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1、1/15,第七章 压力管路、孔口、管嘴,1 简单长管的水力计算 2 复杂管路的水力计算 3 短管的水力计算 4 水击现象 5 孔口与管嘴,2/15,7-1 简单长管的水力计算,前面两章详细介绍了流体流动的基本原理。介绍这些基本原理的目的是为了工程应用,尤其是石油工程方面的应用。 一个很重要的方面是应用于管路的水力计算,而管路水力计算的目的是设计管路及优化使用管路。,7-1 简单长管的水力计算,液体在一定的压差作用下流动的管路,称为压力管路。压力管路水力计算时,根据沿程水头损失和局部水头损失所占比例,分为两类: 长管:局部水头损失和流速水头在能量方程中所占的比重较小,以致在计算中可以忽略不计的压
2、力管路; 短管:局部水头损失和流速水头在能量方程中所占的比重较大,以致在计算中不能忽略的压力管路。 辨析:长管和短管并不是按照几何长度来划分的,而是按照局部水头损失以及流速水头所起的作用来划分的。 辨析:一般来说,室外管路多属于长管,如油田的地面集输管路和外输管路。室内管线多属于短管,如联合站、计量间内管件较多的管路。 简单长管是指液体从入口到出口均在同一等直径管道中流动,没有出现流体的分支或汇合的管路。复杂管路,如串联管路、并联管路、分支管路和管网等。,7-1 简单长管的水力计算,忽略局部水头损失和速度水头,能量方程为:,对于层流流动,对于紊流的水力光滑,紊流混合摩擦区、完全粗糙区,查莫迪图
3、或其他公式,沿程水头损失的达西公式,注:,也可以把阻力系数代入,进一步写成系数, 具体取值见表7-1,7-1 简单长管的水力计算,工程实际中,简单长管的设计计算问题可归结为以下三类: 第一类问题:已知地形、流体性质、输送量、管路几何尺寸,计算管路的水头损失或者压降; 第二类问题:已知地形、流体性质、管路几何尺寸和允许压降,计算管路的输送量; 第三类问题:已知地形、流体性质、输送量、管长,(压降未知),设计计算最佳管径。 对于第一类问题,根据已知条件可以直接计算得到结果。对于后两类问题,由于输送量或者管径未知,无法求取流体流动的雷诺数,即无法判断流态也不能确定摩擦系数,需要采用试算法或迭代法求解
4、。,7-1 简单长管的水力计算,1.第一类问题 已知管径、管长和地形(即管路起点和终点的地面标高),根据给定的输送量,计算管路中的压降。这类问题无论是在管路初步还是正式设计的计算中,都会经常遇到。解决这类问题的计算步骤是: 根据给定的流量,管径和液体性质,算出雷诺数,确定流动状态; 确定沿程阻力系数 ,计算水头损失hf; 由能量方程计算压降。,7-1 简单长管的水力计算,2.第二类问题 已知管径、管长和地形,在一定压降限制下,确定当某种液体通过时最大输送量。由于流量是未知数,无法先判别流动状态,可用试算法。计算步骤为: 利用能量方程求出水头损失hf 值; 然后假设流动状态,沿程阻力系数 ,求出
5、输送量Q; 验算流态,如果假设正确则所求得的输送量为正确值,否则重新假设。,7-1 简单长管的水力计算,对前两类问题,也可以先做出图72所示的管路特性曲线,然后由管路特性曲线求解。下面以第二类问题为例,给出如下的求解步骤: 先设定几个不同的流体和输送量,按照第一类问题的算法,求出相应的水头损失hf ; 绘制管路特性曲线; 由给定的压降,依据能量方程求出水头损失hf ; 再由求得的hf值,从管路特性曲线上查出相应的流量。,7-1 简单长管的水力计算,3.第三类问题 已知管长、地形、流体性质和输送量,要求设计最经济的管径。在这类问题中,管径和压降都是未知数。在一定的流量下,管径的大小直接影响流速的
