第4章 多相流管网水力特征与水力计算

4.1.1.3 立管中水流状态
排水立管上接各层排水横支管，下接横干管或排出管， 立管内水流呈竖直下落流动状态，水流能量转换和管内压
力变化剧烈。 （1）排水立管水流特点
1）断续的非均匀流 2）水气两相流 3）管内压力变化
图4-1-3 排水管内压力分布示意图
（2）排水立管中水流流动状态
1）附壁螺旋流
vf
4d1(1 )g （4 3 1） 3CR
粉状物料与粒状物料，根据不同的雷诺数，可得不同 的计算公式。
若气体处于静止状态，则vf是颗粒的沉降速度；若颗粒 处于悬浮状态，则vf是使颗粒处于悬浮状态的竖直向上的气 流速度，称为颗粒的悬浮速度。
（2） 气固两相流中物料的运动状态
排水量较小，立管中心气流仍旧正常，气压较稳定。这种状态历时很短 。
2）水膜流
有一定厚度的带有横向隔膜的附壁环状流。随水流下降流速的增加，水膜所 受管壁摩擦力增加。当水膜受向上的管壁摩擦力与重力达到平衡时，下降速 度和厚度不再发生变化，这时的流速叫终限流速（vt）。从横支管水流入口 至终限流速形成处的高度叫终限长度（lt）。横向隔膜不稳定 ，形成与破坏 交替进行 。在水膜流阶段，立管内气压有波动，但其变化不会破坏水封。
➢ 水击产生及防止
蒸汽管路中的凝水不能顺利排走，遇到阻碍，在高速下（>20m/s) 与管壁、管件撞击。
尽量汽、水同向流，逆向流时采用低流速；及时排除凝水。
➢ 系统引入和排除空气
停止运行时，引入空气以排除凝水；开始运行，排除空气。
➢ 凝结水回收
重力回水 余压回水 机械回水
➢ 二次蒸汽利用
4.2.2 室内低压蒸汽供暖管网水力计算
4.2.3 室内高压蒸汽供暖管网水力计算
（1）蒸汽管道： 压损平均法
Rm

0.25P l
• 假定流速法
汽、水同向流动时 <80m/s
汽、水逆向流动时 <60m/s 推荐采用 15～40m/s（小管径取低值）
• 限制平均比摩阻法
高压蒸汽供暖的干管的总压降不应超过凝水干管总压 降的1.2～1.5倍
(1) 影响排水立管内部压力的因素
确保立管内通水能力和防止水封破坏是建筑内部排 水系统中两个最重要的问题，这两个问题都与立管内压 力有关。最大负压：
P1

(1

l dj

K)
vt2
2
（2）稳定立管压力增大通水能力的措施
❖ 减小终限流速 ❖ 减小水舌阻力系数K
4.1.2 建筑排水管网的水力计算
4.1.2.3 通气管道计算
❖ 按工程实际情况，查取有关手册、参考资 料确定。
自学【例4-1】
❖ 参考书： 《建筑给水排水工程》（第四版）
4.1.3 空调凝结水管路系统的设计
❖ 各种空调设备（例如风机盘管机组，柜式 空调机，新风机组，组合式空调箱等）在 运行过程中产生凝结水。
❖ 较之建筑排水管网，凝结水管网内的流动 稳定性要好得多，气压波动很小。
c点是临界状态 点，此时颗粒群 刚处于完全悬浮 状态，阻力最小。 临界状态的流速
称为临界流速。
（4） 气固两相流管网的主要参数
1）料气比：单位时间内通过管道的物料量与空气
量的比值。根据经验，一般低压吸送式系统
μ1=1～4，低压送式系统μ1=1～10，循环式系 统μ1=1左右，高真空吸送式系统μ1=20～70。
❖ 设计要点：管材；坡度；水封；通气；保 温；冲洗的可能性。
通常，可以根据机组的冷负荷Q（kW） 按下列数据近似选定冷凝水管的公称直径：
Q≤7kW时， Q=7.1～17.6kW时， Q=17.7～100kW时， Q=101～176kW时， Q=177～598kW时， Q=599～1055kW时， Q=1056～1512kW时， Q=1513～12462kW时， Q＞12462kW时，
因此，物料速度v1小于输送风速v。物料速
度与输送风速之比称为速比。
v1 0.9 7.5
v
v
4.3.2 气固两相流管网水力计算
❖ 两相流的阻力看作是单相气流的阻力与物料颗 粒引起的附加阻力之和。
❖ 分别计算：
1）喉管或吸嘴的阻力 2）物料的加速阻力 3）物料的悬浮阻力 4）物料的提升阻力 5）管道的摩擦阻力 6）弯管阻力 7）分离器阻力 8）其他部件的阻力
增，水汽混合；立管进入横总管，流速急降，水
气分离。
（2）水封
❖ 水封 ❖ 水封位置 ❖ 水封高度 ❖ 水封破坏
4.1.1.2 横管内水流状态
（1）能量
K
v02 2g

he

v2 2g
（2）状态
图4-1-1 横管内水流状态示意图 1-水膜状高速水流；2-气体
（3）管内压力
1）横支管内压力变化
2）横干管内压力变化 更为剧烈。特别注意对 建筑下部几层横支管的 影响，要与横干管保持 一定的垂直距离。
Q dj
5
1
Q 1
2
lt
0.44( Kp
) 10 ( dj
)5
4.1.1.4 排水管在水膜流时的通水能力
Q

