1、1流体力学流体力学补课和考试安排补课和考试安排端午节放假补课时间：第第14周：周五上午第周：周五上午第1-2节，教室：西廊节，教室：西廊202第第15周：周五上午第周：周五上午第1-2节，教室：西廊节，教室：西廊202期末考试时间期末考试时间：第第16周周六（周周六（6月月22日）日）上午上午10:00-12:00 考试地点考试地点：南教南教2032China University of Petroleum3第5章 压力管路的水力计算压力管路压力管路：在压差作用下，管内充满流体流动的管路，称为压力管路在压差作用下，管内充满流体流动的管路，称为压力管路。前两章介绍了流体流动的基本原理，本章介绍这
2、些原理在工程实际中的应用，具体应用时，常要参考设计和施工的经验，对前面所学的公式作一些简化。长管长管短管短管从能量角度划分为从能量角度划分为压力管路压力管路4第5章 压力管路的水力计算长管长管：比动能比动能和和局部水头损失局部水头损失可以忽略可以忽略的管路的管路。短管短管：比动能比动能和和局部水头损失局部水头损失不能忽略不能忽略的管路。的管路。对长管，hw=hf，能量方程变为：fhpzpz2211fhppzzH2121H 表示能量供应，作用水头；hf 表示能量消耗，水头损失。一般：hj=510%hf 则：whgVpzgVpz2222222111jfwhhh5第5章 压力管路的水力计算5.1 5
3、.1 管路特性曲线管路特性曲线管路特性曲线管路特性曲线：一条管路上的水头：一条管路上的水头H与流量与流量Q之间的关系曲线之间的关系曲线。即H=f(Q)，对特定的管路，其关系一定。gVdLgVdLhhhjfw2222当2244dQVdVQ25222284212QdLLgdQgdLLgVdLLhw当当当令 ，称为管路综合系数管路综合系数。528dLLg当例如：管路上的总水头损失6第5章 压力管路的水力计算则2Qhw当L、d一定时，dRe,将 画为曲线，称为管路特性曲线，见下图：Qfhw7第5章 压力管路的水力计算对有泵的管路，象如图的例子，泵的的扬程为：whzzH12有泵的管路特性曲线通过管路特性
4、曲线，可以了解管路的工作状况。8第5章 压力管路的水力计算5.2 5.2 简单长管的水力计算简单长管的水力计算简单长管：简单长管：单一直径管，所研究的管段内无泵、分支、阀门、变径等。只有沿程损失hf。n hf 的通式的通式25222284212QdLgdQgdLgVdLhfdQdQdVd44Re2 层流层流Qd16Re64425215.4168dLQQdLQdghf（1）9第5章 压力管路的水力计算 水力光滑区水力光滑区25.025.043164.0Re3164.0Qd75.425.075.12525.020246.043164.08dLQQdLQdghf（2）水力粗糙区（阻力平方区）水力粗糙
5、区（阻力平方区）522520826.08dLQQdLghf 混合摩擦区混合摩擦区大庆设计院推荐：877.4123.0877.10802.0dLQAhf（3）（4）其中，627.0lg127.010dA10第5章 压力管路的水力计算最后将（1）、（2）、（3）、（4）式归纳为：mmmfdLQh52列宾宗公式列宾宗公式其中，系数和指数m，根据不同流态由下表确定：流态流态m层流4.151水力光滑0.02460.25混合摩擦0.0802A0.123水力粗糙0.0826011第5章 压力管路的水力计算n 管路计算的三类问题管路计算的三类问题 第一类问题第一类问题：已知：d、L、布置（z1，z2）、流量Q
6、，求：hf ，进而求 i、p，已知 p2 求 p1。求解步骤求解步骤：由已知Q、d、，求出Re，确定流态；选用 的计算公式（或确定、m值），求 hf；求 p、i，（，）当p2已知，可求得 p1，选泵。2121ppzzhfLhif12第5章 压力管路的水力计算 第二类问题第二类问题：已知：d、L、布置（z1，z2）、p（hf），求：Q，即在压力降限制下的最大输送能力。此类问题的问题：此类问题的问题：mmmfdLQh52 可见：未知数Q、（、m）为两个未知数，应有二个方程，现只有一个，故不可解。解法一解法一：流态试算法流态试算法先设流态，选用、m，计算 ，mmmfLdhQ25 计算Re，校核流态。