6、大小和流动状态的变化,也就影响水头损失(压降)的大小。 小管径,材料省,轻便,造价低;但管径小,流速大,水头损失大,需要高位水塔或大功率输液泵,增加了设备费和养护费。大管径,管材多,重量大,运输和安装不便,保温费用多,造价高;但管径大流速小,水头损失小,设备投资和运转费较省。 管中流速过大,管子易磨损,迅速关闭阀门时,产生较大水击压力,造成管子爆裂。反之,管中流速过小,液体中的质易在管中沉淀,侵蚀管壁并增大摩擦阻力。 因此,管径的选择必须全面考虑各方面的利弊,即要保持一定的流速,又要符合经济要求,使操作管理方便,输液成本尽可能节省。 根据经验,一般油田内部管路中的液体流速以12米/秒左右为宜,
7、外输管路中的流速可取13m/s。在进行初步设计时,可参考表72推荐的经济流速。,7-1 简单长管的水力计算,第三类问题: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; 按照选择的管径,求出相应的实际流速; 根据实际流速、管径和油品粘度,求出雷诺数,判别流动状态,进一步求出水头损失; 由总水头损失及压力确定泵的扬程和功率,从而算出每年动力消耗费用; 计算出全部设备每年平均的折旧费; 把选用不同管径时,每年所需的全 部开支一一算出; 以管径为横坐标,年费用为纵坐标, 绘成曲线,如图73。,7-1 简单长管的水力计算,例71 水平的铸铁管线,长度L=800m,内径D=
8、0.5m,绝对粗糙度=1.2mm,以Q=1000m3/h的输送量输水(=0.001Pas),试求压降。,7-1 简单长管的水力计算,例72 用1084mm,长度为2000m,绝对粗糙度为0.02mm的水平管道输送密度为850kg/m3,粘度为5.010-3Pas的原油,设允许的压降为0.2MPa,试求原油的输送量。,7-1 简单长管的水力计算,例73 一管路总长为70m,要求输水量为30m3/h,允许的水头损失为4.5m。假设管材的绝对粗糙度为0.2mm,水的粘度为0.001Pas,试求管径。,7-2 复杂管路的水力计算,由不同直径的管段依序连接而成的管路称为串联管路。自一点分支,而又汇合于另
9、一点的两条或两条以上的管路称为并联管路。这两种管路是计算复杂管路的基础。下面分别讨论其水力特点和计算方法。,一、串联管路,二、并联管路,三、分支管路,7-2 复杂管路的水力计算,一、串联管路,图74图表示三种不同直径管段的串联。虚线箭头表示该点接有支线,分出一部分液流。干线各段的流量用Q表示,支线分出的流量用q表示。图中阴影线表示水头损失状况。串联管路的特点:,各节点处,流进和流出的流量平衡。它反映了质量守恒的连续原理,即流入与流出节点的流量的代数和为0,则有,全段的总水头损失为各段水头损失的总和,即,7-2 复杂管路的水力计算,例75 图示一个串联管路,管径、管长、沿程阻力系数和流量分别标于
10、图中。试按长管计算所需的水头为若干?,7-2 复杂管路的水力计算,例75 图示一个串联管路,管径、管长、沿程阻力系数和流量分别标于图中。试按长管计算所需的水头为若干?,。,7-2 复杂管路的水力计算,二、并联管路, 各并联管内流量的总和等于自A点流入各管的总流量,即, 各并联管内的水头损失相等,即,7-2 复杂管路的水力计算,例76 今有输送原油的并联管路,已知输送量为204m3/h,运动粘滞系数=0.4210-4m2/s,管径分别为0.156m和0.203m,管长依次为10km和8km。试求两管内的流量及水头损失。,解: 由于Q1和Q2都是未知数,流动状态无法确定,因此对这类问题,只有采用试
11、算法解决。先假设流动是在水力光滑区,待求出流量后再对流动状态进行校核。,7-2 复杂管路的水力计算, 假设流动是在水力光滑区,则,水头损失的关系式hf1=hf2可得,流量关系式Q=Q1+Q2,,,,, 校核流动状态,属水力光滑区, 确定水头损失:,21/15,三、分支管路,例77 从泵房A向三个罐区输油。设计流量为一号罐区60m3/h,二号罐区50m3/h,三号罐区50m3/h;各点的高度以m计,标于旁;各管段的长度以m计,标于图中。各罐最大油面高度为11m,油面蒸汽压力为0.25m油柱,油品的运动粘度系数为710-6m2/s,油品的密度为830kg/m3,试计算各管段的直径和输液泵的出口压头
