本文格式為Word版，下載可任意編輯——管道過流計(jì)算方法第四章有壓管道恒定流

第一節(jié)概述

前面我們探討了水流運(yùn)動的基本原理,介紹了水流運(yùn)動的三大方程,水流形態(tài)和水頭損失,從第五章開始,我們進(jìn)入實(shí)用水利學(xué)的學(xué)習(xí),本章研究有壓管道的恒定流.

一.管流的概念

1.管流是指液體質(zhì)點(diǎn)完全充滿輸水管道橫斷面的滾動，沒有自由水面存在。2.管流的特點(diǎn).①斷面周界就是濕周，過水?dāng)嗝婷娣e等于橫斷面面積；②斷面上各點(diǎn)的壓強(qiáng)一般不等于大氣壓強(qiáng)，因此，常稱為有壓管道。③一般在壓力作用而滾動.

1.根據(jù)出流狀況分自由出流和吞噬出流

管道出口水流流入大氣，水股四周都受大氣壓強(qiáng)作用，稱為自由出流管道。管道出口吞噬在水面以下，則稱為吞噬出流。

2.根據(jù)局部水頭損失占沿程水頭損失比重的大小，可將管道分為長管和短管。在管道系統(tǒng)中，假使管道的水頭損失以沿程水頭損失為主，局部水頭損失和流速水頭所占比重很?。ㄕ佳爻趟^損失的5%～10%以下），在計(jì)算中可以忽略，這樣的管道稱為長管。否則，稱為短管。必需注意，長管和短管不是簡單地從管道長度來區(qū)分的，而是按局部水頭損失和流速水頭所占比重大小來劃分的。實(shí)際計(jì)算中，水泵裝置、水輪機(jī)裝置、虹吸管、倒虹吸管、壩內(nèi)泄水管等均應(yīng)按短管計(jì)算；一般的繁雜管道可以按長管計(jì)算。

3.根據(jù)管道的平面布置狀況，可將管道系統(tǒng)分為簡單管道和繁雜管道兩大類。簡單管道是指管徑不變且無分支的管道。水泵的吸水管、虹吸管等都是簡單管道的例子。由兩根以上管道組成的管道系統(tǒng)稱為繁雜管道。各種不同直徑管道組成的串聯(lián)管道、并聯(lián)管道、枝狀和環(huán)狀管網(wǎng)等都是繁雜管道的例子。

工

程實(shí)踐中為了輸送流體，往往要設(shè)置各種有壓管道。例如，水電站的壓力引水隧洞和壓力鋼管，水庫的有壓泄洪洞和泄洪管，供給城鎮(zhèn)工業(yè)和居民生活用水的各種輸水管網(wǎng)系統(tǒng)，澆灌工程中的噴灌、滴灌管道系統(tǒng)，供熱、供氣及通風(fēng)工程中輸送流體的管道等都是有壓管道。研究有壓管道的問題具有重要的工程實(shí)際意義。

有壓管道水力計(jì)算的主要內(nèi)容包括：①確定管道的輸水能力；②確定管道直徑；③確定管道系統(tǒng)所需的總水頭；④計(jì)算沿管線各斷面的壓強(qiáng)。

其次節(jié)簡單管路的水力計(jì)算

以通過出口斷面中心線的水平面為基準(zhǔn)面，在離開管道進(jìn)口一定距離處選定1—1過水?dāng)嗝?該斷面符合漸變流條件)，管道出口斷面為2—2過水?dāng)嗝妫?—1與2—2過水?dāng)嗝鎸鶞?zhǔn)面建立能量方程，即可解決簡單管道的水力計(jì)算問題，并可建立一般計(jì)算公式。

簡單管道自由出流水力計(jì)算公式

Q??cA2gH0

式中，c稱為管道系統(tǒng)的流量系數(shù)，它反映了沿程水頭損失和局部水頭損失對過流能力的影響。計(jì)算公式為

??c?1??1l???d

當(dāng)行近流速水頭很小時(shí)，可以忽略不計(jì)，上述流量公式將簡化為

Q??cA2gH

二.二三.

