简单管路水击计算
有压管道水击计算实例
从运动方程、连续性方程或者能量方程、状态方程和其他物
理特性关系式着手，以这些基本方程为基础，加上不同的限制性
假设，可得到不同的水击分析方法，例如算术法、分析法、图解
法、有限单元法、特征线法。
本文应用特征线法完成各管道系统的水击分析。特征线法
是将水击控制方程（两个准线性双曲型偏微分方程）转化为两个
全微分方程组， 然后利用有限差分方程和管路系统边界条件电
计算得水击相为 １５．７８ｓ。 4. 计算结果 ４．１ 末端阀门关闭时间为 ６ｓ 的水击计算
《河南水利与南水北调》2 0 1 2 年 第 1 4 期
图 1 典型断面水压沿时间变化图
图 3 关阀时间—— —最大水头相关曲线图 ４．４ 管材公称压力的确定 根据管道水力计算和水击分析成果，金属管道（钢管）的管 道公称压力为最大使用压力 ＋０．２￣０．４ＭＰａ，且≥０．９ＭＰａ，确定不 同管材分段公称压力见下表。
1. 引言
当有压管道中的阀门迅速调节流量，管道内流速相应地急
速变化，致使管道内水流压强也相应地急剧升高或降低，并在
管道内传播，将产生水击，为此需进行管道水击计算，依据计
算结果综合选定管材压力等级，并为运行管理中控制装置的
调节提供依据。本文依据文献用特征线法探讨一般情况下的
水击计算。
2. 工程概况
南疆某管道输水工程采用 ＤＮ８００ 钢管，为重力流有压管道
分别计算关阀时间为 ６ｓ、３０ｓ、６０ｓ、１２０ｓ、１８０ｓ、２４０ｓ 等 ６ 种工
况，绘制管道最大内水压力与关阀时间的关系曲线图，见图 ３。
Байду номын сангаас
在关阀时间小于等于 ６０ｓ 时，延长关阀时间可以有效地降
低水击压力；关阀时间介于 ６０￣２４０ｓ 时，延长关阀时间对降低水
输油管道系统水击分析与计算
输输油管道系统水击分析与计算陈鑫!鲁传敬李长俊谢军（上海交通大学）（西南石油学院）（上海交通大学）陈鑫鲁传敬等：输油管道系统水击分析与计算，油气储运，!""!，!#（#!）!$%!&。
摘要水击是输油管道系统中经常出现的一种不稳定流现象。
当管内压力由于水力瞬变而发生急剧变化时，如果某高点未出现因压力低于油品的饱和蒸气压而产生的负压汽化现象，则流动为单相流动，但如果出现负压汽化现象，则处于该点的管段内液体的流动就演变成了气液体两相流动，增大了水击分析的难度。
对管内单相流动和含气泡液体两相流动进行了水击分析，认为分析结果可以真实地反映油品在管内流动的规律，并且可以全面用于模拟和分析管道系统的各种工况，确保管道在安全的前提下优化运行。
主题词输油管道气液两相流水击数学模型分析计算随着输油管道向大型化、连续化和管网化的方向发展，输送过程日益复杂。
而且，在流体输送过程中，水击的发生会使管内某点压力过高或过低，使系统设备或性能遭到破坏。
因此，为了保证管道在安全的前提下优化运行，必须从初期的规划设计到后期的运行管理的每个环节，深入全面地掌握管道工况的动态变化规律，对管道系统进行水击分析及其数值模拟是十分重要的。
一、管道系统数学模型!、管元件模型按’()**(*)和+,-.*的推导，对于薄壁管，波速方程〔#〕可以表达为：!/"#!#（#0"#$%"#0&’"#()*!"）（#）式中!———波速，123；"#———油品体积弹性系数，45；!#———油品密度，6721$；$———管道外径，1；%———管材弹性模量，45；"———管壁厚度，1；#———系数，取决于管道约束方式；&’———液体内气相体积（在常压下）的百分含量；(———气体常数；)———油品温度，8；*———管内某处绝对压强，45。
（#）单相流动水击基本方程〔!〕运动方程：+#+#,0#+#-0#!##*#,0’3.9$0%!.+:+:/"（!）连续方程：#!#!!（+#*#,0#*#-）0#+#,/"（$）能量方程：;（/)）;-<*!!!!#;*;-/%:+$:!.<="$!#（)<)"）（=）式中+———油品流速，123；,———距离，1；-———时间，3；’———重力加速度，123!；$———管道倾角，（0）；%———摩阻系数；.———管道内径，1；/———油品热容，>2（67·8）；!!""!="，上海市闵行区上海交大建工学院1"##""?#班；电话：（"!#）@=A=@&A?。
水击及调保计算
水击波在水库处发生反射，入射波与反射波数 值相同，符号相反，升压波反射为降压波，水 流从阀门流向水库。
水电站
HYDROPOWER ENGINEERING
第三过程（
2L/a～3L/a）：t=2L/a时刻水击
波传至阀门处，阀门关闭，流速由-v0变为0，
压强下降，由H0 降统的强度 以及机组稳定性对整 个调节过程中的机组 转速变化及有压输水 系统中的压强变化提 出了要求，不允许超 过规定值。与之对应 进行的水击和机组转 速变化的计算，称为 调节保证计算。
水电站
HYDROPOWER ENGINEERING
二、水击现象
水击现象
流速（流量）的突然变化，导致水流动量发生变
思考题
1、什么叫调节保证计算?其任务是什么?
