流体输配管网(第2章)
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7
断面间静压的关系：
可以通过改变流速在一定范围内调整静压
8
2.1.3 压力和重力综合作用下的气体管流水力特征
压力和重力综合作用下的能量方程
( pq1 pq 2 ) g ( a )( H 2 H1 ) p1~ 2
（2-1-11)
式中： • 断面之间的全压差 ( pq1 pq 2 ) 反映压力作用； g ( a )( H 2 H1 ) p1~ 2 • p位压 反映重力作用； ( pq1 q 2 ) g ( a )( H 2 H1 ) p1~ 2 • (p pq 2 ) g ( a )( H 2 H1 ) p1~ 2 ，维持管内流动。 q1 二者综合作用克服流动阻力
•管段总阻力等于摩擦阻力（沿程阻力）和局部阻力之和。
14
2.2.1 摩擦阻力计算
摩擦阻力的普适计算公式
Pml
2 l
4 Rs
2
dl
当管道材料不变，断面尺寸不变，流体密度与流量不随 沿程变化时：
P ml
2
4 Rs
2
l Rml
管道水力半径：Rs=f/X
分析：当要求的流量一定时，流速是影响阻力的关键参数。 根据流速和流量→ 管道断面→Rs、λ 、Rm
压力管流的能量方程
当位压为零而且没有机械动力装置时:
P j1
v12
2
Pj 2
2
2 v2
2
P 1 2
（2-1-7)
定义全压为 Pq Pj
v 2
，则上式变成：
（2-1-8)
Pq1 Pq 2 P 12
表明：位压为0的管流中，两断面之间的流动阻力是 靠全压差克服的。管段没有外界动力输入时，下游断面 的全压低于上游断面。
10
11
2.2 流体输配管网水力计算的基本原理和方法
两种水力计算：设计计算、校核计算 目的 设计计算：根据要求的流量分配，确定管网的各段管径 （或断面尺寸）和阻力。对枝状管外，求得管网特性曲线， 为匹配管网动力设备准备好条件，进而确定动力设备（风 机、水泵等）的型号。
12
校核计算：根据已定的动力设备，确定保证流量输配的 管道尺寸；或者根据已定的管道尺寸，确定保证流量输配 的动力设备。
问题：为什么有多种水力计算方法？
27
2.3 气体输配管网水力计算
大多数的气体输配管网是开式枝状管网，本节学习开 式枝状气体输配管网水力计算的具体方法。
28
2.3.1 开式枝状气体输配管网水力计算 开式枝状气体管网类型
• 吸入式通风除尘管网 • 压送式通风空调管网 • 室内燃气管网
水力计算的前期工作
• 速度与技术性的关系
确定各管段的断面尺寸 • 管道尺寸有统一的规格
• 调整为标准规格后，再计算实际流速
30
31
32
摩擦阻力计算 阻力计算应从最不利环路开始 通风空调管段：
•先求阻力系数： •再求比摩阻：
1 2.51 K 2 lg 3.71d Re
Pi D D ×调整支管管径－ P / i
0.225
×阀门调节－通过改变阀门的开度调节管道阻力
39
计算系统总阻力及获得管网特性曲线 管网特性曲线方程：
p SL2
•Δp－最不利环路所有串联管段阻力之和 •根据计算的管网总阻力Δp和要求的总风量L，计算管网 阻抗S，获得管网特征曲线。 管网阻抗：
2 22
2
112
2
p1~ 2
(2-1-2)
若断面1和2分别在进口和出口外，将进口和出口的阻力损失放 在Δp1～2中，上式可以简写成：
g ( 1 2 )(H 2 H1 ) p1~ 2
上式表明：进、出口位于相同标高时，流动动力是竖管内的密度 差与高差的乘积，与管外大气密度无关。流动方向取决于竖管内密度 的相对大小。
请分析1、2断面高差不等的情况。
5
（3）闭式管道内的重力流
将U型管的1、2断面合为一体，形成闭式循环管 道，则：
g ( 1 2 )(H 2 H1 ) pl
式中Δpl表示环路阻力。
上式表明闭式管道内的重力流与进出口断面等高的U型竖管重力流 具有相同的水力特征。
6
2.1.2 气体压力管流水力特征
24
静压复得法的特点：
通过调整管道断面尺寸，改变流速，维持管道在不同断 面处的管内静压。 送风管道若要求各个风口风量均匀，常用此方法保证要 求的风口风速。
25
静压复得法的基本步骤：
26
说明：