7、如流态与所设流态一致，则Q为所求，否则重新设流态计算。13第5章 压力管路的水力计算解法二解法二：用管路特性曲线求用管路特性曲线求Q先假设几个流量Q1、Q2、Qm，按第一类问题，计算hf1、hf2、hfm，绘成管路特性曲线，再由已知hf查得Q。第三类问题第三类问题：已知：L、管路布置（z1，z2）、流量Q，求：设计最经济管径 d。14第5章 压力管路的水力计算此类问题的问题：此类问题的问题：l 当选用的管径太大，d大 用钢材多 成本高，但是，d大 V小 hf N泵 动力费用少 总费用少。l 当选用的管径太小，d小 省钢材，但是，d小 V大 hf N泵 动力费用 总费用 。故：d 偏大、偏小都不
8、合适，管径的选择必须全面考虑各方面的利弊。既要保证一定的流速，又要符合经济要求，使输油成本尽可能地节省。根据经验，合理经济流速合理经济流速的选择：油田内部或库内管线：油田内部或库内管线：1 12 m/s2 m/s 外输管线：外输管线：1 13 m/s3 m/s15第5章 压力管路的水力计算设计管径的步骤大致如下：设计管径的步骤大致如下：根据设计流量，在适宜的流速范围内选择几种不同的管径；按照所选管径算出实际流速；根据实际流速，管径及油品粘度计算雷诺数，确定流态，进而计算水头损失；由总水头损失及压降确定泵的扬程、功率，从而算出每年动力消耗费用动力消耗费用，（如图曲线）；计算全部设备管线投资及每年
9、的管理、保养等费用全部设备管线投资及每年的管理、保养等费用，（如图曲线）；把选用不同管径时，每年所需各种费用全部开支一一算出；以管径d为横坐标，年费用为纵坐标，绘成曲线，曲线曲线表示两种费用总和表示两种费用总和与直径d的关系。取曲线最低点对应的直径dm即为经济直径。这里，dm为最优，但是考虑将来的发展，取ddm即可。16第5章 压力管路的水力计算1 1、串联管路、串联管路定义定义：由不同管径的简单管路顺次联接而成的管路。5.3 5.3 复杂长管的水力计算复杂长管的水力计算17第5章 压力管路的水力计算水力特点：水力特点：各联结点（节点）处流量出入平衡各联结点（节点）处流量出入平衡，即进入节点的
10、总流量等于流出节点的总流量。如果流入节点的流量为正，流出节点的流量为负，则可写成：0iQ它反映了 全线总水头损失为各分段水头损失之和全线总水头损失为各分段水头损失之和。fnfffhhhhi21它反映了。18第5章 压力管路的水力计算2 2、并联管路、并联管路定义定义：自一点分离而又汇合到另一点处的两条或两条以上的管路。条件条件：在节点A处，满足：各管的压强相同：各管的位置水头相同：AnAAppp21AnAAzzz2119第5章 压力管路的水力计算水力特点：水力特点：进入各并联管的总流量等于流出各并联管的流量之和进入各并联管的总流量等于流出各并联管的流量之和，即 不同并联管段从不同并联管段从AB
11、单位重量液体的能量损失相同单位重量液体的能量损失相同，即：iQQfnffffABhhhhhi2120第5章 压力管路的水力计算 串联管路在多数情况下都是在流量已知的情况下，按合理流速来选择管径，然后按第一类问题求解，比较简单。并联管路则涉及各条管线的流量分配问题，即使总流量已知，但因各条管线流量不确定，使得其计算变为第二类问题，必须采用试算法。n 串联和并联管路的水力计算串联和并联管路的水力计算21第5章 压力管路的水力计算并联管路的水力计算：并联管路的水力计算：设已知：Q，d1、d2、dn，l1、l2、ln求：Q1，Q2，Qn，hfAB？解解：设各管流态不同（流态试算法）111511211m
12、mmfdlQh222522222mmmfdlQhnnnmnnmmnnfdlQh5222第5章 压力管路的水力计算212151522122211212llddQQmmmmmm313151532123311313llddQQmmmmmmnnmmmmnmmnllddQQnnn11515212111nQQQQ211131211QQQQQQQQn(a)(b)23第5章 压力管路的水力计算如果Q1求出来，则Q2、Q3、Qn即可得到。又对1管，有：111511211mmmfdlQh由上(a)、(b)、(c)三式解出 n+1个未知数。(c)校核流态：由Q1 V1 Re1 定出流态（与假设相同时，Q1为所求）Q
13、2 V2 Re2 定出流态（与假设相同时，Q2为所求）Qn Vn Ren 定出流态（与假设相同时，Qn为所求）所以，Q1、Q2、Q3、Qn、hf 均求出。24第5章 压力管路的水力计算当各管的流态相同时，1 2 n，m1m2mn，更为简单。(a)式可得到简化，用上法可求出Q1、Q2、Q3、Qn、hf。25第5章 压力管路的水力计算n 串联和并联管路在长输管线上的应用串联和并联管路在长输管线上的应用在已建成的长输管线上，目的：提高输送能力提高输送能力；延伸输送距离延伸输送距离。措施措施：增设副管副管或变径管变径管26第5章 压力管路的水力计算加副管或变径管后水力坡降的变化：加副管或变径管后水力坡