2、什么是水击?水击现象是如何发生的?
的弹性体，故水击波在管中的传播与反射非持续振荡， 而是迅速衰减趋于消失。
物理本质：当关闭阀门改变水流状态时，管
内压强变化并以波的形式传播的外因是由于 流量变化；而内因是由于水流的惯性、水的 可压缩性和管壁的弹性。
三、研究水锤现象的目的
(l)计算水电站过水系统的最大内水压强，作为设计 或校核压力管道、蜗壳和水轮机强度的依据。 (2)计算过水系统的最小内水压强，作为布置压力管 道的路线（防止压力水管内发生真空）和检验尾 水管内真空度的依据。 (3)研究水锤现象与机组运行（如机组转速变化和运 行的稳定性等）的关系。 (4)研究减小水锤压强的措施。
水击波速，增加的压强为水击压强。该过程发生的
为升压波，动能转化为弹性能，水流流速方 向从水库至阀门。
水电站
HYDROPOWER ENGINEERING
第二过程（L/a～2L/a）：t=L/a时刻水击波传至D点，
水击计算
水击计算当发生水击现象时，根据流体力学原理，压力管道中任一点的流速和压力不仅与该点的位置有关，而且与时间有关，这一不稳定状态将持续过渡到下一个稳定状态。
设在水平管内取出一段流体，在时间段△t 内，水击波从流体的一边传递到另一边。
水击波传播速度为a ，所以流体长度为△L= a △t 。
设原有的流速为V 0，水击波通过后的流速为V 0 –△V ，流速变化值为△V 。
压强也从原有的γH 增大到γ(H+△H)，同时流体密度和管道断面都有相应的变化。
根据冲量变化应等于动量变化的原理，即△ p △t = m △V[(γ+△γ)( H+△H)( A+△A)－γHA] △t=()g γγ∆+( A+△A) △L △V 忽略二阶微量，并且t L ∆∆ = a ，得： △H + H A A ∆ = ga △V 再忽略管道断面的变化，得出水击压头的增值为：△H = g a△V = g a(V 0 –V)式中：△H —— 水击压头 ，m ；a —— 水击波速 ，m/s ；V 0 —— 起始流速 ，0.91m/s ；V —— 终了流速 ，0m/s ；A —— 管内截面积，m 2 ；γ —— 流体的容重，kg/m 2. S 2；g —— 重力加速度 ，9.81m/s 2。
再根据连续方程，求得水击波速为：a = EeKD K +1ρ 式中： a —— 水击波速 ，m/s ；K —— 介质的体积弹性模量，1242MPa ；ρ —— 介质密度 ，856kg/m 3 ；D —— 管道内径 ， 0.208m ；e —— 管壁厚度 ，0.0052m ； E —— 管材的弹性模量，2.5×105MPa 。
a 约为 1100m/s 。
水击压头： △H = g a(V 0 –V) =81.91100× 0.91 = 102 m。
水电站的水击及调节保证计算
第四章水电站的水击及调节保证计算本章重点内容：水电站有压引水系统非恒定流现象和调节保证计算的任务、单管水击简化计算、复杂管路的水击解析计算及适用条件、机组转速变化的计算方法和改善调节保证的措施。
第一节概述一、水电站的不稳定工况由于负荷的变化而引起导水叶开度、水轮机流量、水电站水头、机组转速的变化，称为水电站的不稳定工况。
其主要表现为：(1) 引起机组转速的较大变化丢弃负荷：剩余能量→机组转动部分动能→机组转速升高增加负荷：与丢弃负荷相反。
(2) 在有压引水管道中发生“水击”现象管道末端关闭→管道末端流量急剧变化→管道中流速和压力随之变化→“水击”。
导时关闭时，在压力管道和蜗壳中将引起压力上升，尾水管中则造成压力下降。
导叶开启时则相反，将在压力管道和蜗壳内引起压力下降，而在尾水管中则引起压力上升。
(3) 在无压引水系统(渠道、压力前池)中产生水位波动现象。
二、调节保证计算的任务(一) 水击的危害(1) 压强升高过大→水管强度不够而破裂；(2) 尾水管中负压过大→尾水管汽蚀，水轮机运行时产生振动；(3) 压强波动→机组运行稳定性和供电质量下降。
(二) 调节保证计算水击和机组转速变化的计算，一般称为调节保证计算。
1．调节保证计算的任务：(1) 计算有压引水系统的最大和最小内水压力。
最大内水压力作为设计或校核压力管道、蜗壳和水轮机强度的依据；最小内水压力作为压力管道线路布置，防止压力管道中产生负压和校核尾水管内真空度的依据；(2) 计算丢弃负荷和增加负荷时转速变化率，并检验其是否在允许的范围内。
(3) 选择调速器合理的调节时间和调节规律，保证压力和转速变化不超过规定的允许值。
(4) 研究减小水击压强及机组转速变化的措施。
2．调节保证计算的目的正确合理地解决导叶启闭时间、水击压力和机组转速上升值三者之间的关系，最后选择适当的导叶启闭时间和方式，使水击压力和转速上升值均在经济合理的允许范围内。
第二节水击现象及其传播速度1、一、水击现象1．定义在水电站运行过程中，为了适应负荷变化或由于事故原因，而突然启闭水轮机导叶时，由于水流具有较大的惯性，进入水轮机的流量迅速改变，流速的突然变化使压力水管、蜗壳及尾水管中的压力随之变化，这种变化是交替升降的一种波动，如同锤击作用于管壁，有时还伴随轰轰的响声和振动，这种现象称为水击。
简单管道的水力计算(精)
第六章
虹吸管示意图
孔口、管嘴出流与有压管流
§6.5 简单管道水力计算特例
虹吸管长度一般不大，故应按短管计算，以例说明。 1. 虹吸管流量的计算 根据淹没出流的公式计算 Q S A 2 gH 2. 虹吸管安装高度的计算
S
1 l d
以下游断面为基准面，列出上游断面和顶部断面的能量方程
压力管的管径是由经济流速来确定，
重要的工程要对几种可能的方案进 行技术经济比选。
水泵的装机容量就是确定动力装
置的功率。其计算公式为
gQH t Pp 1000 p
第六章
水泵水力计算示意图
孔口、管嘴出流与有压管流
欢 迎 提 问
如果您有任何问题， 请毫不犹豫地提出 !
