流体力学第十一章.
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第十一章 流体力学在流体输 配管网中的应用
第一节 流体输配管网水力计算
第二节 管网水力工况与水力稳定性分析
2018/10/19
1
§11-1 流体输配管网水力计算
一、管网水力计算的目的与任务
水力计算目的： 合理地确定管网中各管段的管径和系统所需的作用水头 或动力设备，使系统安全可靠、经济有效的完成输送任务。
7 5 4
2 qv2=5000m3/h
6、确定支线的流量: q v3-4=2500m3/h q v2-5=5000m3/h 7、确定支线的管径 以3-4段为例：
2 p S q w 3 4 P v pw 1 4
8 ( Sp
L3 4 3 4 ) d 3 4 2 d 4 3 4
2018/10/19 15
2）计算ED和DF管段的损失 L v2 100 1.82 0.025 5.5( m ) ED: hw d 2g 0.075 2 9.81
DF：
L v2 50 22 hw 0.025 5.1( m ) d 2g 0.05 2 9.81
ED 管段长度(m ) 100 流速(m/s) 1.5~2.0 摩擦阻力系数 0.025
DF
DG B F D
50
45
1.5~2.5
1.5~2.5
0.025
0.025
求：1）确定各管段的管径， G C Zc 2）确定水泵型号。 （只计阀门局阻）
ZB
A
E
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14
解：E-D-F为主干线 1） 确定ED和DF管段的管径 根据： d ED:
4 d3
根据管材规格确定3-4段的标准直径 d 3 4 并计算实际损失 pw3-4 8、校核不平衡率是否满足要求 计算不平衡率：
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pw 1 4 pw 3 4 100% pw 1 4
例2：用同一台离心泵由水池A向高位槽B和C供水，高位槽B和C的水面高 出水池水面A分别为ZB＝25m，Zc=20m。当阀门处于某一开度时（=24）， 向B槽和C槽的供水量恰好相等，即q vB=q vC=4L/s。管段长度、经济流速及 管内摩擦阻力系数如下：
k ——沿程损失占总损失的估算百分数，
2018/10/19
19
例3：某厂区热水供应系统平面布置如图所示。A点为热源，D、
E、F为热用户。各管段的长度、闸阀布置和方形补偿器的布置、 个数如图中所示。已知：热用户D、E、F的热水量分别为： qvD=20t/h， qvE=14t/h，qvF=10t/h，各热用户内部的压力损失为 5×104Pa，热源内部损失为10kPa。试确定各管段的管径及水泵 的扬程和流量。（主管线经济比摩阻为30~70Pa/m，支线的沿程 损失与总损失的比约为0.6；要求不平衡率小于15%、支线管内 流速；管内平均水温为100C）。
5）确定水泵型号
流量：q v风=1.1q v
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扬程：H=1.1H泵
B
F
D
G
C Zc
ZB A
6）确定DG段管径 在A和C两自由液面列能量方程 ：
E
2 2 pC vC pA vA zA H泵 z B hwA D hwDG 2g 2g
hwDG H 泵 （zC z A） hwAD 35.6 20 5.5 10.1m
8 3 6
风机
qv3=2500m3/h 1 qv1=2500m3/h
7 5 2 4、计算主干线各管段的损失 4
qv2=5000m3/h 以1-4为例：
8 ( Sp
L14 1 4 ) d 1 4 5 90 . 99 kg / m 4 2 d 1 4
, pw5-8
6
计算方法与步骤：
（5）计算主管线上各管段能量损失及总损失。(工程上有简 便方法) （6）确定系统所需的作用压力 （根据能量方程确定）。 开式系统：
H0 hw H y z
闭式系统：
H 0 hw
通风管路： p0 pw （7）选择动力设备
qv设 1.1qv系统
H设 1.1H系统 ( pv设 1.1 pv系统 )
qv1=2500m3/h
2 qv2=5000m3/h
解：1、确定主干线1-4-5-6-7-8 2、确定各管段流量： qv1-4=2500m3/h qv4-5=5000m3/h qv5-8=10000m3/h 3、确定主干线各管段管径 以1-4段为例:
d
qv1-4=2500m3/h=0.695m3/s，取限定流速为 6m/s，
4、已知各管段流量和管径，确定所需系统作用压力
二、管网系统型式及其特点
枝状管网
用户支线闭 合回路
风 机
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环状管网 排风系统
3
城市配水管网
枝状管网与环状管网比较：
特点 优点 缺点 运用 呈树枝状 管线总长度较短， 建设费用低 可靠性差 采暖的室外管道， 通风管路系统 呈闭合环路 可靠性较高 可靠性较高 管线长，造价高 采暖室内管网、 城镇配水管网