14、降的变化：副管 变径管 原理原理：无论副管还是变径管，都是A V hf i，达到用剩余能量来提高输量或延伸输送距离的目的。27第5章 压力管路的水力计算 当输送距离及作用水头一定时，增设副管和变径管可以提高输送量。当输送距离及作用水头一定时，增设副管和变径管可以提高输送量。当流量及作用水头一定时，增设副管和变径管可以延长输送距离，如当流量及作用水头一定时，增设副管和变径管可以延长输送距离，如下图：下图：28第5章 压力管路的水力计算定义定义：从一根总管分支出几根支管后不再汇合的管路。n 分支管路的形式分支管路的形式从一处送往多处从一处送往多处：从多处汇集到一处：从多处汇集到一处：3 3、分支管
15、路、分支管路29第5章 压力管路的水力计算n 分支管路的水力特点分支管路的水力特点分支管路相当于串联管路的复杂情况，它具备串联管路的两个特点。它具备串联管路的两个特点。节点处：节点处：0iQ沿串联线上：沿串联线上：iffhh30第5章 压力管路的水力计算例题例题1：某水罐1液面高度位于地平面以上60m，通过分支管把水引向高于地平面15m和30m的水罐2和水罐3，假设l1l2l32500m，d1d2d30.5m，各管的沿程阻力系数均为0.04，试求引入每一水罐的流量。解：解：由已知条件，本题可列为长管计算问题，局部损失忽略。1和和2罐之间应用伯努利方程：罐之间应用伯努利方程：gVdlgVdlzz
16、222222211121代入各已知数值，得：31第5章 压力管路的水力计算8.925.0250004.08.925.0250004.015602221VV 41.42221VV（1）1和和3罐之间应用伯努利方程：罐之间应用伯努利方程：gVdlgVdlzz2223332111318.925.0250004.08.925.0250004.030602321VV代入各已知数值，得：94.22321VV（2）32第5章 压力管路的水力计算由连续性方程可得：321QQQ即：233222211444dVdVdV又 321ddd321VVV联立（1）、（2）、（3）三式，可得：（3）sm67.11Vsm28
17、.12Vsm39.03V则，引入水罐2和3的流量分别为：sm2512.05.0428.14322222dVQsm0765.05.0439.04322333dVQ33第5章 压力管路的水力计算例题例题2：（教材：（教材P231页，第页，第5-8题）题）图示一管路系统，CD管中的水由A、B两水池联合供应。已知L1500m，L0500m，L2300m，d10.2m，d00.25m，10.029，20.026，00.025，Q0100L/s。求Q1、Q2及d2。解：解：列A、D两断面的能量方程：gVdLgVdLzzDA222000021111sm038.225.04101004232000dQV 8.
18、92038.225.0500025.08.922.0500029.0520221V34第5章 压力管路的水力计算 sm0646.11Vsm0334.02.040646.14322111dVQsm0666.00334.01010033102QQQ列B、D两断面的能量方程：gVdLgVdLzzDB222000022222222222244dQdQV 8.92038.225.0500025.048.921300026.0519222222dQd35第5章 压力管路的水力计算 94357.40666.094357.422252Qd m246.02d sL4.33sm0334.031QsL6.66sm0
19、666.032Q m246.02d36第5章 压力管路的水力计算5.4 5.4 短管的水力计算短管的水力计算这些管路，其上管件较多，沿程直径亦有所变化，常属于短管。短管的水力计算一般可以用能量方程求解，但计算比较麻烦。为了使计算简化，常先把所有阻力系数综合在一起，再代入能量方程，或作出管路特性曲线，可以解各类问题。l 井场上的管路;l 油站内的管路;l 室内管路;l 泵的吸入管路，等例如：37第5章 压力管路的水力计算1 1、综合阻力系数、综合阻力系数已知一短管系统，如图：局部阻力系数分别为1、2、9，粗管长l1，管径d1，细管长l2，管径d2。38第5章 压力管路的水力计算总水头损失：jfw