In case of you have any question, DO NOT hesitate to ask me !
第六章
孔口、管嘴出流与有压管流
欢 迎 提 问
如果您有任何问题， 请毫不犹豫地提出 !
In case of you have any question, DO NOT hesitate to ask me !
第六章
孔口、管嘴出流与有压管流
§6.5 简单管道水力计算特例
1. 虹吸管的水力计算
虹吸管是一种压力输水管道， （如图）顶部弯曲且其高程高于上游 供水水面。若在虹吸管内造成真空， 使作用在上游水面的大气压强和虹吸 管内压强之间产生压差，水流即能超 过虹吸管最高处流向低处。虹吸管顶 部的真空理论上不能大于最大真空值， 即10米高水柱。实际上当虹吸管内压 强接近该温度下的汽化压强时，液体 将产生汽化，破坏水流的连续性。故 一般不使虹吸管中的真空值大于7－8 米。
水击压力的计算和防护
过 的时间。压强波传播到 B 断面，如果以阀门突然关闭的瞬间作为时间 t=0，则时
段
为水击波传播的第一阶段。
（2）当 的瞬时，管内的流体处于静止与被压缩状态，由于 B 断面以右，管内 流体的压强为 p0+Δp，B 断面以左，大容器内流体压强为 p0，由于这一压差的存在，管 内流体又以速度 V0 自 B 断面向容器内倒流，倒流的结果，使压强由 p0+Δp 恢复到原来的 p0，管截面积也由 A+ΔA 恢复到原来的 A（这里将管壁的变形认为是弹性变形）。压强下
越大，则越接近于声速，极限情况下，当 E→∞时，则水击波以声速传播。
五、防止水击危害的方法
水击现象的发生，对管可采用
以下几方面的措施：
（1）延长阀门的关阀（或开启）时间，或缩短管长，尽量将直接水击改变为间接 水击。
（2）限制管路流速，一般液压系统中最大流速限制在 5～7m/s 左右。 （3）阀门前设置空气室或溢流阀，水击发生时，空气室里的空气受到压缩，或在 水击发生时，将部分液体从管中放出，从而使水击压强降低。 （4）增加管道弹性，例如液压系统中，铜管铝管就比钢管有更好的防水击性能， 或采用弹性较大的软管，如橡胶或尼龙管吸收冲击能量，则可更明显的减轻水击
管道水击现象 水击又称为水锤，在管道中液体的运动状态突然改变的情况下发生（例如阀门的突 然关闭或突然开启，水泵的突然启动或停止，水轮机或液压油缸突然变化负载等）。由 于流速突然发生迅速变化，结果由于流体惯性，必然引起管内压强的剧烈波动，即压强 的突然上升与突然下降，并在整个管长范围内传播。压强突变使管壁产生振动，并伴有 似锤之声，故将这种现象称为管内水击现象，或水锤现象。当阀门迅速关闭时，管内流 速急剧下降，压强迅速上升，称为正水击。正水击可能使管道爆裂。而当阀门迅速开启 时，管内流速急剧上升，压强迅速下降，称为负水击。负水击可使管道产生真空和汽蚀， 使管道变形。以下仅讨论正水击。 水击现象所引起的压强上升，轻微时，只表现为噪音与振动，严重时，压强变化甚 至可超过管内原有正常压强的几十倍甚至上百倍。以致超过了管壁材料的允许应力，造 成管道和管件的变形，甚至破裂。所以，了解水击现象的发生、发展和消失过程，对避 免削弱水击所产生的危害是十分必要的。 一、水击产生的过程 如下图所示，有一长为 L 的管道，其进口（即管道的 B 端）与一大容器相连，管道 的末端有一阀门。假定在定常流动的条件下，管中的流速和压强分别为 V0，p0。为简单 起见，在下面的讨论中忽略流体的粘性损失以及流速水头，即认定在定常流动的条件下， 管中的测压管水头线是一条与大容器水平面同高的水平线。
水击
1 水击及其危害水击是压力管道中一种重要的非恒定流。
当压力管道中的流速因外界原因而发生急剧变化时，引起液体内部压强迅速交替升降的现象，这种交替升降的压强作用在管壁、阀门或其他管路元件上好像锤击一样，称为水击。
水击引发的压强的升高或降低，有时会达到很大的数值，处理不当将导致管道系统发生强烈的震动，引起管道严重变形甚至爆裂。
因此，在压力管道引水系统的设计中，必须进行水击压力计算，并研究防止和削弱水击作用的措施。
2 水击压力防护措施为确保管道安全运行，除在设计中慎重考虑外，更应加强管理，制定和遵守严格操作规程。
水击压力计算公式表明：影响水击压力的主要因素有阀门起闭时间、管道长度和管内流速，因此，可针对以上因素在管道工程设计和运行管理中采取以下措施来避免和减小水击危害。
（1）操作运行中应缓慢启闭闸门以延长闸门启闭时间，从而避免产生直接水击并可降低间接水击压力。
（2）由于水击压力与管内流速成正比，因此在设计中应控制管内流速不超过最大流速限制范围。
但有时管道中的流量是一定的，管径一般由动能经济计算确定，减小流速意味着加大管径。
用减小流速的办法降低水击压强，往往是不经济的，一般并不采用。
但在一定的条件下，例如适当的加大管径可以免设调压井时，采用这一措施可能是合理的。
（3）由于水击压力与管道长度成正比，因此在设计中可隔一定距离设置具有自由水面的调压井或安装安全阀和进排气阀，以缩短管道计算长度并消减水击压力。
