿程损失相比很小，可略去不计。短管是指流体在管路中流动时，局部损失与速度水 头的总和超过沿程损失或与沿程损失相差不大，在管路 计算时，不能忽略局部损失和速度水头。5.1 简单管路的水力计算 简单管路：直径不变而且没有支管分出即流量沿流程不变的管路。简单管路是管路中最简单的一种情况，是计算各种管路的
2、基础。1.简单管路的基本计算关系 (1)水池液面1-1与管路出口断面2-2伯努利方程(2)长管的全部作用水头用于克服沿程阻力损失（测压管水头线与总水 头线重合）(3)管路的沿程损失h f（由达西公式确定）(4)简单管路的流量（由蔡西公式确定）K：流量模数或特性流量，表示水力坡度等于1时的流量。5.1 简单管路的水力计算 laahvpvpH202222211gvdlhf22iKQflhhH （5）长管水力计算的基本公式 阻力系数与蔡西系数c的关系22KlQhfH52462.348dddgRcAK28cggc8 c 值可按巴甫洛夫公式计算，即R：水力直径，适用范围为0.1mR3m；n：粗糙系数，由
3、各种壁面材料的粗糙情况而定；y：与R及n有关的指数。yRnc1 与R及n有关的指数y由下式确定：（1)精确计算公式 （1)近似计算公式 对于一般输水管道，常取)10.0(75.013.05.2nRnyn1.5y1.0mm,Rn1.3y1.0mm,R61y 粗糙系数n值是表征边界表面影响水流阻力的各种因素的一个综合参数，其随管壁材料、内壁加工情况和铺设方法的不同而异。一般工程初步估算时可采用下列数值：混凝土和钢筋混凝土管路 n=0.0125 焊接金属管路 n=0.012 铆接金属管路 n=0.013 大直径木质管路 n=0.013 岩石中不砌衬的压力管路 n=0.025-0.04 特性流量Q是管
4、径d和壁面粗糙度n的函数，为方便管路水力计算，可对不同粗糙度和不同直径的管道，可预先将特性流量系数K计算列成数值表。简单管路计算可以解决以下三类问题：（1）已知流量Q、作用水头H、管长l及管壁粗 糙度系数n，通过特性流量K求出管路直径d；（2）已知流量Q、管长l和管径d时，可求出能量损失hf（或作用水头H）；（3）已知管长l、管径d和作用水头H时，可求出流量Q。5.2 串联管路的水力计算 串联管路是由不同直径的管段顺次连接而成的管路。如城市、工矿企业的供水管、送风系统的干管，都属于这类管路。串联管路的流量可以是沿流程不变，也可由于沿管路每隔一定的距离有流量分出，从而各段有不同的流量。随着沿程流
5、量的减少，所采用的管径也相应减小，各段管路中的流速也不相同。串联管路中的每一段管路都是简单管路 (1)任一管段的水头损失 (2)总作用水头（等于各管段的水头损失之和）(3)流量关系（按连续性条件求出）(4)沿程无流量（qi0）分出时的水头损失 22iiiKlQhfi miiiimiKlQhfiHhf1221iiiqQQ 1miiimiKlQhfiHhf1221串联管路的水力计算基本计算公式 串联管路水力计算解决的问题 (1)已知作用水头H和各管段的di、li和qi，求每段 的Qi；(2)已知各管段的Qi、di、li和qi，求所有各段的作 用水头H；(3)已知作用水头H和各管段的Qi、li和ni
6、，可求某 段的管径di（其它各管段直径为已知）。串联管路的测压管水头线与总水头线重合，整 个管路的水头线呈折线形（各管段流速不同，其水 力坡度也不相同）。5.3 并联管路水力计算并联管路水力计算 并联管路：两条或两条以上的管道在同一节点分出又在另一节点汇合。各管段的流量一般来说是各不相同的。并联管路一般按管长计算。并联管路水流特点：液体通过并联段每一支管的水头损失皆相等。并联管路基本计算公式 （1）并联管路两节点A与B间的水头损失。（2）支管的流量与总流量间应满足连续性方程。若 ，流量关系式为 （3）管路系统总水头损失等于系统中并联管路水头损失与其它管段 水头损失之和。233232222221