4 qv 4 0.695 0.384m 根据管材规格：取 d1-4=380mm， ve 3.14 6 4 qv 管径合适 v 实际流速： 1 4 d 2 6.15m / s
同理： 4-5 段 d 4-5=470mm； 5-6-7-8段 d 5-8=600mm；
2018/10/19 11
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2. 新建枝状管网支线（或枝状管网扩建）的计算
新建管网支线的计算与主管线计算的不同之处是，除管网布置已 定、用户流量和用户所需作用压力已知外，支线上的资用压力已定， 只需确定各管段直径。(属于第二类计算任务)
计算方法与步骤：
（1）按节点流量平衡条件，确定支线各管段流量；
（2）初定支线各管段管径； （3）根据初定的管径，计算支线各管段的损失； （4）计算支线上的总损失和支线的实际作用压力； 支线的实际作用压力包括支线上的总损失、支线末
如不在允许的范围内，重新选择管径进行计算。
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9
例1：通风系统水平放置，已知qv1=2500m3/h， qv2=5000m3/h， qv3=2500m3/h，各管段参数如下表。确定各管段管径，选择合适 风机（出口风压不计，限定流速6~10m/s，ρ =1.29kg/m3）。
管段长度(m )
pwAB R( l ld ) 44.8 (200 46.2 2.24) 11130Pa
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同理，可以确定BC管段、CD管段的管径和损失，计算结果如下： BC管段： d CD管段： d
Pa 100 mm pwCD 14627
125 mm pwBC 12140 Pa
1-4 6
局部阻力系数
1.5
摩擦阻力系数
0.02
4-5
5-6 7-8 2-5 3-4
8
4 10 12 5
1.0
1.15 0.5 1.6 1.6
0.02
0.02 0.02 0.02 0.02
8 3 6 5 2 4 1
7
风机
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8 3 6 5 4 qv3=2500m3/h
7
风机
1
初选：d=50mm
L V2 45 22 24 ) 9.5( m ) 实际损失： hW ( ) ( 0.025 d 2g 0.05 2 9.81
故DG管径取 d=50mm
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3．关于枝状管网计算的说明 简化计算方法 （1）根据经济比摩阻确定主管线管径 8 2 R 2 5 qv d （2）用简化法计算能量损失
1）当量阻力法 2）当量长度法 3）其它简化方法
pw ( d )
v 2
2
z
v 2
2
pw R（l ld） Rlz
p
w
(1 k ) p f
k——局部损失折合成沿程损失的估算比例
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（3）用平均比摩阻初定支线管径
R pj kp l
端用户所需的作用压力和位压等。
Байду номын сангаас
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8
计算方法与步骤： （5）根据并联管路流动规律，计算支线上的资用压力；
（6）校核节点阻力是否平衡。
由于工程上的管材有一定的规格，因此节点阻力很难 完全平衡。一般允许有一定的不平衡率。
根据支线的实际作用压力与资用压力，按下式计算不 平衡率：
%
实际作用压力-资用压力 资用压力 100%
7
风机
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计算方法与步骤：
（1）划分管段，标管段号;
（2）确定主管线（或最不利环路）;
（3）按节点流量平衡条件，由末梢节点逐步计算各管段 流量qv; （4）确定主管线上各管段的管径; 一般是由 d
4 qv
v e
初算管径，然后根据规格选择标准管径( 假定流速法）
2018/10/19
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20
解：1）由已知条件知，该系统为闭式系统，A→B→C→D→C→B→A 为最不利环路 2）计算最不利环路上各管段流量
qv CD qv D 20
qv BC qv D qv F 30
qv AB qv E qv F qv D 44
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4
三、枝状管网计算
遵循原则：
节点上
q
v
0
各并联管路阻力平衡（损失相等）。
1．新建枝状管网主管线的计算
即：管路布置已定（包括各管段长度l、管壁粗糙度∆、局部构件的 型式和数量），已知用户所需流量qv和末端预留压头 Hy（pv )，要求确 定各管段管径d 和系统所需的作用压力进而为系统选择合适的动力设备。 （第一类计算任务） 8 3 6 5 2 4 1
4）求最不利环路的总损失和水泵扬程、流量
