气体管网水力特征与水力计算

2.1 气体管网水力特征
两式相加有：
g(1 2 )(H2 H1 ) P
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分布情况。
2.1 气体管网水力特征
思考题1：
请分析南门万家丽路地下通道的自然通风气流 情况。
2.1 气体管网水力特征
5
4 3 2 1 系统图
7F
1F
当没有开启排风机、且未设防倒流阀，夏 季竖井中密度低，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。
2.1 气体管网水力特征
当密度沿高度变化时，位压为：
H2 H1
g (
H2
a
Biblioteka Baidu )dH
若动力设备提供输入压力P，则：
思考题2：
请分析1、2断面高度不等的情况。
2.1 气体管网水力特征
3）闭合管道内的重力流
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。
H2
g(1 2 )(H2 H1 ) P
H1
2.1 气体管网水力特征
注意：
若管内密度分段不均匀时，在密度分界点选取 计算断面分析。
p
q1
pq 2
H1
g (
a
)dH p p1 2
气体管流水力特征综合概括，适用于重力流、压 力流及二者综合作用的性况。
2.2 管网水力工况分析理论基础
在管网的任意闭合回路中，驱使流体流动 的动力与流动的阻力相平衡。
P P P G q
能量平衡：动力等阻力。
2.1 气体管网水力特征
驱动力与流动的关系 若压力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的流动阻力。
2.1 气体管网水力特征
思考题： 请分析空调建筑装有排气风机的卫生间排气 竖井，冬季和夏季位压对排气能力的影响， 设计计算以哪个季节最佳。 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。
PG g ( H 起点 H终点 )
2.2 管网水力工况分析理论基础
叠加闭合回路中所有段落的重力作用力，得到该 回路沿规定回路方向的总重力作用力。 重力作用力值为正，表明该回路中重力作用力推 动规定回路方向的流动；其值为负，阻碍规定回 路方向的流动。
2.2 管网水力工况分析理论基础
2.2 管网水力工况分析理论基础
环路独用管段资用压力分配方法：
共用管路的资用压力等于共用管路的流动阻力 ΔPg。 独用管路的资用压力Pd=PzbL- ΔPg 。 按确定的方案将Pd分配给独用管路的每一段管 路。
上述方法实质为压损平均法。 思考题：如何确定管段流动阻力？
2.2 管网水力工况分析理论基础
Pj1
1v12
2
g ( a 1 )(H 1 H 2 ) P 1 D
1
2
H2
Pjd Pjd
2 d vd
2 2 2
2 d vd
ρ 1
ρ 2
g ( a 2 )(H 2 H 1 ) PD 2
H1 D
Pj 2
2 2 v2
P i ,d P zi , zbL P i,g
管网系统设计目的在于，让独用管路的阻力与其 资用压力相等。 管网环路平衡的实质在于：不同环路的独用管路 平衡。
2.2 管网水力工况分析理论基础
独用管路的压损平衡：
通过调整管路尺寸，改变管内流速，使其在要 求的流量下，流动阻力等于资用动力，保证管 网运行时，独用管路的流量达到要求值。
2.2 管网水力工况分析理论基础
作业1：写出下图所示排风系统能量平衡方 程。
Z3
ρ a
Z2 Z1
ρ 2 ρ 1
ρ a
P G P q P 1 P 2 P 3
2.2 管网水力工况分析理论基础
作业2：
冬季工况下，热源的供水温度 为60℃ （ρ= 985kg/m3），回 水温度为40℃（ρ=992 kg/m3）， 分别计算用户S1和 S2与热源所形成的回路的重力 循环作用力。 设水泵输出总压力为P，建立 两个回路的能量平衡方程。
1.2 气体压力管流水力特征
断面间的全压关系：
位压为零的管流，全压克服阻力，驱使流体流动。 管段中没有外界动力输入时，下游断面全压低于上游断面。
Pq1 P 12 P q2
Pq1 P 12 P q2
流速变化引起动 压变化，必引起 静压变化！
2.1 气体管网水力特征
闭合回路中的压力驱动力：
压力容器或上级管网。
与环境交界面的压力；
流体机械提供的压力。 作用点在环路的一个“断面”位置，作用于整个 环路，作用于共用管段时，则共用该管段所有环 路受到全压相同。 将回路中的压力叠加 。压力作用力有方向性，当 其方向与回路方向一致时取正值，反之取负值。
2.2 管网水力工况分析理论基础
什么是回路？
2.2 管网水力工况分析理论基础
回路是指一个闭合的“链”；回路方向是 人为规定的，不要求其中的管段流向一致， 也不要求管段流向与回路方向一致； 闭合包括实际管道的闭合，也可以是开式 管网的“虚拟闭合”。 什么是“虚拟闭合”？
2.2 管网水力工况分析理论基础
“虚拟闭合”的概念与方法： 针对开式管网，设“虚拟管路”使之闭合。
本章重点
1、气体管流的水力特征及其对管网设计与 运行的影响； 2、管网的能量平衡； 3、流体输配管网水力计算的基本概念、原 理及方法； 4、气体输配管网水力计算案例。
2.1 气体管网水力特征
1.1 气体重力管流的水力特征 1）竖向开口管道
2.1 气体管网水力特征
1-2断面间的能量方程
c
10m
E V2 S2 d
V1 a S1 P1 R P2 f b