1 10 Wt
vt

1
10
Wj
vt
Wj

d
2 j
4
1
Q

0.0365
1 Kp
10

5 3

d
8
3 j
4.1.1.5 影响立管内压力波动的因素及防止措施
❖ 竖直管道中，要使物料悬浮，所需速度比 理论悬浮速度大得多；
❖ 水平管中，气流速度不是使物料悬浮的直 接动力，所需速度更大。
❖ 输料管内气固两相流的运动状态，随气流 速度和料气比的不同而改变：分别呈悬浮 流 、底密流 、疏密流 、停滞流 、部分 流 、柱塞流状态。
（3）气固两相流的阻力特征
图4-3-3 两相流阻力与流速的关系
❖ 管段C—D
饱和凝水。按资用动力确定平均比摩阻， 利用室外供热计算表确定管径。
❖ 管段D—E
凝水泵输送凝水，满管流。按流速 1~2m/s，用室外供热计算表确定管径并计算阻 力、确定水泵所需扬程。注意修正。
4.3 气固两相流管网水力特征与水力计算
4.3.1 气固两相流水力特征 （1）物料的沉降速度和悬浮速度
❖ 流速限制
汽水同向：<30m/s 汽水逆向：<20m/s 实际采用更低。
❖ 蒸汽供暖管网的“周期性”和“自调 节性”
原因：疏水器的作用
（2）凝水管路
❖ 干凝水管路
非满管流。按负担的热负荷查表确定管 径。前提：坡度0.005。
❖ 湿凝水管路
按负担的热负荷查表确定管径。 计算表参考《供热工程》（第三版）
a Wt Wj
a 1 ,附壁螺旋流； 4a Nhomakorabea 1 ~ 1 ,水膜流； 43
a 1 ,水塞流。 3
（3）水膜流运动的力学分析
❖ 水膜区以水为主的水气两相流，忽略气； ❖ 气核区以气为主的气水两相流，忽略水。 ❖ 经分析推导，得出：
1
2
vt
1.75
1 Kp
10


（1）蒸汽管路 ❖ 资用动力
锅炉出口（或建筑物采暖管网入口）蒸汽压力。
❖ 密度：常数。 ❖ 计算方法
压损平均法－－平均比摩阻
Rm

(Pg
P0 ) l
P0一般取2000Pa；Pg较大时，Rm可能很大，可能导 致流速过大。这时，控制比摩阻<100Pa/m。
❖ 计算次序
最不利管路－－其他管路
❖ 管段A—B
散热设备—疏水器。非满管流。前面已在“室内高压蒸 汽供暖管网水力计算”中介绍。
❖ 管段B—C
乳状混合物的两相流。
要计算混合物的密度。按（4-2-13）（4-2-14）。 1）疏水器—二次蒸发箱 2）疏水器—凝结水箱（沿图中绿色管道路径） 对于1），距离较短，按余压凝水管道计算表计算、修正； 对于2），按室外热水管网水力计算表计算、修正。 局部阻力按百分数估计。
第4章 多相流管网水力特征与 水力计算
4.1 液气两相流管网水力特征与水力计算
工程背景： ❖ 建筑排水管网 ❖ 空调凝结水管网 ❖ 蒸汽供暖管网
4.1.1 液气两相流管网水力特征
4.1.1.1 建筑内部排水流动特点及水封 （1）流动特点 • 气、液、固均存在，固较少，视为液气两相流。 • 水量、气压时变幅度大。 • 流速随空间变化剧烈 。横支管进入立管，流速 激
4.1.2.1 横管的水力计算 1、设计规定 （1）充满度 （2）自净流速 （3）管道坡度 （4）最小管径
2. 横管水力计算方法
❖ 对于横干管和连接多个卫生用水器具的横 支管，应逐段计算各管段的排水设计秒流 量，通过水力计算来确定各管段的管径和 坡度。建筑内部横向管道按明渠均匀流公 式计算。
q W v
3）水塞流
随排水量继续增加，水膜厚度不断增加，隔膜下部压力不能冲破水膜，最后 形成较稳定的水塞。水塞向下运动，管内气体压力波动剧烈，水封破坏，整 个排水系统不能正常使用。
❖ 这3个阶段流动状态的形成与管径和排水量有 关。也就是与水流充满立管断面的大小有关。
❖ 排水立管内的水流状态应为水膜流。实验表明， 在设有专用通气立管的排水系统中：
m3 / s
qu 0.12 NP qmax L/s
v

1
2
R3

I
1 2
m /s
n
水力计算表见《建筑给水排水工程》（第四版）附录6-1和6-2
4.1.2.2 立管水力计算
❖ 排水立管按通气方式分为普通伸顶通气、 专用通气立管通气、特制配件伸顶通气和 无通气四种情况。