四.吞噬出流水力計(jì)算公式

Q??cA2gz

?c??1?式中，c稱為管道系統(tǒng)的流量系數(shù)

比較自由出流和吞噬出流公式可以看出，吞噬出流時(shí)的有效水頭是上下游水位差z；而自由出流時(shí)的作用水頭則是出口斷面中心至上游水面的距離。此外，兩種狀況下的流量系數(shù)表達(dá)式雖然不同，但當(dāng)管道布置形式及管徑一致時(shí)，其流量系數(shù)的數(shù)值卻是相等的（為什么？）。

上述簡單管道水力計(jì)算基本公式中同時(shí)考慮了管道的沿程水頭損失和局部水頭損失，顯然是按短管計(jì)算的。

若管道為長管，則計(jì)算過程將大大簡化，具體如下。

長管自由出流

l???d

H?hf

f長管吞噬出流注意，簡單管道水力計(jì)算的基本依據(jù)是連續(xù)方程和能量方程，其中水頭損失的計(jì)算尤為重要，既不能遺漏，又不能多算。關(guān)于沿程水頭損失的計(jì)算，常用的有兩個(gè)公式：達(dá)西——

z?h??魏斯巴赫公式和謝才公式。這兩個(gè)公式可通過關(guān)系式

由謝才公式可得

8g8gC??聯(lián)系起來。C2或

v2lQ2lQ2hf?2?22?2l?S0Q2lCRACRK

hfQ?K?KJl或

式中，J為水力坡度；K稱為流量模數(shù)，表示水力坡度J?1時(shí)通過的流量，K與流

1S0?2K，稱為比阻，表示單位管長在單位流量時(shí)的水頭損失，其量Q具有一致的單位。

單位為s/m。

水利工程中的水流絕大多數(shù)處于紊流的阻力平方區(qū)，故謝才系數(shù)可用曼寧公式計(jì)算，此時(shí)，相應(yīng)的沿程阻力系數(shù)λ、流量模數(shù)K，比阻

26S0可按下式計(jì)算

n2d

13??124.5K?0.3117

dn

83S0?10.29

n2d163

管道水力計(jì)算的主要任務(wù)之一是水頭損失的確定，而水頭損失又與液流型態(tài)有關(guān)，不同的流態(tài)有不同的阻力系數(shù)。計(jì)算水頭損失的關(guān)鍵在于阻力系數(shù)的確定。一般水工輸水道內(nèi)的

水流絕大多數(shù)屬于紊流的阻力平方區(qū)。給水工程中，給水管道的水流一般屬于紊流的阻力平方區(qū)與紊流的過渡粗糙區(qū)。對于水電站廠房內(nèi)的油管，因油管內(nèi)的流速較小，液流一般為層流。輸送粘稠液體的管道，因液體的粘滯系數(shù)很大，也往往屬于層流。因此，進(jìn)行水頭損失計(jì)算時(shí)，首先應(yīng)按前面介紹的方法進(jìn)行流態(tài)、流區(qū)判別，然后選用適合的阻力系數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。

工程實(shí)際中廣泛采用鋼管、鑄鐵管、混凝土和鋼筋混凝土管、石棉水泥管、塑料管輸送流體。對這類自然粗糙的工程實(shí)用管道，各個(gè)工程領(lǐng)域往往針對其常用的某些管材進(jìn)行專門的試驗(yàn)研究，得出其沿程水頭損失系數(shù)計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式或圖表，并為工程實(shí)際計(jì)算所采用。這樣做的好處是避免了對每種實(shí)用工程管道當(dāng)量粗糙度選擇的任意性和困難性。更詳細(xì)的資料可參考水力計(jì)算手冊（或?qū)I(yè)水力計(jì)算手冊）。對重要的水工建筑物或特別的局部損失，有時(shí)需要進(jìn)行專門的試驗(yàn)來確定其系數(shù)。

