第2章 气体输配管网的水力特征与水力计算

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。
水力计算是流体输配管网设计及其运行质量保证的
基本手段。
水力计算的基本原理
水力计算的基本理论依据：流体力学一元流动连续性方程、
能量方程及串、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
〔例2-3〕
图2-3-2 虚拟管路与流动环路
（2）枝状管网的环路、共用管路和独用管路
枝状管网中，管段的流向是唯一的。 以管网的源为起点，沿着管路（含虚拟管路），
顺着流向（虚拟管路中的流向是从开式管网的真 实出口到真实进口）前进，最终必定回到起点。 沿途所经过的所有管路（含虚拟管路）构成了枝 状管网的一个流动环路。 〔例2-3〕管网的环路有： 1-3-5-6-7-虚拟管路－1 （流动环路I） 2-3-5-6-7-虚拟管路－2 （流动环路II） 4-5-6-7-虚拟管路－4 （流动环路III）
2ab Dv ab
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。
(ab) DL 1.3 0.25 ( a b)
0.625
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。流体力学已经揭示，
管段中的流体流动阻力有两种，一种是摩擦阻力，也称为 沿程阻力。另一种是局部阻力。
2.2.1 摩擦阻力计算
摩擦阻力系数
说 明
工程上常根据自身的工程特点，编制相应的计算图
注意： 密度、粘度修正；温度、大气压力和热交换修正；壁面粗糙度修正。
非圆管利用图表－－引入“当量直径”

流速当量直径： 假设某一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。根据这一定义,断面为a×b的矩形 风管的流速当量直径Dv为：
〔例2-3〕
图2-3-2 通风除尘管网轴测图
（2）确定管内流速和管道断面尺寸

管内的流速对通风、空调系统的经济性有较大的影响，对系统 的技术条件也有影响。流速高，风管断面小，占用的空间小，材料 耗用少，建造费用小；但是系统的阻力大，动力消耗增大，运行费 用增加，且增加噪声。若气流中含有粉尘等，会增加设备和管道的 磨损。反之，流速低，阻力小，动力消耗少；但是风管断面大，材 料和建造费用大，风管占用的空间也增大。流速过低会使粉尘沉积 而堵塞管道。 因此，必须通过全面的技术经济比较选定合理的流速。根据工 程经验，总结出了通风空调工程中风管内较为合理的空气流速。
H2
具有与进出口断面等高的U型重
力流竖管相同的水力特征。
H1
2.1.2 气体压力管流水力特征
2.1.3 压力和重力综合作用下的气体管流水力特征
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。 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。
静压复得法的特点
通过调整管道断面尺寸，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。
静压复得法的基本步骤
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。
各管段的总阻力＝沿程阻力＋局部 阻力。
2.3.1.4 并联管路的平衡
（1）开式管网的虚拟闭合 引入虚拟管路的概念，将开式管网变为虚 拟的闭式管网。 虚拟管路是连接开式管网出口和进口的虚 设管路，该管路中的流体为开式管网出口 和进口高度之间的环境流体，从管网出口 流向进口，其水力和热力参数都与环境流 体相同，虚拟管路的管径趋于无限大，流 动阻力为零。
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压力，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）确定各并联支路的资用压力，计算单位管长的压力损失。 （5）根据各并联支路单位管长压力损失和各管段流量，确定其各管 段管径。
假定流速法 压损平均法
静压复得法
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 未知的情况。
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确定的流速，确定最不利环路各管段的断面寸。 （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
同理确定出3、5、6、7的管内流速和管径。
2.3.1.2 风管摩擦阻力计算
公式计算：
Pml
1

4 Rs

v 2
2
l Rml
K 2.51 2 lg （ 3.71 4Rs） Re
对于圆管，4Rs＝D
图表计算

制成计算表或线算图。图2-3-1所示的线算图，可供计算 管道阻力时使用。只要已知流量、管径、流速、阻力四 个参数中的任意两个，即可利用该图求得其余的两个参 数。该图是按过渡区的λ 值，在压力B0=101.3kPa、温度 t0=20℃、空气密度ρ 0=1.204kg/m3、运动粘度 ν 0=15.06×10-6m2/s、管壁粗糙度K=0.15mm、圆形风管、 气流与管壁间无热交换等条件下得出的。当实际条件与 上述条件不相符时，应进行修正。
1-2断面的能量方程：
p j1
静压
v12
2
动压
g ( a )( H 2 H1 ) Pj 2
位压
2 v2
2
P 2 1
（2-1-1)
当1断面和2断面位于位于进口和出口处，这时静压均为0。将出口的 动压损失视为出口的一种流动局部阻力，则：
g ( a )( H2 H1 ) P2 1
摩擦阻力

〔例2-3〕
查图得管段1的比摩阻为12.5Pa/m，填入计 算表中，并计算管段的摩擦阻力。
同理查得3、5、6、7管段的比摩阻和摩擦 阻力填入计算表中。 检查是否需要修正。本例无需进行修正。如 需修正的情况，在水力计算表中留出填写这 些参数的位置。


2.3.1.3 风管局部阻力计算

计算公式：
P
v
2
2
各种管件（弯头、三通等）的局部阻力系数ξ 通常 查图表确定。查图表时要注意依据的参数值。还要 注意对应的特征速度。 各种设备的局部阻力或局部阻力系数，由设备生产 厂商提供。
局部阻力计算
〔例2-3〕
（1）管段1 设备密闭罩ζ =1.0（对应接管动压） 90°弯头（R/D=1.5）一个ζ =0.17 直流三通（1→3）（见图2-3-3） 根据F1+F2≈F3 ，α =30°，查得ζ 13=0.20 Σ ζ =1.0+0.17+0.20=1.37 计算出管段1的局部阻力损失为：147.5Pa。 同理计算出3、5、6、7各管段的局部阻力，填入表 中。
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。
2.2.1 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
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

〔例2-3〕
选定最不利环路，本系统选择1-3-5-除尘器-6-风机-7为
最不利环路。
解释：环路；最不利环路。
根据表2-3-3，输送含有轻矿物粉尘的空气时，风管内
最小风速为，垂直风管12m/s、水平风管14m/s。
考虑到除尘器及风管漏风（思考？），取5%的漏风系数，
管段6及7的计算风量为6300×1.05=6615m3/h。
几何形状有关。
局部阻力系数与其安装条件（受流动环境的影响） 、各
部分的几何尺寸有关（如突扩）。同名的局部阻力在不 同的场合有不同的阻力系数值。
局部阻力系数值通过一般实验获得。 局部阻力系数值对应是某断面动压而言的，使用时必须
注意。 Βιβλιοθήκη 工程设计手册给出了常用的局部阻力系数。
2.2.3 常用的水力计算方法
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（风机、水泵等），确定动力设备所
需的参数。
压损平均法的特点