减压阀适用于引水管道较长和不担任调频任务的中小型水电站是比较经济的。
但由于减压阀在电站机组增加负荷时不起作用，不能改善电站运行的稳定性，电站在变动小负荷（机组额定出力15％以下）时减压阀不动作，因而恶化了机组的速动性，这种一般采用调压井减小水击压强。
水击压头H=a•△V/g= a•(V0－V)/g其中：V0－水击前的流速，米/秒V－水击后的流速，米/秒g－重力加速度，米/秒2a－水击波传播速度，米/秒，与管径、壁厚、管道材质、管道弹性模量、介质密度、介质的体积弹性系数、管道的固定情况有关可见，对输送某种介质的某条管道，水击压头的大小与水击时管道流速的变化量成正比（注意流速应有方向性，假设某方向为正，即反方向应为负）第四节输油管道中的水击一、水击产生的原因及其危害水击现象，是指在压力管路中，由于某种原因而引起流速变化时，引起的管内压力的突然变化。
简单管道水击电算程序编制的探讨
第4期（总第174期）2009年11月No.4（Total No.174）Sep.20091006－8139（2009）04－61-030引言为了避免或减轻水击造成的不利影响，对于压力管道来说，研究水击问题主要目的有：计算水击压力，看是否超过规定的允许值；当计算压力管道时，设计内水压力为静水压力和水击压力之和，因此在设计管道时，必须首先计算正水击；另外，当决定压力管道的线路布置时，在管道纵向拐弯的地方，要以负水击检查管路拐弯处是否产生真空，并应留有2～3m 的余压。
对金属管道来水，管道产生真空，会被大气压强压瘪，尤其应该避免，更不允许水体断开，以防毁坏管道；因此，研究水击问题将是很有必要。
但是水击计算需要涉及大量运动偏微分方程和连续偏微分方程，给手工计算带来了很多不便。
所以，在设计中常常使用水击简化公式计算，结果一般过于保守，给工程增加了投资。
因此，为了提高计算精度及工作效率，本文在一维非恒定流的连续性方程和运动方程的基础上利用Visual Basic 语言，对水击分析数值计算中常用的特征线方程进行计算机语言编程，使水击计算变得更加方便快捷。
1管道水击数学模型1.1特征线法差分方程取管道轴线（起点为管道上游水库）顺水流方向为x 轴，时间t 为纵坐标轴，如图1所示为两条特征线族组成的网格。
若已知两点A 、B 的位置（x i-1，t i-1）、（x i+1，t i+1）和相应的流速及水头（v i-1，H i-1）、（v i+1，H i+1），则可用差分方程得出两条特征线相交点P 的位置（x i ，t i ）和相应的（v i ，h i ），由于一般管道中流速远远小于水击波波速，特征线方程可近似写成△x=±c △t ，所以内格点特征线计算方程见式（1）、式（2）。
为了避免重复工作，本文省去差分方程详细推导过程，仅给出编写程序所需的推导结果，如读者需要了解推导过程可参考其他有关书籍［1］。
（注：《水力设计手册》P25，式1-3-30、1-3-32有误，经查相关资料，分别更正如下：c （v p -v b ）-（H p -H b ）+λ|v b |v bc （t p -t b ）-V b sin θ（t p -t b ）=0c g （v pi -v i+1）-（H pi -H i+1）+λ△x 2gD |v i+1|v i+1-v i+1sin θ△t=0（v i -v i-1）+g （H i -H i-1）+f △t v i-1|v i-1|+g △tv i-1×sin θ=0（1）（v i -v i+1）+g c （H i -H i+1）+f △t 2D v i+1|v i+1|-g △tc v i+1×sin θ=0（2）按这种考虑，任意中间断面P i （2<i<N ）的流速和水头计算公式分别为：v i =0.5［v i -1+v i +1+g （H i -1-H i +1）-f △t（v i -1|v i -1|+v i+1×|v i+1|）-g △t2c v i-1sin θ（v i-1-v i+1）］（3）H i =0.5［H i-1+H i+1+c g （v i-1-v i+1）-c g f △t2D （v i-1|v i-1|-v i+1|v i+1|）-△t 2sin θ（v i-1+v i+1）］（4）式中：v ———对应的流速,m/s ；H ———对应的水击压强水头,m ；g ———重力加速度，取9.81m/s 2；简单管道水击电算程序编制的探讨安普太（水利部山西水利水电勘测设计研究院，太原030024）摘要：文中在一维非恒定流管道水击数学模型的基础上，对水击分析数值计算中常用的特征线方程进行了恒等变形，利用VisualBasic 语言编制了相应的计算程序，并结合实例对程序的使用和计算结果进行了介绍和简单分析。
圆管流动水击压力波测量及水力计算
圆管流动水击压力波测量及水力计算
答案：
圆管流动水击压力波的测量和水力计算是研究水击现象的重要手段。
测量方法
为了探索水击现象的物理过程和机理，研究人员研制了自循环定常流动管路瞬态特性计算机控制试验装置，并利用该装置进行圆管流动水击压力波实验测量。