三、簡單管道水力計(jì)算的基本類型

恒定管流水力計(jì)算的基本類型有以下幾類。

1計(jì)算輸水能力

當(dāng)管道布置形式、管長、管徑、作用水頭已知時(shí)，可按簡單管道水力計(jì)算公式計(jì)算流量。

2計(jì)算作用水頭

當(dāng)管道布置形式、管長、管徑、流量已知時(shí)，可按簡單管道水力計(jì)算公式計(jì)算作用水頭。

3確定管徑

（1）當(dāng)管道布置形式、管長、流量、作用水頭均已知時(shí)，管徑是一個(gè)確定的數(shù)值，完全由水力學(xué)條件確定。

對長管

K?Qhl

求出流量模數(shù)之后，可直接求得管徑。

對短管

d?4Q??c2gH0因c又與管徑d有關(guān)，此時(shí)不能直接求解，需試算確定管徑。

（2）當(dāng)管道布置形式、管長、流量、已知時(shí)，要求確定管徑和作用水頭兩者。這種狀況下，管徑d則由技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件確定，即需要從技術(shù)經(jīng)濟(jì)兩方面綜合考慮確定管徑。

①從管道使用的技術(shù)要求考慮，流量一定時(shí)，管徑的大小與流速有關(guān)。若管內(nèi)流速過大，會由于水擊作用而使管道遭到破壞；對水流中挾帶泥沙的管道，管道流速又不能過小，流速太小往往造成管道淤積。一般要求水電站引水管道v?(5~6)m/s，一般給水管道

?

v?(2.5~3.0)m/s，同時(shí)要求v?0.25m/s。②從管道的經(jīng)濟(jì)效益考慮，選擇的管徑較小，

管道造價(jià)較低，但管內(nèi)流速大，水頭損失增大，年運(yùn)行費(fèi)高；反過來，選擇的管徑較大，管道造價(jià)較高，但管內(nèi)流速小，水頭損失小，年運(yùn)行費(fèi)低。針對這種狀況，提出了經(jīng)濟(jì)流速e的概念。經(jīng)濟(jì)流速是指管道投資與年運(yùn)行費(fèi)總和最小時(shí)的流速，相應(yīng)的管徑稱為經(jīng)濟(jì)管徑。即采用經(jīng)濟(jì)流速來確定管徑。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，水電站壓力隧洞的經(jīng)濟(jì)流速約為(2.5~3.5)m/s，

vv?0.6~1.0m/s；

壓力鋼管(3~6)m/s。一般的給水管道，d?100~200mm，ed?200~400mm，ve?1.0~1.4m/s。

經(jīng)濟(jì)流速涉及的因素較多，比較繁雜。選擇時(shí)應(yīng)注意因時(shí)因地而異。重要的工程應(yīng)選擇幾個(gè)方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。選定經(jīng)濟(jì)流速之后，經(jīng)濟(jì)管徑可按下式計(jì)算

de?d4Q?v

求出e并進(jìn)行規(guī)格化處理之后，驗(yàn)證管道流速，要求這個(gè)流速值必需滿足管道使用上對流速的技術(shù)要求。

當(dāng)確定出管徑之后，作用水頭的計(jì)算按上述其次種類型計(jì)算即可。

4確定斷面壓強(qiáng)的大小

已知管線布置、管長、管徑、流量及作用水頭，求某一斷面壓強(qiáng)的大小。

管道中的水流除局部管段以外，大部分是漸變流或均勻流。任一斷面i處的壓強(qiáng)可由下式計(jì)算

pi?從上式可以看到，總水頭

?H0?zi??ivi22g?h?0?i

H0一定時(shí)，vi、zi、h?0?i越大，則該斷面的壓強(qiáng)越低。如

果i、?0?i一致，則i斷面的壓強(qiáng)大小就取決于該斷面的位置高度i。因此，實(shí)用上可通過調(diào)整管線布置來改變管道內(nèi)部的壓強(qiáng)分布。對于布置形式一定的管道，只要繪出測壓管水頭線，便可以便利地知道沿管線各斷面的壓強(qiáng)變化。將各斷面的測壓管水頭連線按一定比例繪制在管道布置圖中即為測壓管水頭線，將各斷面的總水頭連線按一定比例繪制在管道布置圖中即為總水頭線。測壓管水頭線和總水頭線可以直觀地反映位能、壓能、動能及總能量的沿程變化狀況。管道中心線與測壓管水頭線之間的間距反映壓強(qiáng)水頭的大小，當(dāng)測壓管水頭線在管道中心線之下時(shí)，管道中即出現(xiàn)了真空。