pwAD pwAB pwBC pwCD 11130 12140 14627 37897Pa
最不利环路总损失：
p
w
2 pwD pD pw热源
Hb 1.1 hw 10.98m
37897 5 104 1104 87897 P a 9.98m(H 2 O)
3）计算主干线的损失
hw=5.5+5.1=10.6m
4）计算所需水泵理论扬程 在A-A和B-B列能量方程 ：
2 2 pA vA pB vB zA H泵 z B hwA B 2g 2g
B
F D G
C
Zc
ZB A
E
H 泵 zB z A hwAB 25 10.6 35.6m
4 qv v
B
F
D ZB
A
G
C Zc
qv=4+4=8（L/s） v=1.5~2.0m/s，
E
d
4 qv v
4 8 10 -3 3.14 ( 1.5 ~ 2.0 )
d = 0.071 ~ 0.082( m )
根据规格取: d=75mm，v=1.8m/s 同理DF段：d=50mm, v=2m/s
水泵扬程：
在一定流量下：
{
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d d
v
损失 损失
造价 ，运行费用
v
造价 ，运行费用
经济流速——使造价与运行费用之和最小时的流速。
工程上，一般根据节省工程造价和运行费用以及建筑对噪声 的要求等因素，经技术经济比较后，确定出管道内的流速。
2
工程上遇到的水力计算任务可归纳为如下四种：
1、已知各管段流量，确定各管段管径和系统作用压力 √ 2、已知各管段流量和系统作用压力，确定各管段管径 3、已知各管段管径和系统作用压力，确定管段流量
pw14 S pqv2 43.95N / m2
同理可算出 pw4-5
5、确定风机理论风量和压头 ，选择机器型号 风量：q v风=1.1(qv1+qv2+qv3 ) 压头：p风 =1.1(p w1-4+pw4-5 +pw5-8 )
根据样本选择：
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8 3 6
风机
qv3=2500m3/h 1 qv1=2500m3/h
21
3）确定最不利环路上各管段的管径并计算其损失 以AB管段为例： qv AB 44t/h
Rpj 30 ~ 70Pa/m
mm 查附录八，初选 d AB 150
可得此时的实际比摩阻 R 44 .8Pa/m 查附录九，AB管段中局部阻碍当量长度为： 闸阀 ld ( 1 2.24 )m 方形补偿器 ld (315.4)m 46.2m
第一节 流体输配管网水力计算
第二节 管网水力工况与水力稳定性分析
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1
§11-1 流体输配管网水力计算
一、管网水力计算的目的与任务
水力计算目的： 合理地确定管网中各管段的管径和系统所需的作用水头 或动力设备，使系统安全可靠、经济有效的完成输送任务。
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2 qv2=5000m3/h
6、确定支线的流量: q v3-4=2500m3/h q v2-5=5000m3/h 7、确定支线的管径 以3-4段为例：
2 p S q w 3 4 P v pw 1 4
8 ( Sp
L3 4 3 4 ) d 3 4 2 d 4 3 4
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2）计算ED和DF管段的损失 L v2 100 1.82 0.025 5.5( m ) ED: hw d 2g 0.075 2 9.81
DF：
L v2 50 22 hw 0.025 5.1( m ) d 2g 0.05 2 9.81
ED 管段长度(m ) 100 流速(m/s) 1.5~2.0 摩擦阻力系数 0.025
DF
DG B F D
50
45
1.5~2.5
1.5~2.5
0.025
0.025
求：1）确定各管段的管径， G C Zc 2）确定水泵型号。 （只计阀门局阻）
ZB
A
E
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解：E-D-F为主干线 1） 确定ED和DF管段的管径 根据： d ED:
4 d3
根据管材规格确定3-4段的标准直径 d 3 4 并计算实际损失 pw3-4 8、校核不平衡率是否满足要求 计算不平衡率：
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pw 1 4 pw 3 4 100% pw 1 4
例2：用同一台离心泵由水池A向高位槽B和C供水，高位槽B和C的水面高 出水池水面A分别为ZB＝25m，Zc=20m。当阀门处于某一开度时（=24）， 向B槽和C槽的供水量恰好相等，即q vB=q vC=4L/s。管段长度、经济流速及 管内摩擦阻力系数如下：
k ——沿程损失占总损失的估算百分数，
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例3：某厂区热水供应系统平面布置如图所示。A点为热源，D、