不论采用何种方法，水力计算前必须完成管网系统和设备 的布置，确定管道材料及每个管段的流量，然后循着各种方 法所要求的步骤进行计算。 水力计算中，各种计算公式和基础数据的选取，应遵循相 关规范、标准的规定。
水力计算是保证管网设计及其运行质量的基本手段
13
基本理论依据 流体力学一元流动连续性方程、能量方程 串、并联管路流动规律： •管网的流动动力等于管网流动总阻力；
•若干管段串联后的阻力，等于各管段阻力之和；
•各并联管段的起点（终点）相同，具有相同的压力，不包 含动力源的并联管段，阻力应相等；
•管段阻力是构成管网阻力的基本单元；
根据这一定义,断面为a×b的矩形风管的流速当量直 径Dv用下式计算。查表时用矩形风管中的流速。
2ab Dv ab
（2-3-10)
36
•流量当量直径 设某一圆形风管中的空气流量与非圆形风管的空气流 量相等，并且单位长度摩擦阻力也相等，则该圆形风管的 直径就称为非圆形风管的流量当量直径，以DL表示。 根据推导，矩形风管的流量当量直径可近似按下式计 算。查表时用矩形风管中的流量。
第2章 气体管流水力特征与水力计算
主要内容
wenku.baidu.com气体管流 的水力特征
水力计算的基 本原理和方法
气体输配管 网水力计算
1
2.1 气体管流水力特征
气体重力管流水力特征
气体压力管流水力特征
压力和重力综合作用下气体管流水力特征
2
2.1.1 气体重力管流水力特征
管流的能量方程
1-2断面的能量方程：
(ab)0.625 DL 1.3 (a b)0.25
（2-3-11)
37
风管局部阻力计算 计算公式：
p
2
2
• 确定局部阻力系数及其对应的特征速度
• 代入上式计算局部阻力 • 各管件的局部阻力系数查设计手册
38
并联管路的阻力平衡 阻力平衡的含义 为了保证各管路达到预期的风量，在水力计算中应使并 联支管的计算阻力相等，工程上称为并联管路阻力平衡。 要求： • 一般通风系统－两支管的计算阻力差应 ≯15％； • 含尘风管－两支管的计算阻力差应≯10％ 。 • 超过上述规定应进行阻力平衡，方法如下：
18
2.2.2 局部阻力计算 产生原因：
流动边界几何形状改变，使流动产生 涡旋、流动方向变化，引起能量损失。
局部阻力基本计算公式：
P
v 2
2
（2-1-11)
局部阻力系数
•局部阻力处流动处于阻力平方区，局部阻力系数只与几何 形状有关； •局部阻力系数一般通过实验获得，可从各设计手册查出； •局部阻力系数总是与所指的断面动压对应的，使用时必须 注意。
9
若压力（Pq1－Pq2）驱动的流动方向与位压一致，则二者 综合作用加强管内气体流动；若驱动方向相反，则由绝对 值大者决定管流方向，绝对值小者实际上成为另加流动阻 力。 例如，空调建筑装有排气风机的卫生间排气竖井：冬季在 位压的辅助作用下，排气能力明显加强；夏季排气风机除 克服竖井的阻力时，还要克服位压，排气能力削弱，尤其 是高层建筑。
• 空气输配管网的布置，包括系统划分； • 管道布置，设备和各送排风点位置的确定； • 确定各送排风点和各管段的输送风量。
按所选定的计算方法（一般采用假定流速法）的 步骤进行水力计算
29
管内流速和管段断面尺寸 绘制风管系统轴测图
划分管段、管段编号、标注长度、标注流量
确定管内流速
• 速度与经济性的关系
Rm
2
d 2
根据上两式绘制出的的线算图进行计算（图2-3-1）
对于参数L、d、υ、Rm，只要知道其中任意两个，即可利用线算 图求出其它参数。
注意：实际条件与线算图计算条件不符时应进行修正
密度和粘度的修正；空气温度、大气压力和热交换的修正；管壁 粗糙度的修正。
33
34
35
非圆管利用图表－－引入“当量直径” •流速当量直径 假设圆形风管中的空气流速与非圆形风管中的空气流 速相等，并且两者的单位长度摩擦阻力也相等，则该圆形 风管的直径就称为此矩形风管的流速当量直径，以Dv表示。
15
确定计算公式后，需计算摩擦阻力系数
16
17
说明 工程上常根据自身的工程特点，编制相应的计算图表帮 助计算。 任何计算公式或图表，都有其使用范围，使用时要特别 注意。 当工程条件与得出公式或图表的条件有差异时，常采用 修正的方法，如：密度和黏度修正、温度和热交换修正以 及管壁粗糙度修正等。