有時(shí)，只需粗略地繪出水頭線，而不必進(jìn)行上述定量計(jì)算。在這種狀況下，只需依照水頭線的特點(diǎn)，定性繪出水頭線即可。根據(jù)能量守恒及轉(zhuǎn)化規(guī)律，總水頭線和測壓管水頭線具有如下特點(diǎn)：

(1）總水頭線比測壓管水頭線高出一個(gè)流速水頭，當(dāng)流量一定時(shí)，管徑越大，總水頭線與測壓管水頭線的間距（即流速水頭）越??；管徑不變，則總水頭線與測壓管水頭線平行。

(2）總水頭線總是沿程下降的，當(dāng)有沿程水頭損失時(shí)，總水頭線沿程逐漸下降，當(dāng)有局部水頭損失時(shí)，假定局部水頭損失集中發(fā)生在局部變化斷而，總水頭線鉛直下降。

(3）測壓管水頭線可能沿程上升（如突然擴(kuò)大管段），也可能沿程下降（一般狀況）。(4）總水頭線和測壓管水頭線的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)由管道進(jìn)出口邊界條件確定。

vhz第三節(jié)簡單管路的設(shè)計(jì)計(jì)算舉例

一．虹吸管的水力計(jì)算

虹吸管是指一部分管軸線高于上游水面，而出口又低于上游水面的有壓輸水管道。出口可以是自由出流，也可以是吞噬出流。

虹吸管的工作原理是：先將管內(nèi)空氣排出，使管內(nèi)形成一定的真空度，由于虹吸管進(jìn)口處水流的壓強(qiáng)大于大氣壓強(qiáng)，在管內(nèi)外形成了壓強(qiáng)差，從而使水流由壓強(qiáng)大的地方流向壓強(qiáng)小的地方。保證在虹吸管中形成一定的真空度和一定的上下游水位差，水就可以不斷地從上游經(jīng)虹吸管流向下游。

虹吸管水力計(jì)算的主要任務(wù)是確定虹吸管的流量及其頂部安裝高度。流量的確定按簡單管道水力計(jì)算類型一給定的方法或公式確定。安裝高度的確定可按下式計(jì)算。

?

為保證虹吸管正常工作，工程中往往限制虹吸管中的真空度不得超過允許值（一般為6~7m水柱）。受允許吸上真空高度值的限制，虹吸管的安裝高度顯然不能太大。

二、離心泵裝置的水力計(jì)算

泵是能將動力機(jī)械的機(jī)械功轉(zhuǎn)變?yōu)樗鳈C(jī)械能的水力機(jī)械。離心泵是最常用的一種水泵。

吸水管、離心泵及其配套的動力機(jī)械、壓水管及其管道附件組成了離心泵裝置。

離心泵的抽水過程是：通過離心泵葉輪的轉(zhuǎn)動，使水泵入口端形成真空，使水流在水池水面大氣壓強(qiáng)作用下沿吸水管上升至水泵進(jìn)口。水流經(jīng)過水泵時(shí)，獲得泵加給的機(jī)械能，再經(jīng)壓水管進(jìn)入水塔和用水地區(qū)。

離心泵管路系統(tǒng)水力計(jì)算的主要任務(wù)是確定水泵的安裝高度和水泵揚(yáng)程。離心泵安裝高度是指水泵轉(zhuǎn)輪軸線超出上游水池水面的幾何高度。

（１）水泵安裝高度的確定水泵安裝高度計(jì)算公式

lv2zs??(?2?????)?d2gpa?p2?式中，為斷面泵進(jìn)口斷面的真空度。過大的真空度將引起過泵水流的空化現(xiàn)

pa?p2象，嚴(yán)重的空化將導(dǎo)致過泵流量減少和水泵葉輪的空蝕。這樣，就不能保證泵的正常工作。

為此，各水泵制造商對各種型號的水泵的允許真空值都有規(guī)定。應(yīng)用過程中應(yīng)從產(chǎn)品樣本中查閱相應(yīng)型號水泵的允許真空值，避免粗略估