E、F为热用户。各管段的长度、闸阀布置和方形补偿器的布置、 个数如图中所示。已知：热用户D、E、F的热水量分别为： qvD=20t/h， qvE=14t/h，qvF=10t/h，各热用户内部的压力损失为 5×104Pa，热源内部损失为10kPa。试确定各管段的管径及水泵 的扬程和流量。（主管线经济比摩阻为30~70Pa/m，支线的沿程 损失与总损失的比约为0.6；要求不平衡率小于15%、支线管内 流速；管内平均水温为100C）。
5）确定水泵型号
流量：q v风=1.1q v
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扬程：H=1.1H泵
B
F
D
G
C Zc
ZB A
6）确定DG段管径 在A和C两自由液面列能量方程 ：
E
2 2 pC vC pA vA zA H泵 z B hwA D hwDG 2g 2g
hwDG H 泵 （zC z A） hwAD 35.6 20 5.5 10.1m
8 3 6
风机
qv3=2500m3/h 1 qv1=2500m3/h
7 5 2 4、计算主干线各管段的损失 4
qv2=5000m3/h 以1-4为例：
8 ( Sp
L14 1 4 ) d 1 4 5 90 . 99 kg / m 4 2 d 1 4
, pw5-8
6
计算方法与步骤：
（5）计算主管线上各管段能量损失及总损失。(工程上有简 便方法) （6）确定系统所需的作用压力 （根据能量方程确定）。 开式系统：
H0 hw H y z
闭式系统：
H 0 hw
通风管路： p0 pw （7）选择动力设备
qv设 1.1qv系统
H设 1.1H系统 ( pv设 1.1 pv系统 )
qv1=2500m3/h
2 qv2=5000m3/h
解：1、确定主干线1-4-5-6-7-8 2、确定各管段流量： qv1-4=2500m3/h qv4-5=5000m3/h qv5-8=10000m3/h 3、确定主干线各管段管径 以1-4段为例:
d
qv1-4=2500m3/h=0.695m3/s，取限定流速为 6m/s，
4、已知各管段流量和管径，确定所需系统作用压力
二、管网系统型式及其特点
枝状管网
用户支线闭 合回路
风 机
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环状管网 排风系统
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城市配水管网
枝状管网与环状管网比较：
特点 优点 缺点 运用 呈树枝状 管线总长度较短， 建设费用低 可靠性差 采暖的室外管道， 通风管路系统 呈闭合环路 可靠性较高 可靠性较高 管线长，造价高 采暖室内管网、 城镇配水管网
4 qv 4 0.695 0.384m 根据管材规格：取 d1-4=380mm， ve 3.14 6 4 qv 管径合适 v 实际流速： 1 4 d 2 6.15m / s
同理： 4-5 段 d 4-5=470mm； 5-6-7-8段 d 5-8=600mm；
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2. 新建枝状管网支线（或枝状管网扩建）的计算
新建管网支线的计算与主管线计算的不同之处是，除管网布置已 定、用户流量和用户所需作用压力已知外，支线上的资用压力已定， 只需确定各管段直径。(属于第二类计算任务)
计算方法与步骤：
（1）按节点流量平衡条件，确定支线各管段流量；
（2）初定支线各管段管径； （3）根据初定的管径，计算支线各管段的损失； （4）计算支线上的总损失和支线的实际作用压力； 支线的实际作用压力包括支线上的总损失、支线末
如不在允许的范围内，重新选择管径进行计算。
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例1：通风系统水平放置，已知qv1=2500m3/h， qv2=5000m3/h， qv3=2500m3/h，各管段参数如下表。确定各管段管径，选择合适 风机（出口风压不计，限定流速6~10m/s，ρ =1.29kg/m3）。
管段长度(m )
pwAB R( l ld ) 44.8 (200 46.2 2.24) 11130Pa
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同理，可以确定BC管段、CD管段的管径和损失，计算结果如下： BC管段： d CD管段： d
Pa 100 mm pwCD 14627
125 mm pwBC 12140 Pa
1-4 6
局部阻力系数
1.5
摩擦阻力系数
0.02
4-5
5-6 7-8 2-5 3-4
8
4 10 12 5
1.0
1.15 0.5 1.6 1.6
0.02
0.02 0.02 0.02 0.02
8 3 6 5 2 4 1
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风机
2018/10/19 10
8 3 6 5 4 qv3=2500m3/h
7
风机
1
初选：d=50mm