50m
V3 e
2.2 管网水力工况分析理论基础
作业3：
如图所示，设液面的压 力P1=P2=0,水泵输出压 力为P，试建立该管网的 能量平衡方程。
2.2 管网水力工况分析理论基础
独用管段与共用管段
2.2 管网水力工况分析理论基础
若只是截出 的一段管段 不具有此关 系式！
2.1 气体管网水力特征
上式表明：此种情况下依靠位压（即重力 的作用）克服流动阻力。流动方向取决于 管内外的密度差。 思考题：请分析楼梯间夏、冬季的自然通 风气流情况。
2.1 气体管网水力特征
2）U型管道内的重力流
断面1-D、断面D-2的能量方程为：
小窍门：想一想“需”的意义？预算，成本，客 观需要由动力设备给出的压力！
2.2 管网水力工况分析理论基础
环路资用压力：需用压力确定后，则环路的资用 压力为：
Pzi Pq,i PG,i
小窍门：想一想“资”的意义？投资，由某种形 式产生而系统具备的动力：设备给出的压力与重 力作用力之和！
闭合回路流动阻力的代数和的计算方法：
（1）划分计算管段； （2）按流体力学方法计算各管段的流动阻力； （3）求取沿回路方向各管段流动阻力的代数 和，当实际流动方向与回路规定方向一致时， 阻力取正值；反之取负值。
2.2 管网水力工况分析理论基础
闭合回路的能量平衡
1、闭合回路，并规定回路的流动方向； 2、求沿规定回路方向的重力作用力； 3、求沿规定回路方向的压力作用力代数和; 4、求沿回路方向的管路流动阻力的代数和; 5、建立回路能量平衡方程式。
用压力。
Pq Pzbl PGzbl
实际管网中，各环路重力作用力通常不同，在全 压相同时，各环路资用压力不同，这也是管网设 计和调控失败的原因！ 作业：查GB50736－2012热水管网平衡分析时关 于重力作用力的规定！
2.2 管网水力工况分析理论基础
重力作用力的计算方法： 闭合回路，并规定回路的流动方向； 沿回路方向划分管段，原则：按照流体密度变化 划分管道段落，与管段内的实际流动方向、高差 的起伏变化无关； 沿回路方向列出各管段的重力作用力，方法：
独用管路的流动阻力等于其获得的资用压 力。 环路资用压力=与最不利环路的共用管路资 用压力+不与最不利环路共用的独用管路资 用压力 与最不利环路的共用管路上，分配的资用 压力等于其流动阻力。
2.2 管网水力工况分析理论基础
任意环路i独用管路的资用压力Pi,d： 环路i独用管段资用压力Pi,d等于最不利环路Pzi,zbl 减去环路i与最不利环路的共用管段Pi,g 。
2.2 管网水力工况分析理论基础
各环路的需用压力应作用在所有环路的共 用管路上，每个环路得到的全压作用是相 同的，则任意环路资用压力为：
Pzi Pq P G,i
注意：系统的资用压力可能小于、等于、大于需 用压力，现实与理想的关系！
2.2 管网水力工况分析理论基础
一般按照“最不利环路”来确定管网的需
Pqi P Gi P i
由要求的流量、合理的管内流速、确定管道尺寸，
得到环路流动阻力ΔPi。
由环路内流体密度与环路空间走向得到重力形成
的环路流动动力PGi。
2.2 管网水力工况分析理论基础
环路需用压力：环路所需要风机、水泵等动力设 备提供的全压。
Pqi Pi PGi
静压 位压 动压
Pj1
v12
2
g ( a )(H 2 H1 ) 2 P 1 2
Pj 2
2 v2
2.1 气体管网水力特征
当1断面和2断面分别为管道的进口和出口， 这时静压均为0。若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 ) P
虚拟管路：连接开式管网通向环境的两个 开口之间的管路。该管路中的流体为环境 流体（通常为大气），其密度为环境流体 密度；虚拟管路的断面趋于无限大，流速 趋于零，流动阻力为零。
2.2 管网水力工况分析理论基础
2.2 管网水力工况分析理论基础
稳态流量下，任意环路i的流动动力与流动 阻力相等：
独用管段与共用管段
通路一：1-3-5-6-7 通路二：2-3-5-6-7
通路一、二：管段1、2分别为的独用管段，管段 3-5-6-7为两个通路的共用管段。
2.2 管网水力工况分析理论基础
水力计算的本质：
水力计算即将资用压力分配到环路管段。
与最不利环路的共用管段的资用压力，由 最不利环路资用动力分配确定。 任意环路只在独有管路上有分配资用压力 的自由。
可以通过改 变流速改变 断面静压
2.1 气体管网水力特征
思考题： 通过改变流速改变断面静压，有什么用处？
2.1 气体管网水力特征
1.3 压力和重力综合作用下的气体管流水力特征
Pq1 Pq 2 g (a )(H2 H1 ) P 12
断面间的全压差反映压力作用，位压反映重力作 用，二者综合作用，克服流动阻力，维持管内流 动。 位压驱动密度小的气体向上流动，密度大的气体 向下流度；阻挡相反方向的流动。
思考题：
管内密度逐渐变化时，如何处理？
2.1 气体管网水力特征
1.2 气体压力管流水力特征
当管道内外不存在密度差，或是水平管网时，位压为零， 管道的任何两个断面间，如果没有机械动力装置，则有：
p j1
v12
2
p j2
2 v2
2
p12
两个断面之间 的能量方程！
2.1 气体管网水力特征
断面间静压关系
2 v2 v12 p j1 p1 2 2 2 p j 2
2 v2 v12 当p1 2 2 2 0时，p j1 p j 2 2 v2 v12 当p1 2 2 2 0时，p j1 p j 2 2 v2 v12 当p1 2 2 2 0时，p j1 p j 2