12、。,7-2 复杂管路的水力计算,7-3 短管的水力计算,液体由贮液箱经短管流到大气中,管路上装有两个相同的弯头和一个阀门,管段L1、L2和L3的沿程阻力系数、管径和流速分别为1、D1和v1;管段L4和L5则分别为2、D2及v2。,7-3 短管的水力计算,能量方程,v1=(D2/D1)2v2,水头损失,管系阻力系数,管系流量系数,7-3 短管的水力计算,当流量较小时,管路处于层流,这时H 与Q 成直线关系; 当流量较大时,流动状态过渡到紊流,这时的管路特性曲线为曲线。,7-3 短管的水力计算,例78 图示水力循环系统,水的粘度10-6m2/s,管子为普通镀锌管,内径均为0.05m,每个圆弯头局部
13、阻力系数为0.6,进口阻力系数为0.5,系统内的流量为0.2m3/min。求 阀门的局部阻力系数; 管系阻力系数和全管路的水头损失; 泵的扬程和有效功率。,7-3 短管的水力计算,例78 图示水力循环系统,水的粘度10-6m2/s,管子为普通镀锌管,内径均为0.05m,每个圆弯头局部阻力系数为0.6,进口阻力系数为0.5,系统内的流量为0.2m3/min。求阀门的局部阻力系数;管系阻力系数和全管路的水头损失;泵的扬程和有效功率。,解:阀门的局部阻力系数,7-3 短管的水力计算,计算全管路的水头损失,普通镀锌管的=0.39mm,查莫迪图可得=0.0357。管线总长L=17.3m,管系的阻力系数为
14、,则全管路的水头损失为,例78 图示水力循环系统,水的粘度10-6m2/s,管子为普通镀锌管,内径均为0.05m,每个圆弯头局部阻力系数为0.6,进口阻力系数为0.5,系统内的流量为0.2m3/min。求阀门的局部阻力系数;管系阻力系数和全管路的水头损失;泵的扬程和有效功率。,例78 图示水力循环系统,水的粘度10-6m2/s,管子为普通镀锌管,内径均为0.05m,每个圆弯头局部阻力系数为0.6,进口阻力系数为0.5,系统内的流量为0.2m3/min。求阀门的局部阻力系数;管系阻力系数和全管路的水头损失;泵的扬程和有效功率。,7-3 短管的水力计算,泵的扬程和有效功率,,,7-4 水击现象,由
15、于某种原因引起管内液体流速突然变化时,例如迅速开关阀门,突然停泵等,都会引起管内压力突然变化,这种现象叫做水击现象。这种压力变化由于管壁和液体的弹性作用,造成压力波在管内迅速传播,常常可以听到液体对管壁的锤击声,所以又称水击为水锤。 水击压缩波:在管路中,这种压力变化是由于液体的惯性造成的。如果液体原来以某一流速v流动,突然使之停止,即在很短的时间内使流速变为零,由于流速的突然变化,引起惯性水头的作用使压力随之突然增加。 水击膨胀波:反之,当原来是静止的液体,突然使其产生一流速v时,同样由于惯性水头的作用使压力突然降低。 水击压力:这种增加或降低的压力叫做水击压力。水击压力是一个可观的数值,有
16、时会引起管子的爆裂,因此必须给予足够的注意。,7-4 水击现象,7-4 水击现象,当阀门突然关闭时,在无限小的t时刻内,与阀门紧邻的一层液体首先停止流动。则一层液体的体积为As,其质量为As,由动量定理可以写出:,式中:c为压力的传播速度。,水击压力的计算公式,E0为管材的弹性系数,E为液体的弹性系数,液体内的音速,,管道直径,以上讨论的是指阀门关闭很快,当压力波传递一个往返时间t0=2L/c之前已经把阀门全部关死的情况,称之为直接水击。 如果关闭阀门的时间为TM ,且TM t0,这种水击成为间接水击。间接水击的压强要比直接水击小,一般可用经验公式计算,即,7-4 水击现象,7-4 水击现象,例79 用1084的钢管输水时,水击