管道水力计算.docx
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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
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）
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
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。
单位重量流体所具有的压能，或压强水头，m；即P1P2为起点、终点液流压力，单位重量流体所具有的动能，或速度水头，m；即C1C2为液流起、终点的流速。
单位重量流体的动能修正系数；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，即沿程损失与局部损失。
因此，流体流动时上、下游截面间的总水力损失应等于两截面间的所有沿程损失与局部损失之和，即
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：
式中，沿程损失系数；管段长度与直径，m；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：
式中，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cnx:
紊流向层流转变时的临界速度；
B.上临界速度cns:
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
式中：
ρ——密度kg/m³
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Rec
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。
三、圆管中紊流的运动学特征—速度分布
1．圆管横截面积的紊流结构
（1）近壁处：
流体呈层流体；
（2）管中心较大区域：
流体呈紊流状态；
（3）层流至紊流过渡区
2．水力光滑和水力粗糙
（1）绝对粗糙度与相对粗糙度：
平面凸起的平均高度称为绝对粗糙度，记作△；绝对粗糙度△与管直径d之比△/d称为相对粗糙度。
（2）水力光滑与水力粗糙：
紊流的层流底层厚度δ大于壁面的绝对粗糙度△，即δ>△，称此时管道为水力光滑管；反之，即δ<△，则为水力粗糙管。
（注意）水力光滑和水力粗糙是相对的，不是绝对不变的。
影响因素主要为雷诺数、相对粗糙度△/d等。
四、雷诺数算图
雷诺数算图
例：
已知流速为2米/秒，管径150mm，介质粘度5厘沱，求雷诺数。
解：
联AB交辅助线于C点，从C点与D点联直线交Re轴于E点，可读出雷诺数Re=60000
第三节沿程水力损失
一、计算方法：
沿程水力损失的计算有多种经验公式，下面介绍达西公式和列宾宗公式
沿程摩阻
式中：
hr——管道沿程摩阻，m
L——管道长度，m
D——管道径，m
V——液流平均流速，m/s
g——重力加速度，m/s2
λ——水力摩阻系数
水力摩阻系数与管道中液体流动状态（雷诺数）、管子的粗糙度、管径等因素有关。
不同λ值可按下表进行计算。
（一）
不同流态下的的λ值（达西公式）
流态
划分围
层流
Re＜2000
紊流
光滑区
3000＜Re＜Re1=
混合摩擦区
Re1＜Re＜Re2=
粗糙区
Re>Re2
（二）利用莫迪图（MoodyFigure）查λ值。
莫迪图查法：
横坐标为雷诺数Re，右侧纵坐标为当量的相对粗糙度（其中当量粗糙度可按经验查书P158表4-4），左侧纵坐标即为沿程水力损失系数。
查图时，利用Re和所对应的曲线交点，即可获得。
利用莫迪曲线图，确定沿程阻力系数值λ，即能确定流动是在那一区域，非常方便。
莫迪图
在以上不同流态下的的λ值表中，雷诺数是一个划分流态的标准，Re=VD/v它标志着液流中因粘滞性造成的阻力损失和由于液体质点碰撞造成的惯性力损失，在总的阻力损失中所占的地位。
Re很小时，粘滞阻力起主要作用。
Re很大时，惯性力损失起主要作用。
v——流体的粘度（㎡/s）.