7、121321KlQKlQKlQhhhhfABfff3214QQQqQABqQQQQ32150BAqq53214QQQQQ25525211212442454KlQKlQKlQhhhhHffABff 注意：并联管路各管段的水头损失相等，只表明通过每一管段的单位重量液体的机械能损失相等。由于通过各管段的流量并不一定相等，所以各管段上的总机械能损失（全部液体重量）也不一定相同，即流量大的管段，其总机械损失也大；反之亦然。5.4 连续均匀出流管路连续均匀出流管路 通过流量：在一个管段内通过固定不变的流量 连续出流管路：通过流量外，有时还要沿管长连续不断地向外泄出流量 连续均匀出流管路：管段单位长度上的泄
8、出流量均相等连续均匀出流管路能量损失连续均匀出流管路水力计算的基本公式连续均匀出流管路水力计算的基本公式（1）距起点A为x处的M点流量（2）长度为dx微段上的水头损失（3）在长度l的管路上的水头损失近似公式 或（4）实际计算流量QC：（5）用计算流量表示的水头损失：（6）通过流量QT等于零时的水头损失：xlQQQxqQQQPPTPTM.xxlQQQKxKQhPPTMfd)(1dd2222)31(d)(1322022PPTTlPPTfQQQQKlxxlQQQKh22)55.0(PTfQQKlhPTCQQQ55.0lKQhf22C22M31KlQhf31 当流量全部沿程均匀泄出时，其水头损失只等于
9、全部流量集中在 端泄出时水头损失的 （因沿管路流速递减）。5.5 管网的水力计算基础管网的水力计算基础 管网是一种复杂的管路，分为两种类型：枝状管网和环状管网。枝状管网：管线于某点分开后不再汇合在一起，呈一树枝形状。枝状管网的总长度较短，建筑费用较低，但当某处发生事故切 断管网时，要影响到一些用户用水，因而影响生活和生产。环状管网：管线在一共同节点汇合形成一闭合状的管路。管网的供水可靠性较高，当某段管线发生故障切断管路时，不会影响其余管线的用水。由此，一般比较大的、重要的用水单位通常采样环状管网供水。但这种管网需要管材较多、造价高。枝状管网环状管网管网计算的两种类型 （1）新建给水系统的管网设
10、计 已知管网地区的地形资料、各管段长度与端点要求的自由水头和 各节点的流量分配，要求设计管路的各段直径及水塔的高度；（2）扩建已有给水系统的管网设计 已知水塔高度、各管段长度、管段端点的自由水头和流量分配，要求确定直径。管网中各区段的管径应根据流量和平均流速来决定。经济流速：使得供水的总成本最小的平均速度。管网中各区段的管径应根据经济流速来确定。给水管路允许的极限流速需要进一步探讨研究可，目前在一般给水管道设计中，可查表求得。5.5.1 枝状管网的水力计算枝状管网的水力计算（1）新建给水系统的管网设计）新建给水系统的管网设计 a 在已知流量的条件下，按平均经济流速选择管径；b 利用管路计算的基
11、本公式出各管段的水头损失 ；c 计算从水塔建筑物到管网最不利的控制点的总水头损失（即管 网上距离水塔最远、要求自由水头满足或稍由富裕某点的给水需要的压力及流量的水头）；d 计算地形标高最高之点与水塔处地形标高之差；e 计算水塔高度：HF：最不利点的自由水头；：从水塔到最不利地点的总损失水头；Z0：最高的地形标高；ZB：水塔出的地形标高。22nnnfnKlQhBFmnfnzzHhH01fnh（2）扩建已有的给水系统的管网设计）扩建已有的给水系统的管网设计 a 根据水塔高度H、管路长度ln和用户自由水头HF，计算平均水力坡度im：b 基于平均水力坡度，为各管段能通过已知流量，各管段的特性流量为 c
12、 由特性流量K即可确定出各管段的管径。选定的管径不符合国家产品规格时，应使一部分管段的K Kn，使得这些管段的结合，既能充分利用现有的水头，又能通过要求的流量；应考虑经济上的合理性，要求金属材料的用量最少，一般认为 最小时，管路金属材料用的最少。nFmlHHimnniQK22nndl.5.5.2 环状管网的水力计算环状管网的水力计算0nQ0fnh（1）计算内容 a 根据地形图确定管网的布置及确定管网的长度，b 根据需要确定节点的流量；c 按照经济流速决定各管段的通过流量；d 确定各管段管径及计算水头损失。（2）环状管网计算必须遵循的原则 a 在各节点上输入的流量等于流出的流量，即 。b 任一封闭环内，水流由某一节点流向另一节点时，两方向水头损失 应相等，即 。