通过使用12只扩散硅压力传感器，测定圆管流动水击压力波的瞬态分布及最大、最小压力值，由试验数据拟合出水击波波形，揭示了水击压力波传播方式、特性及衰减规律。
水力计算方法
通过分析随机捕捉测量技术方法，理论上推断出测量数据达到可信精度。
在归纳分析试验数据基础上，得出最大压力随关阀时间的关系曲线，用数值分析方法拟合出水击最大压力水力计算修正方程式。
实际应用和影响
水击现象在管道设计、液压传动、水力机械和流体工程等领域具有重要影响。
掌握水击过程机理及预测方法，以及研究水击的防护方法及其设计，对于减少水击带来的危害具有重要意义。
雷诺数和阻力损失的计算公式
•雷诺数（Re）：Re = vd/r，其中v是流体速度，d是管线内径，r是运动黏度。
当Re小于2040时为层流，2040-2800为不稳定流，2800以上为紊流。
•阻力损失（h）：h = λlv^2/(2gd)，其中λ是摩阻系数，l是长度，v是流体速度，g是重力加速度，d是管线内径。
层流的摩阻系数λ = 64/Re；不稳定流的摩阻系数λ = 0.16Re^-13；紊流的摩阻系数λ = 0.3164Re^0.25。
输水管道水力计算公式
输水管道水力计算公式1．常用的水力计算公式：供水工程中的管道水力计算一般均按照均匀流计算，目前工程设计中普遍采用的管道水力计算公式有:达西（DARCY ）公式：g d v l h f 22**=λ （1）谢才（chezy ）公式：i R C v **= （2）海澄－威廉（HAZEN-WILIAMS ）公式：87.4852.1852.167.10d C l Q h h f ***= （3） 式中 h f -----------沿程损失，mλ----------沿程阻力系数l -----------管段长度，md-----------管道计算内径，mg-----------重力加速度，m/s 2C-----------谢才系数i------------水力坡降；R-----------水力半径，mQ-----------管道流量m/s 2v------------流速 m/sC n -----------海澄―威廉系数其中达西公式、谢才公式对于管道和明渠的水力计算都适用。
海澄－威廉公式影响参数较小，作为一个传统公式，在国内外被广泛用于管网系统计算。
三种水力计算公式中 ，与管道内壁粗糙程度相关的系数均是影响计算结果的重要参数。
2．规范中水力计算公式的规定3．查阅室外给水设计规范及其他各管道设计规范，针对不同的设计条件，推荐采用的水力计算公式也有所差异，见表1：表1 各规范推荐采用的水力计算公式3．1达西公式达西公式是基于圆管层流运动推导出来的均匀流沿程损失普遍计算公式，该式适用于任何截面形状的光滑或粗糙管内的层流和紊流。
公式中沿程阻力系数λ值的确定是水头损失计算的关键，一般采用经验公式计算得出。
舍维列夫公式，布拉修斯公式及柯列勃洛克（C.F.COLEBROOK ）公式均是针对工业管道条件计算λ值的著名经验公式。
舍维列夫公式的导出条件是水温10℃，运动粘度1.3*10-6 m 2/s,适用于旧钢管和旧铸铁管,紊流过渡区及粗糙度区.该公式在国内运用较广.柯列勃洛可公式)Re 51.27.3lg(21λλ+∆*-=d (Δ为当量粗糙度,Re 为雷诺数)是根据大量工业管道试验资料提出的工业管道过渡区λ值计算公式，该式实际上是泥古拉兹光滑区公式和粗糙区公式的结合，适用范围为4000<Re<108。
5.4 管路的水力计算解析
2 l v hv 进 弯 d 2g
如图，水泵向水池抽水，两池中液面高差z=45m，吸水 管和压水管的直径均为500mm，泵轴离吸水池液面高度
h=2m。吸水管长 10m，压水管长 90m，沿程阻力系数均
为 0.03 。局部水头损失系数：吸水口 ζ 1=3.0 , 出口 ζ s=1.0 , 两个 90 度弯头 ζ
2
= ζ
3
=0.3，水泵吸水段
5
ζ
4
=0. 1 ， 压 水 管 至 水 池 进 口 ζ
=1.0 。 流 量 为
0.4m3/s。 吸水管的真空度。
解：对1-1和3-3断面列能量方程
v 000 h hw13 2g hw13 p3 l吸 v 2 ( 1 3 4 ) d 2g
c
1 200 1 0.03 0.5 2 0.25 0.12 0.4
1 Q c A 2 gH 0.2417 0.42 2 9.8 10 4 0.4254 m2 / s
例2 水箱供水，l=20m，d=40mm，λ =0.03 ，总 局部水头损失系数为 15。求流量Q=2.75L/s时的作 用水头H。
v2 H 4.5 hw32 2g pB hw32
pB
lBC v2 ( 3 4 s) d 2g
lBC v2 ( 3 4 s 1) H 4.5 d 2g 5.09mH 2O
水泵吸水管的计算
水泵从蓄水池抽水并送至水塔，需经吸水管 和压水管两段管路。水泵工作时，由于转轮的转 动，使水泵进口端形成真空，水流在水池水面大 气压的作用下沿吸水管上升，经水泵获得新的能 量后进入压水管送至水塔。