20、hhh21gVdlgVdlhf222222221111gVgVgVhj22222987652421321孔由 22222121,VddVVddV孔孔代入上式：gVdldddlhf222222412111gVddddhj22298765424412321孔39第5章 压力管路的水力计算 全管路总损失：gVdddddldddlhw2229876542441232122241211121孔令 98765424412321222412111孔dddddldddlcc 综合阻力系数综合阻力系数，与流态、局部阻力形式、几何尺寸有关。gVhcw2222140第5章 压力管路的水力计算2 2、短管实用流量计算
21、通式、短管实用流量计算通式取1-1、2-2两断面，列伯努利方程：gVgVpzgVpzc2222222222111 gVgVgVppzzc2222222212121定义 ，称为作用水头作用水头gVppzzH22121210 gVHc2122041第5章 压力管路的水力计算 0221gHAQc令 ，称为流量系数流量系数。c11022gHAQ一般写为：短管的实用流量计算公式短管的实用流量计算公式02gHAQ式中，AA2出口截面积用此公式可解管路的第一、第二两类问题：02211gHVc42第5章 压力管路的水力计算（1）第一类问题第一类问题：已知Q，求H0（或 p）已知Q V Re 流态，c（、）H0
22、 p，当p2已知时，求起点压强p1。（2）第二类问题第二类问题：已知H0，求Q解法一解法一：试算法。设流态 c Q 检验流态。解法二解法二：利用管路特性曲线。22222202121QgAQgVHcc其中，随c及流态而变。2221gAc43第5章 压力管路的水力计算5.5 5.5 孔口和管嘴泄流孔口和管嘴泄流自流管路自流管路：不加外来能量，完全靠自然位差获得能量来排泄液体的管路。定水头出流定水头出流（稳定出流）（稳定出流）：液体在出流过程中，作用水头H0不随时间变化 的出流。自由出流自由出流：出流于大气中的液流。淹没出流淹没出流：出流于液体中的液流。44第5章 压力管路的水力计算1 1、定水头孔
23、口泄流、定水头孔口泄流薄壁孔口薄壁孔口：流体与孔口边缘为线接触。流体阻力只有局部阻力hj。小孔口小孔口：孔径d小于十分之一的作用水头H0，即0101Hd 小孔口断面上的速度分布可视为均匀的。出流特点出流特点：由于惯性作用，流线不能突然转折，当实际液体流经孔口时，在离孔口约 处形成最小收缩断面c-c。d2145第5章 压力管路的水力计算设收缩断面面积为Ac，孔口的断面积为A，则孔口断面收缩系数收缩系数 为：2ddAAcc列0-0，c-c两断面的伯诺利方程：gVgVpzgVpzcccc222222000孔gVgVppzzccc21222000孔令 ，为作用水头作用水头。gVppzzHcc22000
24、0gVHc2120孔即 46第5章 压力管路的水力计算解出：0211gHVc孔令 ，为流速系数流速系数。孔11则：02gHVc流量：0022gHAgHAAVQccc令 ，为流量系数流量系数。则：02gHAQ47第5章 压力管路的水力计算实验表明：06.0孔97.006.01164.062.062.060.0当是理想流体时：0孔111Q理 Q实，即 的物理意义为实际流量与理想流量之比的物理意义为实际流量与理想流量之比。理实QQ48第5章 压力管路的水力计算对于孔口淹没出流孔口淹没出流，如图所示。列1-1、2-2断面的能量方程：212222211122whgVpzgVpzgVgVhccw22222
25、1扩孔这里，突然扩大的局部阻力系数：2211AA扩 ，021AA1扩故：gVhcw21221孔49第5章 压力管路的水力计算上述能量方程变为：gVgVVppzzc212222212121孔令gVVppzzH2222121210gVHc2120孔002211gHgHVc孔02gHAAVAVQccc （这里 ）02gHAQ50第5章 压力管路的水力计算可见，淹没出流与自由出流的水力计算公式虽然形式相同，但两者之间的区别在于：对淹没出流：对淹没出流：gVVppzzH2222121210对自由出流：对自由出流：gVppzzHcc220000涉及上、下游涉及上、下游两个断面！两个断面！最后指出最后指出：
26、淹没出流的淹没出流的、孔孔与自由出流的情况相差不大，实用与自由出流的情况相差不大，实用 上可认为二着相等上可认为二着相等。作用水头定义不同！作用水头定义不同！51第5章 压力管路的水力计算2 2、定水头管嘴泄流、定水头管嘴泄流标准圆柱管嘴：标准圆柱管嘴：自孔口接出与孔口直径d相同而长度 l(34)d 的短管。流动特性：流动特性：流体在管嘴内先收缩后扩大，封住出口流出。损失包括三部分：fjjwhhhh扩大孔52第5章 压力管路的水力计算管嘴损失的计算：gVdlgVdlgVAAgVAAgVdlgVgVhhhhcccfjjw211122122222222222222222222222孔孔扩孔扩大孔令
