输油管道设计与管理第四课

根据流体力学理论
其中： 为管壁的绝对粗糙度 为管壁的绝对粗糙度， 为管道内径 为管道内径。 其中：e为管壁的绝对粗糙度，D为管道内径。 λ是Re和e/D 的二元函数，具体的函 数关系视流态而定。 是 和 的二元函数， 数关系视流态而定。 流态：分为层流和紊流，中间还存在一个过渡区。 流态：分为层流和紊流，中间还存在一个过渡区。 在解决工程实际问题时，为了安全，一般尽量避开过渡区， 在解决工程实际问题时，为了安全，一般尽量避开过渡区， 因该区的流态不稳定。 实在无法避开时，该区的λ按紊流 因该区的流态不稳定 。 实在无法避开时 ， 该区的 按紊流 光滑区计算。 光滑区计算。
i1 Q1 = = Q i i
2− m
1 + D f = D

5− m 2− m

− ( 2− m )
=ω <1
输油管道的压能损失
即
i f = ωi
所以只需要铺设副管总有减阻效果。 由于 ω<1 ，所以只需要铺设副管总有减阻效果。
流态 层流 划分范围 Re<2000
1
λ ＝f(Re,ε) λ =64/Re
59.5
水力光滑区 紊
3000<Re<Re1=
ε 8/7
Re λ 2 . 51 λ 0.3164 当Re < 10 5 时 λ = Re 0.25 = 2 lg
流 混合摩擦区
59.5
ε8 / 7
<Re<Re2
665− 765lgε −
β 4.15 0.0246 0.0802A 0.0826λ
10
λ
四、管路的水力坡降
定义：管道单位长度上的摩阻损失称为水力坡降。 表示： 定义：管道单位长度上的摩阻损失称为水力坡降。用 i 表示：
Q 2− mν m i=β D 5− m
或
1 V2 i=λ D 2g
1、等温输油管的干线水力坡降 、 水力坡降与管道长度无关，只随流量、粘度、 水力坡降与管道长度无关 ， 只随流量 、 粘度 、 管径和流态 不同而不同。 不同而不同。 A f：Q=1时的水力坡降，即单位流量 时的水力坡降， ： 时的水力坡降 i 下，单位管道长度上的摩阻损失 hL m v 2− m L α f = β 5− m i = fQ B C D
λ = (1.74 − 2 lg ε )−2
(混摩区与粗糙区的分界相对粗糙度 混摩区与粗糙区的分界相对粗糙度) 混摩区与粗糙区的分界相对粗糙度 (粗糙区摩阻系数计算公式 粗糙区摩阻系数计算公式) 粗糙区摩阻系数计算公式
代入边界层厚度计算公式， 代入边界层厚度计算公式，得
30 D = 0.157 −1 (1.74 − 2 lg ε ) Re 2 e
输油管道的压能损失
其中： 其中：
Re1 = 59.7 ε
8 7
Re 2 = (665 − 765 lg ε ) ε ε = 2e D
输油管道中所遇到的流态一般为： 输油管道中所遇到的流态一般为： 热含蜡原油管道： 热含蜡原油管道：水力光滑区 较轻的成品油管道： 较轻的成品油管道：混合摩擦区 高粘原油和燃料油管道： 高粘原油和燃料油管道：层流区 长输管道一般很少工作在粗糙区。 长输管道一般很少工作在粗糙区。
3.紊流区临界雷诺数 1和Re2的确定 紊流区临界雷诺数Re 紊流区临界雷诺数 紊流区分为水力光滑区、混合摩擦区和完全粗糙区， 紊流区分为水力光滑区、混合摩擦区和完全粗糙区，划分 的依据是临界雷诺数Re 的依据是临界雷诺数 1和Re2 。 层流边界层厚度的表达式 ：
λ 30D = V δ e = 10.6ν 8 Re λ
v m Q 2− m hL = β L 5− m D
即得到列宾宗公式： 即得到列宾宗公式：
输油管道的压能损失 不同流态下的A、 、 值 不同流态下的 、m、β值 流态 层流 水力光滑区 紊 混合摩擦区 流 粗糙区 64 0.3164
e 0.127 lg d − 0.627
A 1
m 0.25 0.123 0
水力光滑区: 水力光滑区 混合摩擦区: 混合摩擦区 粗糙区: 粗糙区
δe / e ≥ 3
0.157 ≤ δ e / e < 3
δ e / e < 0.157
输油管道的压能损失
δe
取
30 D =3= e Re1 λ e
0.25
λ按紊流光滑区的 按紊流光滑区的Blasius公式计算： 公式计算： 按紊流光滑区的 公式计算
输油管道的压能损失 从而得到： 从而得到： Re 2 = 382.2(1.74 − 2 lg ε ) / ε
= (665 − 765 lg ε ) / ε