流体力学-第十章管路水力计算
（3）压强降低过程
在B处，由于有向左的V0 ，压强 p0，使B处 有向左离开的趋势。由于B右侧无液流填充， 又使其停止，压强降低，密度减小。在理 想情况下，压强降低值=升高值Δp，从B传 至A用的时间为t=l/a，称降压波，使AB段 V=0，压强p= p0 -Δp 。
（4） 压强恢复过程
当减压波传到A。被蓄能器截止，在A两侧 产生压差，使流体向右流，速度V0，达到B 处，使AB段压强回到p0，所用时间为t=l/a ， 速度 V0 。 此时若阀门仍关闭，则重复开始升压波→压 力恢复→ 减压→压强恢复过程。因此，用 4t=4l/a完成一个水击周期，速度依次V0→0， 0→ V0 ；V0 →0，0→ V0 。理想条件下，无 阻力，无能损，水击将无休止进行下去。
对恒定流，由于忽略可压缩性，结果和实 际差不多。对非恒定流，水击必须考虑压 缩性，而且还要考虑管壁的膨胀。下面以 图示情况说明水击过程
V0 , p0
在A处装有足够大的蓄能器，即认为水击 波截止于A处，A以前保持不变的 V0, p0 。 假定无粘性，l , d 不变。假定B处阀门突 然关闭，时间 t 0 。并假设管中液体由 无数微段组成，彼此互挨并且互无联系。
内部流量为qv2 ， qv3 ， qv4
并联特点：（1）阻力相等
h f 2 h f3 h f 4
q l K
2 vi i 2 i
i=2、3、4
（2）流量 ：在支线上分流
qv1 qv2 qv3 qv4 qv5
第五节 枝状管路的水力计算
h fi q l K
2 vi i 2 i
h li
(1)
2 Ki
当有泄漏时，
qi 0
qi 1 qi qvi
水击
柱分离。
三、一个中间泵站突然停运时的水击特点
三、一个中间泵站突然停运时的水击特点
三、一个中间泵站突然停运时的水击特点
三、一个中间泵站突然停运时的水击特点
气体逸出和液柱分离
四、密闭输送管道的事故保护
输油管道中发生的水击，从产生的原因有许多种，但
对管道与设备安全构成威胁的有两种：
（1）中间泵站因为动力中断，输油泵突然全部关闭， 在停泵站进口侧产生高压波，停泵站出口侧产生低压波；
对于事故引起的流量变化，产生的瞬变流动剧烈程度，
取决于事故本身的性质。如果压力变化引起的瞬变压力 超过管道允许的工作条件，就需要对管道系统采取相应 的调节与保护措施。
二、水击计算的基本公式
1、水击压力 由于液流速度的时变化所引起的初始水击压力值可按 下式计算：
p a（v 0 - v）
五、干线检漏
（1）、压力坡降法检漏 （2）、压力波法检漏
谢谢大家!
输油管道中的 水击
新疆油田油气储运公司 2012年5月25日
主要内容
一、水击产生的原因及危害 二、水击计算的基本公式 三、一个中间站突然停运时的水击特点 四、密闭输送管道的事故保护
一、水击产生的原因及危害
水击现象：指在压力管道中，由于某种原因而引起流速
变化时，引起管内压力的突然变化。造成压力波在管内的迅
所不同的是利用外加氮气系统，适用于各种油品，缺点是
需要一套复杂的氮气系统，投资和运行费用较高。
四、密闭输送管道的事故保护 （ 1）、泄放保护
泄放阀参数的计算在于根据阀的口径及所定压力给定 值确定其泄放量，计算公式如下：
Ps Q 0.0865KF 式中 Q —泄放阀泄放能力，d m3/h；
计算水击的方法简化公式法、图解法、电算法等.在进行水击计算资料
水电站 HYDROPOWER ENGINEERING
五、复杂管水击近似公式
串联管水击近似公式
用简化公式计算 水击波速采用加权平均值 流速采用加权平均值
分岔管水击近似计算
假想所有机组合并为一台大机组，以假想管与主管组成串 联管进行计算
直接用支管与主管组成串联管
水电站 HYDROPOWER ENGINEERING
水电站 HYDROPOWER ENGINEERING
间接水击的计算
关闭情形 第一相水击计算简化公式（式9-17与式9-17‘） 极限水击计算简化公式（式9-23与式9-23‘）
开启情形 第一相水击计算简化公式（式9-19与式9-19‘） 极限水击计算简化公式（式9-24与式9-24‘）
间接水击类型的判别
根据图9-6。
水电站 HYDROPOWER ENGINEERING
水击计算简化公式应用的条件：简单管、水管末端为 水斗式水轮机（喷嘴-ρΔτ＜1。
若管末为反击式水轮机，需将简化公式计算值修正。 混流式机组近似为1.2倍，轴流式机组近似为1.4倍。
六、水击图解法
基本原理
横坐标为流速相对值，纵坐标为水击压强相对值 逆向方程与顺向方程表达的两条直线 管内部断面B求解 水管进口断面D求解 水管末端断面A求解
求解实例
某水电站静水头120m，压力水管长400m，最大流速4.5m/s， 水击波速1000m/s，净调速时间2.4s，管末为水斗式水轮机， 直线关闭规律，求丢弃全负荷时管进口D断面、管中B断面 以及管末A断面的水击压强。
5、水击图解法的基本原理是什么?图解法的步骤如 何?它和解析法相比有何优缺点?