22
压损平均法的特点：
将已定的总作用压力，按干管长度平均分配给每一管段， 以此确定管段阻力，再根据每一管段的流量确定管道断面 尺寸。 当管道系统的动力已定时进行水力计算，此法较为方便。 当然，也可按其他技术经济性更好的方法将已定作用压力 分配给各管段。
23
压损平均法的基本步骤：
（1）绘制管网轴测图，对各管段进行编号，标出长度和流 量，确定最不利环路。 （2）根据确定的最不利环路的资用动力，计算最不利环路 单位管长的压力损失。 （3）根据最不利环路单位管长压力损失和各管段流量，确 定其各管段管径。 （4）确定其他支路的资用动力，计算单位管长的压力损失。 （5）根据各支路单位管长压力损失和各管段流量，确定其 各管段管径。
p S 2 L
串联管路阻抗： S S i 并联管路阻抗： S
1 2
3
讨论几种情况：
（1）竖向开口管道
若1、2断面位于进口外和出口处，这时静压均为0，进口流速为 0，则：
2 2
则：g ( a )(H 2 H1 )
2
p1~ 2
(2) (2-1-2)
也可以将出口的动压损失视为出口的一种流动局部阻力，则：
~2 g ( a )(H 2 H1 ) p1
上式表明：流动阻力依靠位压（即重力的作用）克服，流动方向 取决于管内外的密度差。 以厨房排烟管网为例：当没有开启排风机、且未设防倒流阀，夏 季竖井中温度低，室外空气经竖井进入室内；冬季竖井温度高，室内 空气进入竖井。
4
（2）U型管道内的重力流
通过列写断面1-D、断面D-2的能量方程，综合后得到：
g ( 1 2 )(H 2 H1 )
19
2.2.3 常用的水力计算方法
假定流速法 压损平均法 静压复得法
20
假定流速法的特点：
先按技术经济要求选定管内流速，再结合所需输送的流 量，确定管道断面尺寸，进而计算管道阻力,得出需要的 作用压力。 假定流速法适用于作用压力（动力）未知的情况。
21
假定流速法的基本步骤：
（1）绘制管网轴测图，对各管段进行编号，标出长度和流量，确定最 不利环路。 （2）合理确定最不利环路各管段的管内流体流速。 （3）根据各管段的流量和流速，确定最不利环路各管段的断面尺寸。 （4）计算最不利环路各管段的阻力。 （5）平衡并联管路。确定并联管路的管径，使各并联管路的计算阻力 与各自的资用压力相等，可用压损平均法计算。这是保证流量按要求分 配的关键。若并联管路计算阻力与各自的资用压力不相等，在实际运行 时，管网会自动调整各并联管路流量，使并联管路的实际流动阻力与各 自的资用压力相等。这时各并联管路的流量不是要求的流量。 （6）计算管网的总阻力，求取管网特性曲线。 （7）根据管网特性曲线、所要求输送的总流量以及所输送流体的种类、 性质等诸因素，综合考虑为管网匹配动力设备，确定动力设备所需的参 数。
p j1
v12
2
g ( a )(H 2 H1 ) Pj 2
2 v2
2
P 1 2
（2-1-1)
静压－ p j1
Pj 2 2 2 v v 1 2 动压－ 2 2 位压－ g ( a )(H 2 H1 )
阻力－ P 1 2
当密度差由温差引起时，工程上将此时的位压称为热压
断面间静压的关系：
可以通过改变流速在一定范围内调整静压
8
2.1.3 压力和重力综合作用下的气体管流水力特征
压力和重力综合作用下的能量方程
( pq1 pq 2 ) g ( a )( H 2 H1 ) p1~ 2
（2-1-11)
式中： • 断面之间的全压差 ( pq1 pq 2 ) 反映压力作用； g ( a )( H 2 H1 ) p1~ 2 • p位压 反映重力作用； ( pq1 q 2 ) g ( a )( H 2 H1 ) p1~ 2 • (p pq 2 ) g ( a )( H 2 H1 ) p1~ 2 ，维持管内流动。 q1 二者综合作用克服流动阻力
•管段总阻力等于摩擦阻力（沿程阻力）和局部阻力之和。
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2.2.1 摩擦阻力计算
摩擦阻力的普适计算公式
Pml
2 l
4 Rs
2
dl
当管道材料不变，断面尺寸不变，流体密度与流量不随 沿程变化时：
P ml
2
4 Rs
2
l Rml