L V2 45 22 24 ) 9.5( m ) 实际损失： hW ( ) ( 0.025 d 2g 0.05 2 9.81
故DG管径取 d=50mm
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3．关于枝状管网计算的说明 简化计算方法 （1）根据经济比摩阻确定主管线管径 8 2 R 2 5 qv d （2）用简化法计算能量损失
1）当量阻力法 2）当量长度法 3）其它简化方法
pw ( d )
v 2
2
z
v 2
2
pw R（l ld） Rlz
p
w
(1 k ) p f
k——局部损失折合成沿程损失的估算比例
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（3）用平均比摩阻初定支线管径
R pj kp l
端用户所需的作用压力和位压等。
Байду номын сангаас
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8
计算方法与步骤： （5）根据并联管路流动规律，计算支线上的资用压力；
（6）校核节点阻力是否平衡。
由于工程上的管材有一定的规格，因此节点阻力很难 完全平衡。一般允许有一定的不平衡率。
根据支线的实际作用压力与资用压力，按下式计算不 平衡率：
%
实际作用压力-资用压力 资用压力 100%
7
风机
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计算方法与步骤：
（1）划分管段，标管段号;
（2）确定主管线（或最不利环路）;
（3）按节点流量平衡条件，由末梢节点逐步计算各管段 流量qv; （4）确定主管线上各管段的管径; 一般是由 d
4 qv
v e
初算管径，然后根据规格选择标准管径( 假定流速法）
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解：1）由已知条件知，该系统为闭式系统，A→B→C→D→C→B→A 为最不利环路 2）计算最不利环路上各管段流量
qv CD qv D 20
qv BC qv D qv F 30
qv AB qv E qv F qv D 44
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三、枝状管网计算
遵循原则：
节点上
q
v
0
各并联管路阻力平衡（损失相等）。
1．新建枝状管网主管线的计算
即：管路布置已定（包括各管段长度l、管壁粗糙度∆、局部构件的 型式和数量），已知用户所需流量qv和末端预留压头 Hy（pv )，要求确 定各管段管径d 和系统所需的作用压力进而为系统选择合适的动力设备。 （第一类计算任务） 8 3 6 5 2 4 1
4）求最不利环路的总损失和水泵扬程、流量
pwAD pwAB pwBC pwCD 11130 12140 14627 37897Pa
最不利环路总损失：
p
w
2 pwD pD pw热源
Hb 1.1 hw 10.98m
37897 5 104 1104 87897 P a 9.98m(H 2 O)
3）计算主干线的损失
hw=5.5+5.1=10.6m
4）计算所需水泵理论扬程 在A-A和B-B列能量方程 ：
2 2 pA vA pB vB zA H泵 z B hwA B 2g 2g
B
F D G
C
Zc
ZB A
E
H 泵 zB z A hwAB 25 10.6 35.6m
4 qv v
B
F
D ZB
A
G
C Zc
qv=4+4=8（L/s） v=1.5~2.0m/s，
E
d
4 qv v
4 8 10 -3 3.14 ( 1.5 ~ 2.0 )
d = 0.071 ~ 0.082( m )
根据规格取: d=75mm，v=1.8m/s 同理DF段：d=50mm, v=2m/s
水泵扬程：
在一定流量下：
{
2018/10/19
d d
v
损失 损失
造价 ，运行费用
v
造价 ，运行费用
经济流速——使造价与运行费用之和最小时的流速。
工程上，一般根据节省工程造价和运行费用以及建筑对噪声 的要求等因素，经技术经济比较后，确定出管道内的流速。
2
工程上遇到的水力计算任务可归纳为如下四种：
1、已知各管段流量，确定各管段管径和系统作用压力 √ 2、已知各管段流量和系统作用压力，确定各管段管径 3、已知各管段管径和系统作用压力，确定管段流量
pw14 S pqv2 43.95N / m2
同理可算出 pw4-5
5、确定风机理论风量和压头 ，选择机器型号 风量：q v风=1.1(qv1+qv2+qv3 ) 压头：p风 =1.1(p w1-4+pw4-5 +pw5-8 )
根据样本选择：
2018/10/19 12
8 3 6
风机
qv3=2500m3/h 1 qv1=2500m3/h
21
3）确定最不利环路上各管段的管径并计算其损失 以AB管段为例： qv AB 44t/h
Rpj 30 ~ 70Pa/m
mm 查附录八，初选 d AB 150
可得此时的实际比摩阻 R 44 .8Pa/m 查附录九，AB管段中局部阻碍当量长度为： 闸阀 ld ( 1 2.24 )m 方形补偿器 ld (315.4)m 46.2m