水电站 HYDROPOWER ENGINEERING
水击
在管壁材料强度允许的条件下，应当选用直径较大， 管壁较薄的水管。
水击波传播的速度
根据质量守恒原理可推导出水击波的传播速度
c
c0
(1 D K )
E
c：0 声波在水中的传播速度 c0 1435m/s
K——液体的弹性系数 E、D、δ——管壁材料的弹性模量、管径、管壁厚度
2、减压顺波
H
c H
B
v0
v=0 A
L
阶段 时段
速度 变化
流速方向
压强变化
水击波 传播方向
运动状态
液体状态
(b) L/c<t<2L/c 0 → -v0 阀门→水库 恢复原状 水库→阀门 减速减压 恢复原状
h0
B
v0
A
L
时刻
全管速度
全管压强 水头
水击波 到达
t=2L/c
v= -v0
H
A点
液体状态
v= v0
h0
A点
复原
状
态
阶段 时段
速度 变化
流速方向
压强变化
水击波 传播方向
运动状态 液体状态
(a) 0<t<L/c v0→0 水库→阀门 增高p 阀门→水库 减速增压 压缩 (b) L/c<t<2L/c 0 → -v0 阀门→水库 恢复原状 水库→阀门 减速减压 恢复原状 (c) 2L/c<t<3L/c -v0→0 阀门→水库 减低p 阀门→水库 增速减压 膨胀
若关闭阀门所经历的总时间为Ts，则可将它分成n 个时段△t1， △t2 ，…… △tn ， Ts =∑△t1 ，
输水管道水力计算公式
输水管道水力计算公式1．常用的水力计算公式：供水工程中的管道水力计算一般均按照均匀流计算，目前工程设计中普遍采用的管道水力计算公式有:达西（DARCY ）公式：g d v l h f 22**=λ （1）谢才（chezy ）公式：i R C v **= （2）海澄－威廉（HAZEN-WILIAMS ）公式：87.4852.1852.167.10d C l Q h h f ***= （3） 式中 h f -----------沿程损失，mλ----------沿程阻力系数l -----------管段长度，md-----------管道计算内径，mg-----------重力加速度，m/s 2C-----------谢才系数i------------水力坡降；R-----------水力半径，mQ-----------管道流量m/s 2v------------流速 m/sC n -----------海澄―威廉系数其中达西公式、谢才公式对于管道和明渠的水力计算都适用。
海澄－威廉公式影响参数较小，作为一个传统公式，在国内外被广泛用于管网系统计算。
三种水力计算公式中 ，与管道内壁粗糙程度相关的系数均是影响计算结果的重要参数。
2．规范中水力计算公式的规定3．查阅室外给水设计规范及其他各管道设计规范，针对不同的设计条件，推荐采用的水力计算公式也有所差异，见表1：表1 各规范推荐采用的水力计算公式3．1达西公式达西公式是基于圆管层流运动推导出来的均匀流沿程损失普遍计算公式，该式适用于任何截面形状的光滑或粗糙管内的层流和紊流。
公式中沿程阻力系数λ值的确定是水头损失计算的关键，一般采用经验公式计算得出。
舍维列夫公式，布拉修斯公式及柯列勃洛克（C.F.COLEBROOK ）公式均是针对工业管道条件计算λ值的著名经验公式。
舍维列夫公式的导出条件是水温10℃，运动粘度1.3*10-6 m 2/s,适用于旧钢管和旧铸铁管,紊流过渡区及粗糙度区.该公式在国内运用较广.柯列勃洛可公式)Re 51.27.3lg(21λλ+∆*-=d (Δ为当量粗糙度,Re 为雷诺数)是根据大量工业管道试验资料提出的工业管道过渡区λ值计算公式，该式实际上是泥古拉兹光滑区公式和粗糙区公式的结合，适用范围为4000<Re<108。
管道水击问题分析计算及预防
2 0 0 6年 第8期 式中 � � � 设计安全系数 � 0 . 7 2 4� � � � 焊接系数 � " � � � 材料的屈服极 限 � � �
刘
宏� 管道水击问题分析 计算及预防 8 5 起的直接水击可高达 1 可见水击压强是很大的 � 0 0 � 水柱 ,
总第 1 2 4期 2 0 0 6 年第 8 期
西部探矿工程 �E � �-CH I NAE � P L O RA � I O NE N G I N E E R I NG
� � � � � �N � . 1 2 4 A � . 2 0 0 6 �
����������������������������������������������������� 文 章编 号 � 1 0 0 4�5 7 1 6( 2 0 0 6) 0 8�0 0 8 4�0 2 中 图分类 号 � � � 9 9 1 . 3 6 文献 标识 码 � B