管道水力半径：Rs=f/X
分析：当要求的流量一定时，流速是影响阻力的关键参数。 根据流速和流量→ 管道断面→Rs、λ 、Rm
压力管流的能量方程
当位压为零而且没有机械动力装置时:
P j1
v12
2
Pj 2
2
2 v2
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P 1 2
（2-1-7)
定义全压为 Pq Pj
v 2
，则上式变成：
（2-1-8)
Pq1 Pq 2 P 12
表明：位压为0的管流中，两断面之间的流动阻力是 靠全压差克服的。管段没有外界动力输入时，下游断面 的全压低于上游断面。
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2.2 流体输配管网水力计算的基本原理和方法
两种水力计算：设计计算、校核计算 目的 设计计算：根据要求的流量分配，确定管网的各段管径 （或断面尺寸）和阻力。对枝状管外，求得管网特性曲线， 为匹配管网动力设备准备好条件，进而确定动力设备（风 机、水泵等）的型号。
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校核计算：根据已定的动力设备，确定保证流量输配的 管道尺寸；或者根据已定的管道尺寸，确定保证流量输配 的动力设备。
问题：为什么有多种水力计算方法？
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2.3 气体输配管网水力计算
大多数的气体输配管网是开式枝状管网，本节学习开 式枝状气体输配管网水力计算的具体方法。
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2.3.1 开式枝状气体输配管网水力计算 开式枝状气体管网类型
• 吸入式通风除尘管网 • 压送式通风空调管网 • 室内燃气管网
水力计算的前期工作
• 速度与技术性的关系
确定各管段的断面尺寸 • 管道尺寸有统一的规格
• 调整为标准规格后，再计算实际流速
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31
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摩擦阻力计算 阻力计算应从最不利环路开始 通风空调管段：
•先求阻力系数： •再求比摩阻：
1 2.51 K 2 lg 3.71d Re
Pi D D ×调整支管管径－ P / i
0.225
×阀门调节－通过改变阀门的开度调节管道阻力
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计算系统总阻力及获得管网特性曲线 管网特性曲线方程：
p SL2
•Δp－最不利环路所有串联管段阻力之和 •根据计算的管网总阻力Δp和要求的总风量L，计算管网 阻抗S，获得管网特征曲线。 管网阻抗：
2 22
2
112
2
p1~ 2
(2-1-2)
若断面1和2分别在进口和出口外，将进口和出口的阻力损失放 在Δp1～2中，上式可以简写成：
g ( 1 2 )(H 2 H1 ) p1~ 2
上式表明：进、出口位于相同标高时，流动动力是竖管内的密度 差与高差的乘积，与管外大气密度无关。流动方向取决于竖管内密度 的相对大小。
请分析1、2断面高差不等的情况。
5
（3）闭式管道内的重力流
将U型管的1、2断面合为一体，形成闭式循环管 道，则：
g ( 1 2 )(H 2 H1 ) pl
式中Δpl表示环路阻力。
上式表明闭式管道内的重力流与进出口断面等高的U型竖管重力流 具有相同的水力特征。
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2.1.2 气体压力管流水力特征
24
静压复得法的特点：
通过调整管道断面尺寸，改变流速，维持管道在不同断 面处的管内静压。 送风管道若要求各个风口风量均匀，常用此方法保证要 求的风口风速。
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静压复得法的基本步骤：