e—管子的绝对粗糙度（mm）表示管道壁突起的绝对高度，绝对粗糙度与管道径的比值称为相对粗糙度，即。
由于管道壁的绝对粗糙度分布不均，且大小不等，因此，在实际上采用的是绝对粗糙度平均值，称之为当量粗糙度，（以K表示）。
其植受管子材料、使用年限、腐蚀程度的影响。
对于绝大数钢管，当量粗糙度K=0.1-0.2mm。
对于输油管建议采用K=0.14-0.15mm。
东北输油管道设计时取K=0.2mm
（三）
管壁当量粗糙度K
管壁表面特征
K毫米
新无缝钢管
0.04-0.17
使用几年后的钢管
0.19
腐蚀较严重的旧钢管
0.6-0.67
清洁的无缝铜管、铅管
0.01
新铸铁管
0.3
石棉水泥管
0.3-0.8
橡皮软管
0.01-0.03
玻璃钢管
0.0053
（四）不同流态的A、m、β值，为方便计算，将上式用一种形式表示。
以表示水力摩擦系数，并将,代入上式，整理后写出：
式中（秒2/米），
Q——体积流量（m³/s）
——液体运动粘度（㎡/s）
D、L——管径、管道长（米）。
A、m是与流态有关的常数。
不同流态下的A、m、β值见列宾公式
输油管道水力学计算公式（列宾宗公式）
不同流态的A、m、β值
流态
A
m
β,s2/m
h，m
层流
64
1
紊流光滑区
0.3164
0.25
混合摩擦区
A
0.123
（A=100.127lgε-0.627）
粗糙区
λ
0
注：
混合区计算式为从推导出，其误差约为5%。
（五）、各流态区域液流摩阻与流量Q、粘度ν、管径D、管道长L等参数间的关系。
1、流量Q对摩阻的影响。
在管径一定及其它条件相同的情况下，液体的流量越大，摩阻损失也越大。
而且在不同的流态区，流量对摩阻的影响程度各不相同：
层流区，摩阻与流量成正比（Q）；紊流水力光滑区摩阻与流量的1.75次方成正比（Q1.75）；紊流粗糙区摩阻与流量的平方成正比（Q2）。
即流量增加一倍，紊流区摩阻增加三倍，层流区和水利光滑区各增加1倍和2.36倍。
2、粘度对摩阻的影响
当其它条件都相同时，液流的粘度越大，摩阻损失也越大、层流区，粘度对摩阻的影响最显著，摩阻与粘度成正比（ν）；水力光滑区，摩阻与粘度的0.25次方成正比（ν0.25）；阻力平方区，粘度不影响摩阻损失
3、管道L长对摩阻的影响
摩阻损失与管道长度成正比关系（L），这对各流态都一样。
4、管径D对摩阻的影响
管径越大，摩阻损失越小。
在层流区，（ν）；水力光滑区（）；紊流粗糙区，（）。
即，当管径增加一倍时，不同流态区的摩阻相应减少为原来的1/16，1/27，1/32。
从以上的分析可以看出，管道直径对摩阻损失的影响最大。
因此，要改变摩阻损失，变更管道直径，效果最为明显。
在实际输油管道中，一般很少出现紊流粗糙区。
热油管道常在水力光滑区。
轻油（汽油、煤油、柴油等）管道多在混合摩擦区。
只有输送高粘度的中质油时才可能出现在层流区。
第四节局部水力损失
一、局部水力损失的计算
1．计算式（半经验公式—根据相似理论推导）
由上式可知，其计算关键是局部水力损失系数。
2.局部水力损失系数的影响因素
式中——局部摩阻系数。
它随着管件的尺寸，液流的流态以及粘度的不同而不同。
二、当量长度和局部摩阻系数
有时为了计算方便，还用当量长度来表示局部摩阻，管件的局部阻力相当长的直管道的沿程摩阻。
计算摩阻损失的时候，在管道长度L这项加上即可。
各种管件，阀件等的当量长度和局部阻力系数一般由试验测得，可查水力学和有关手册。
这里必须注意的是，各种文献手册中介绍的和值，都是在紊流状态下测得的，且数值各有出入，应注意选择。
下表中摘录了部分文件、阀件等的（）和值，它们只适用于紊流状态。
表中是根据λ=0.022算的。
如实际中的水力摩阻系数为λ，则应换算为：
=。
当量长度和局部摩阻系数
局部摩阻名称
局部摩阻名称
无保险门油罐出口
23
0.5
通过三通
18
0.4
有保险门油罐出口
40
0.9
转弯三通
45
1
有起落的油罐出口
100
2.2
转弯三通
60
1.3
45°焊接弯头
14
0.3
转弯三通
23
0.5
90°单折弯头
60
1.3
转弯三通
136
3
90°双折弯头
30
0.65
转弯三通
40
0.9
弯管Z=2d
23
0.5
闸板阀
23
0.5
弯管Z=（3-5）d
12
0.25
普通截止阀d=15
740
16
通过三通
2
0.04
普通截止阀d=20
460
10
通过三通
4.5
0.1
普通截止阀d=25-40
410
9
普通截止阀d=50及50以上
320
7
单向供给阀
360
8
斜杆截止阀d=15-25
140
3
单向保险阀
82
1.3
斜杆截止阀d=40
110
2.5
填函式补偿器
23
0.5
斜杆截止阀=50及以上
90
2
Ⅱ型补偿器
90
2
旋塞d=15
180
4
波型补偿器
14
0.3
旋塞d=20及20以上
90
2
轻油过滤器
77
1.7
灌油旋塞d=25
690
15
升级会员 