27、dlc22111孔管嘴综合阻力系数管嘴综合阻力系数gVhcw22253第5章 压力管路的水力计算 06.0孔64.062.002.0dl3 53.0302.0164.0164.0106.022c列1-1、2-2断面的伯诺利方程：gVgVpzgVpzc2222222222111dlc22111孔54第5章 压力管路的水力计算gVgVppzzc21222212121即H0gVHc212200022211gHgHVc81.053.01111c实验证明：82.0 作用水头作用水头 流速系数流速系数实际计算时用这个值。55第5章 压力管路的水力计算02222gHAAVQ02gHAQ 对管嘴而言对管嘴而言
28、：82.01孔口与管嘴的流量比较孔口与管嘴的流量比较：设d、H0相同，02gHAQ孔孔02gHAQ嘴嘴62.060.0,孔82.0,嘴可见：，大 左右。孔嘴QQ312AA56第5章 压力管路的水力计算问题：问题：由前面已知，管嘴的阻力系数c0.53，大于孔口的阻力系数孔0.06，当液体流径阻力较大的管嘴时，其流量反而大于孔口的流量，为什么？解释：解释：对管嘴，列1-1、c-c断面的能量方程：gVgVpzgVpzcccc222222111孔 定水头出流，则 ，01VHzzc1HgVppcc2121孔又0022gHAgHAAQVcc57第5章 压力管路的水力计算取平方，则 0222HgVc HHp
29、pc0211孔如果容器敞口，且为管嘴自由出流，则 ，于是appp21HgppHgVppzzHaa20222121210则HHppca21孔58第5章 压力管路的水力计算即Hh112孔真空取 ，则06.0孔64.082.0Hh75.0真空此式表示在管嘴出流时，收缩断面c-c处的压强小于大气压强，即产生真空。由真空作用所产生的水头为0.75H，这相当于比孔口增大了一个压头差相当于比孔口增大了一个压头差（而对孔口，），这是一个不小的数值，该数值远大于由于液流阻力的增加所损失的水头。因此，在同样的H和A的条件下，。0capp孔嘴QQ59第5章 压力管路的水力计算注意：注意：作用水头不宜太大作用水头不宜
30、太大 一般情况下，c-c断面上真空度大则流量大，但真空度不是越大越好。若真空度过大，将产生汽化现象。同时，管嘴外部的空气在大气压作用下，将进入管嘴，其结果使管嘴内的液流脱离管嘴的内壁面。这种情况如同孔口出流一样，因而达不到增加流量的目的。不同液体汽化压力不同，对水来说，为了防止汽化，允许的真空度 水柱，则作用水头：。m7真h m3.975.07H 管嘴长度管嘴长度dl43 若太长，则阻力增大，流量减小；若太短，则液流尚未充满管嘴就已流出，或真空区过于靠近管嘴出口因受大气的影响而被破坏。60例题：二联水箱上装有三个处于同一高度且面积同为3cm2、流量系数同为0.6的孔口，进水量为 Q3L/s，在
31、稳定流动情况下，试求：Q1，Q2，Q3，H1，H2解：解：61第5章 小结1 1、基本概念、基本概念（1）压力管路，长管，短管；（2）作用水头，管路特性曲线；（3）管路计算的三类问题，各类问题的解法；（4）串、并联管路及其水力特性，分支管路及求解步骤；（5）自流管路，定水头小孔口、管嘴及水力特性；（6）流速系数，流量系数，收缩系数；（7）管嘴的流量比孔口的流量大的原因。2 2、重要公式、重要公式（1）能量方程：jfhhgVVppzz222212121（2）长管：fhppzz212162第5章 压力管路的水力计算gVdlhf22mmmfdLQh52或记住：层流时 4.15，m1；水力光滑区时 0
32、.0246，m0.25记住：层流时 ；水力光滑区时 Re644Re3164.0（3）短管：gVhhhcjfw22202gHAQ作用水头：gVppzzH22121210gVHc2122063第5章 压力管路的水力计算（4）孔口：02gHAQ62.060.0理实QQ（5）管嘴：fjjwhhhh扩大孔02gHAQ82.0各参数（H0、A）相同时，管嘴比孔口多一水头差 ，故 ，capp 孔嘴QQHppca75.002gHVc022gHV64第5章作业作业：作业：5-2，5-5，5-6，5-7，5-13，5-14，5-18，5-19课下练习：课下练习：5-1，5-3，5-11，5-15，5-16，5-17