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说明：
不论采用何种方法，水力计算前必须完成管网系统和设备 的布置，确定管道材料及每个管段的流量，然后循着各种方 法所要求的步骤进行计算。 水力计算中，各种计算公式和基础数据的选取，应遵循相 关规范、标准的规定。
水力计算是保证管网设计及其运行质量的基本手段
13
基本理论依据 流体力学一元流动连续性方程、能量方程 串、并联管路流动规律： •管网的流动动力等于管网流动总阻力；
•若干管段串联后的阻力，等于各管段阻力之和；
•各并联管段的起点（终点）相同，具有相同的压力，不包 含动力源的并联管段，阻力应相等；
•管段阻力是构成管网阻力的基本单元；
根据这一定义,断面为a×b的矩形风管的流速当量直 径Dv用下式计算。查表时用矩形风管中的流速。
2ab Dv ab
（2-3-10)
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•流量当量直径 设某一圆形风管中的空气流量与非圆形风管的空气流 量相等，并且单位长度摩擦阻力也相等，则该圆形风管的 直径就称为非圆形风管的流量当量直径，以DL表示。 根据推导，矩形风管的流量当量直径可近似按下式计 算。查表时用矩形风管中的流量。
第2章 气体管流水力特征与水力计算
主要内容
wenku.baidu.com气体管流 的水力特征
水力计算的基 本原理和方法
气体输配管 网水力计算
1
2.1 气体管流水力特征
气体重力管流水力特征
气体压力管流水力特征
压力和重力综合作用下气体管流水力特征
2
2.1.1 气体重力管流水力特征
管流的能量方程
1-2断面的能量方程：
(ab)0.625 DL 1.3 (a b)0.25
（2-3-11)
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风管局部阻力计算 计算公式：
p
2
2
• 确定局部阻力系数及其对应的特征速度
• 代入上式计算局部阻力 • 各管件的局部阻力系数查设计手册
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并联管路的阻力平衡 阻力平衡的含义 为了保证各管路达到预期的风量，在水力计算中应使并 联支管的计算阻力相等，工程上称为并联管路阻力平衡。 要求： • 一般通风系统－两支管的计算阻力差应 ≯15％； • 含尘风管－两支管的计算阻力差应≯10％ 。 • 超过上述规定应进行阻力平衡，方法如下：
18
2.2.2 局部阻力计算 产生原因：
流动边界几何形状改变，使流动产生 涡旋、流动方向变化，引起能量损失。
局部阻力基本计算公式：
P
v 2
2
（2-1-11)
局部阻力系数
•局部阻力处流动处于阻力平方区，局部阻力系数只与几何 形状有关； •局部阻力系数一般通过实验获得，可从各设计手册查出； •局部阻力系数总是与所指的断面动压对应的，使用时必须 注意。
9
若压力（Pq1－Pq2）驱动的流动方向与位压一致，则二者 综合作用加强管内气体流动；若驱动方向相反，则由绝对 值大者决定管流方向，绝对值小者实际上成为另加流动阻 力。 例如，空调建筑装有排气风机的卫生间排气竖井：冬季在 位压的辅助作用下，排气能力明显加强；夏季排气风机除 克服竖井的阻力时，还要克服位压，排气能力削弱，尤其 是高层建筑。
• 空气输配管网的布置，包括系统划分； • 管道布置，设备和各送排风点位置的确定； • 确定各送排风点和各管段的输送风量。
按所选定的计算方法（一般采用假定流速法）的 步骤进行水力计算
29
管内流速和管段断面尺寸 绘制风管系统轴测图
划分管段、管段编号、标注长度、标注流量
确定管内流速
• 速度与经济性的关系
Rm
2
d 2
根据上两式绘制出的的线算图进行计算（图2-3-1）
对于参数L、d、υ、Rm，只要知道其中任意两个，即可利用线算 图求出其它参数。
注意：实际条件与线算图计算条件不符时应进行修正
密度和粘度的修正；空气温度、大气压力和热交换的修正；管壁 粗糙度的修正。
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34
