管道水力计算

管道水力计算

新大技术研究所：戴颂周

2012 年3 月2 日

目录

第一章单相液体管流动和管道水力计算 (3)

第一节流体总流的伯努利方程 (3)

一、流体总流的伯努利方程 (3)

二、流体流动的水力损失 (4)

第二节流体运动的两种状态 (6)

一、雷诺实验 (6)

二、雷诺数 (7)

三、圆管中紊流的运动学特征—速度分布 (8)

四、雷诺数算图 (9)

第三节沿程水力损失 (9)

一、计算方法： (9)

第四节局部水力损失 (15)

第五节管道的水力计算 (18)

一、管道流体的允许流速（经济流速供参考） (18)

二、简单管道的水力计算 (20)

第二章玻璃钢管道水力计算 (22)

第一节玻璃钢管道水力计算公式 (22)

一、玻璃钢管道水力计算公式 (22)

二、管道水力压降曲线 (23)

三、常用液体压降的换算 (23)

四、常用管件压降 (26)

第二节油气集输管道压降计算 (27)

第三节玻璃钢输水管线的水力学特性 (28)

一、玻璃钢输水管水流量计算 (28)

二、玻璃钢输水管水击强度计算 (29)

第三章管道水力学计算中应注意的几个问题 (32)

一、热油管道的工艺计算 (33)

二、油水两相液体的工艺计算 (33)

三、地形变化时的水力坡降 (36)

第一章 单相液体管流动和管道水力计算

第一节 流体总流的伯努利方程

一、流体总流的伯努利方程

1. 流体总流的伯努利方程式（能量方式）

=++g

c g P Z 22

1111αρw h g c g P Z +++22

2222αρ 2. 方程的分析

(1) 方程的意义

物理意义：不可压缩的实际流体在管道流动时的能量守恒，或者说，上游机械能=下游机械能+能量的损失。

(2) 各项的意义

-21,z z 单位重量流体所具有的位能，或位置水头，m ，即起点、终点标高。-g p g p ρρ/,/21单位重量流体所具有的压能，或压强水头，m ；即P 1 P 2为起点、

终点液流压力，-g c g c 2/,2/2

22211αα单位重量流体所具有的动能，或速度水头，

m ；即C 1 C 2为液流起、终点的流速。

-21,αα单位重量流体的动能修正系数；-w h 单位重量流体流动过程的水力损失，m 。

二、流体流动的水力损失

1. 水力损失的计算

液体所以能在管道中流动，是由于泵或自然位差提供的能量。液体流动过程中与各种管道、阀件、管件发生摩擦或撞击而产生阻力。同时液体质点间的互相摩擦和撞击也要产生阻力。为了使液体继续流动，就必须供给能量，以克服这些阻力。用于克服液流阻力的能量，就是管路摩阻损失。水力损失一般包括两项，即沿程损失

f

h 与局部损失

m

h 。因此，流体流动时上、下游截面间的总水力损失

w

h 应等于两截面间的所有沿程损失与局部损失之和，即

∑∑+=m f w h h h

2. 关于沿程损失

(1) 实质：沿程流动过程中，由于实际流体具有黏性，流体层之间以及流体与壁面间将产生摩擦阻力损失，即沿程损失，因此，其实质是摩擦损失。

(2) 发生的地点：平顺长直的管段上，或者说等径直管段上。 (3) 计算式：

g c d l h f 22

λ

=

式中，-λ沿程损失系数；-d l ,管段长度与直径，m ；-c 管道截面上的平均流速，m/s 。

3. 关于局部损失

(1) 实质：由于实际流体具有黏性，在流经有局部变化的管段时将产生碰擦，并产生漩涡而引起阻力损失，即局部损失，因此，其实质是漩涡损失。

(2) 发生的地点：管段有局部改变的地点，如突变、渐变、转折、弯曲、分汇流及有阀门等管道附件处。

(3) 计算式：

g c h m 22

ς

=

式中，-ς局部损失系数。 4、两种水头损失大小比重

第二节流体运动的两种状态

一、雷诺实验

1. 实验装置

由于实际流体具有粘性，因此流体在管道中流动时，紧贴管壁的流体其速度必然为零。而离开管壁越远，流速逐渐增大，到管道中心处的流速最大。

2. 实验结论

(1) 如图，出现层流、临界流及紊流的流动状态。

A．层流：流体质点间分层运动，不相掺混；

B．紊流：流体质点间不再分层运动，而是相互掺混，呈现较混乱的状态。

C．临界流：又称过渡流，是层流向紊流或紊流向层流转变的过渡状态流动。

(2) 层流向紊流转变时的临界速度

A. 下临界速度c nx: 紊流向层流转变时的临界速度；

B. 上临界速度c ns : 层流向紊流转变时的临界速度。 工程上，下临界速度更有实际意义。

(3) 影响流动状态的因素

A. 流速；

B. 流体的物性，主要是密度、黏度等；

C. 管道的特征尺寸，管

流动一般取管直径。

上述因素的综合，便是雷诺数Re 。 二、雷诺数

1. 表达式

ν

νμρd Q

cd cd π4Re ===

式中：ρ——密度 kg/m ³ μ——动力粘度 mPa.s

ν——运动粘度 ㎡/s （运动粘度等于动力粘度与流体密度ρ之比，ν=μ/ρ）

с——管道截面上的平均流速 m/s d ——管道直径 m

Q ——管路中介质体积流量，米3/秒

雷诺数Re 是判断流体流动状态的判据。它表示流体所受的惯性力与黏性力之比。若Re 数较小，则黏性力占主导地位，流体易保持原来状态而呈现层流状态；若Re 数较大，则惯性力占主导地位，流体易打破原来状态而呈现紊流状态。

2. 管流动时的临界雷诺值Re c

2000Re ===

νμρd

c d c nx nx c

3. 一般管流(粗糙管)管流动时流态的判定

Re<2000时，流体为层流；Re>4000时，流体为紊流；4000>Re>2000时，流体为临界流。