1� 事故 � 也可能出 现这 种波 动压 力与 其它 周期 现象 发生 共振 � � � 2 性的传播过程中 � 以阀门 的突然 关闭为 例 � 把 水击的 传 播过程分为 4 个阶段 � 第一阶段增 压波反 向传递 � 这时 全管液 体 处于被压缩状态 � 第二阶段减压波 正向传 递 � 整个管道 的液流 变 到正常压强 � 第三阶段减压波反向传递 � 全管处于瞬时低压 状态 � 当压强低于该温度下的液体的 汽化压 强时 � 会产 生汽化 现象 � 水 柱被拉断 � 待正压波到来时 � 两侧液流因对流而碰撞 � 压力骤然升 高 � 第四阶段增压波正向传递 � 全管恢复到起始正常状态 � 水击 现象将重复上述 4 个阶段 � 而这 4 个阶段是联系在一起的 � 在水击的传播过 程 中 � 管道 各断 面的 流速 和压 缩都 随时 间 周期性地升高或降低 � 所以 � 水击过 程是非 恒定流 � 如 果水击 传 播过程没有能量损失 � 水击波将一直周期性地传播下去 � 但实际 上� 液 体在运动过程中的粘性摩擦 及液体 和管壁 的形变作 用 � 能 量不断损失 � 因而水击压强迅速衰减 � � 水 击压强计算
水击计算
水击计算当发生水击现象时，根据流体力学原理，压力管道中任一点的流速和压力不仅与该点的位置有关，而且与时间有关，这一不稳定状态将持续过渡到下一个稳定状态。
设在水平管内取出一段流体，在时间段△t 内，水击波从流体的一边传递到另一边。
水击波传播速度为a ，所以流体长度为△L= a △t 。
设原有的流速为V 0，水击波通过后的流速为V 0 –△V ，流速变化值为△V 。
压强也从原有的γH 增大到γ(H+△H)，同时流体密度和管道断面都有相应的变化。
根据冲量变化应等于动量变化的原理，即△ p △t = m △V[(γ+△γ)( H+△H)( A+△A)－γHA] △t=()g γγ∆+( A+△A) △L △V 忽略二阶微量，并且t L ∆∆ = a ，得： △H + H A A ∆ = ga △V 再忽略管道断面的变化，得出水击压头的增值为：△H = g a△V = g a(V 0 –V)式中：△H —— 水击压头 ，m ；a —— 水击波速 ，m/s ；V 0 —— 起始流速 ，0.91m/s ；V —— 终了流速 ，0m/s ；A —— 管内截面积，m 2 ；γ —— 流体的容重，kg/m 2. S 2；g —— 重力加速度 ，9.81m/s 2。
再根据连续方程，求得水击波速为：a = EeKD K +1ρ 式中： a —— 水击波速 ，m/s ；K —— 介质的体积弹性模量，1242MPa ；ρ —— 介质密度 ，856kg/m 3 ；D —— 管道内径 ， 0.208m ；e —— 管壁厚度 ，0.0052m ； E —— 管材的弹性模量，2.5×105MPa 。
a 约为 1100m/s 。
水击压头： △H = g a(V 0 –V) =81.91100× 0.91 = 102 m。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
由于管路内出现水击压力是一种偶然性荷载，这时对钢管材料的容许应[ σ ]力可提高1.7倍，但也不 应大于0.96σ s 参考资料：《工程流体力学》、《管道及储罐强度设计》、《输油管道工程》Fra bibliotek击计算备注
水为2.06×109Pa，原油参见表4-1 钢管为2.06×10 Pa，铸铁管为9.8×10 Pa
11 10
输入绿色部分）
钢管输水时一般为1200-1400m/s；输油时一 般为900-1100m/s 瞬时关闭阀门时的水击压力
输入绿色部分）
必须满足t0＞t
缓慢关闭阀门时的水击压力
校核
直接水击时的应力 间接水击时的应力
可参见《输油管道工程设计规范》
钢管材料的容许应[ σ ]力可提高1.7倍，但也不
简单管路水击计算
直接水击计算（仅输入绿色部分） 制作人：丁泉允 E-流体弹性系数 E0-管材弹性系数 Q-流量 D-管道外径 Di-管道内径 δ -管道壁厚 ρ -流体密度 L-管长 v-流速 c-水击传播速度 Δ P-直接水击压力 t-避免产生直接水击的关闭时间 P0-最大工作压力 t0-阀门关闭时间 ψ θ ξ Δ P'-间接水击压力 σ h-内压环向应力 σ h'-内压环向应力 K-设计系数 φ -焊缝系数 σ s-钢管的最低屈服强度 [σ ]-许用应力 1600000000 Pa 206000000000 Pa 30070 m3/d 0.6100 m 0.5942 m 0.0079 m 945.00 kg/m3 50000.00 m 1.2551 m/s 1033.81 m/s 1226128.53 Pa 96.73 s 间接水击计算（仅输入绿色部分） 2300000 Pa 90 s 0.2665 0.9304 1.1534 760014.02 Pa 管壁强度校核 265.22 MPa 230.16 MPa 0.7200 1 290 208.8 MPa
计》、《输油管道工程》