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非圆管利用图表－－引入“当量直径” •流速当量直径 假设圆形风管中的空气流速与非圆形风管中的空气流 速相等，并且两者的单位长度摩擦阻力也相等，则该圆形 风管的直径就称为此矩形风管的流速当量直径，以Dv表示。
15
确定计算公式后，需计算摩擦阻力系数
16
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说明 工程上常根据自身的工程特点，编制相应的计算图表帮 助计算。 任何计算公式或图表，都有其使用范围，使用时要特别 注意。 当工程条件与得出公式或图表的条件有差异时，常采用 修正的方法，如：密度和黏度修正、温度和热交换修正以 及管壁粗糙度修正等。
22
压损平均法的特点：
将已定的总作用压力，按干管长度平均分配给每一管段， 以此确定管段阻力，再根据每一管段的流量确定管道断面 尺寸。 当管道系统的动力已定时进行水力计算，此法较为方便。 当然，也可按其他技术经济性更好的方法将已定作用压力 分配给各管段。
23
压损平均法的基本步骤：
（1）绘制管网轴测图，对各管段进行编号，标出长度和流 量，确定最不利环路。 （2）根据确定的最不利环路的资用动力，计算最不利环路 单位管长的压力损失。 （3）根据最不利环路单位管长压力损失和各管段流量，确 定其各管段管径。 （4）确定其他支路的资用动力，计算单位管长的压力损失。 （5）根据各支路单位管长压力损失和各管段流量，确定其 各管段管径。
p S 2 L
串联管路阻抗： S S i 并联管路阻抗： S
1 2
3
讨论几种情况：
（1）竖向开口管道
若1、2断面位于进口外和出口处，这时静压均为0，进口流速为 0，则：
2 2
则：g ( a )(H 2 H1 )
2
p1~ 2
(2) (2-1-2)
也可以将出口的动压损失视为出口的一种流动局部阻力，则：
~2 g ( a )(H 2 H1 ) p1
上式表明：流动阻力依靠位压（即重力的作用）克服，流动方向 取决于管内外的密度差。 以厨房排烟管网为例：当没有开启排风机、且未设防倒流阀，夏 季竖井中温度低，室外空气经竖井进入室内；冬季竖井温度高，室内 空气进入竖井。
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（2）U型管道内的重力流
通过列写断面1-D、断面D-2的能量方程，综合后得到：
g ( 1 2 )(H 2 H1 )
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2.2.3 常用的水力计算方法
假定流速法 压损平均法 静压复得法
20
假定流速法的特点：
先按技术经济要求选定管内流速，再结合所需输送的流 量，确定管道断面尺寸，进而计算管道阻力,得出需要的 作用压力。 假定流速法适用于作用压力（动力）未知的情况。
21
假定流速法的基本步骤：
（1）绘制管网轴测图，对各管段进行编号，标出长度和流量，确定最 不利环路。 （2）合理确定最不利环路各管段的管内流体流速。 （3）根据各管段的流量和流速，确定最不利环路各管段的断面尺寸。 （4）计算最不利环路各管段的阻力。 （5）平衡并联管路。确定并联管路的管径，使各并联管路的计算阻力 与各自的资用压力相等，可用压损平均法计算。这是保证流量按要求分 配的关键。若并联管路计算阻力与各自的资用压力不相等，在实际运行 时，管网会自动调整各并联管路流量，使并联管路的实际流动阻力与各 自的资用压力相等。这时各并联管路的流量不是要求的流量。 （6）计算管网的总阻力，求取管网特性曲线。 （7）根据管网特性曲线、所要求输送的总流量以及所输送流体的种类、 性质等诸因素，综合考虑为管网匹配动力设备，确定动力设备所需的参 数。
p j1
v12
2
g ( a )(H 2 H1 ) Pj 2
2 v2
2
P 1 2
（2-1-1)
静压－ p j1
Pj 2 2 2 v v 1 2 动压－ 2 2 位压－ g ( a )(H 2 H1 )
阻力－ P 1 2
当密度差由温差引起时，工程上将此时的位压称为热压