当雷诺数Re处于分界雷诺数附近时 ， e的取值相当重要， 的取值相当重要， 当雷诺数 处于分界雷诺数附近时， 的取值相当重要 处于分界雷诺数附近时 不同的e值可能导致流态判别的不同 值可能导致流态判别的不同。 不同的 值可能导致流态判别的不同。 如某条管道Re=5×105，若取 × 若取e=0.1mm，则Re1=6.7×105， 如某条管道 ， × 因 而 Re<Re1， 为 水 力 光 滑 区 ； 若 取 e=0.15mm， 则 ， Re1=4.2×105，因而 因而Re>Re1，为混合摩擦区。 为混合摩擦区。 ×
第二节
输油管道的压能损失
一、管路的压降计算
根据流体力学理论，输油管道的总压降可表示为： 根据流体力学理论，输油管道的总压降可表示为：
H = hL + hξ + (z j − zQ )
其中： 其中：hL为沿程摩阻 hξ为局部摩阻 (zj-zQ) 为计算高程差
二、水力摩阻系数的计算
计算长输管道的摩阻损失主要是计算沿程摩阻损失 hL 。
λ = 0.3164 / Re1
则 令 则
− 3 Re1 0.3164 Re1 0.25 = 30 D / e
2e / D = ε
Re
1
= 59 . 22 / ε
8 7
输油管道的压能损失 规范上取 Re 取 这就是Re 的来历。 = 59 . 7 / ε ，这就是 1的来历。
8 7
1
δ e / e = 0.157
2− m
由i1 = i f 得 β
ν m Q 12 − m
D
5− m
5−m 2−m
Lf = β
ν m Q 22 − m
D
5− m f
Lf
Q 1
Df 从而得 Q 2 = D
if
Q1
5− m 2− m 1 + D f Q = Q1 + Q 2 = D
1、流态划分和输油管道的常见流态 、
我国《输油管道工程设计规范》规定的流态划分标准是： 我国《输油管道工程设计规范》规定的流态划分标准是： 层流： 层流：Re<2000 过渡流：2000<Re<3000 过渡流： 紊流光滑区： 简称光滑区） 紊流光滑区：3000<Re< Re1 （简称光滑区） 紊流混合摩擦区： 简称混摩区） 紊流混合摩擦区：Re1<Re< Re2 （简称混摩区） 紊流粗糙区： 紊流粗糙区：Re> Re2 （简称粗糙区） 简称粗糙区）
粗糙区： 粗糙区： m = 0， ω = 0.25， i f = 0.25 i 也就是说， 的升高， 也就是说，随Re的升高，铺副管的减阻效果增强 。 的升高
3.变径管的水力坡降 变径管的水力坡降
D ，Q
D0，Q
i0 D = D i 0
5− m
=Ω
i0 = Ω i
D 0 > D 时， 变径管具有减阻效果； 变径管具有减阻效果； D0 < D时， 变径管具有增阻效果。 变径管具有增阻效果。
2、副管的水力坡降 、 i if 或 i1 D、Q1、i1 、 D、Q、i 、 、 D、Q2、if 、 Lf 特点： 特点： i D、Q、i 、 、
Q = Q1 + Q2
i1 = i f
输油管道的压能损失
if
假设副管与主管流态相同， 假设副管与主管流态相同，则有
i
ห้องสมุดไป่ตู้
=
i1 Q1 = i Q
e Re1 = 10 D
Re 2 = 500
e D
该式计算的Re 值比前面公式小，即紊流光滑区的范围缩小了。 该式计算的 1值比前面公式小，即紊流光滑区的范围缩小了。 我国目前采用 的计算公式为
Re 2 = (665 − 765 lg ε ) / ε
Re1 = 59.7 / ε
8 7
4、水力摩阻系数的计算 、 我国常用的各区水力摩阻系数的计算公式见下表。 我国常用的各区水力摩阻系数的计算公式见下表。
取 D = D f ，则 ω =
1
2 2− m 层流： 层流： m = 1， ω = 0.5， i f = 0.5i
光滑区： 光滑区： m = 0 . 25 ， ω = 0 . 297 ， i f = 0 . 297 i 混摩区： 混摩区：
m = 0 . 123 ， ω = 0 . 272 ， i f = 0 . 27 i
2、管壁粗糙度的确定 、 管壁粗糙度 ： 1.相对粗糙度：绝对粗糙度与管内径的比值 相对粗糙度： 相对粗糙度 绝对粗糙度与管内径的比值(e/D或2e/D)。 或 。 2.绝对粗糙度：管内壁面凸起高度的统计平均值。 绝对粗糙度： 绝对粗糙度 管内壁面凸起高度的统计平均值。 紊流各区分界雷诺数Re 紊流各区分界雷诺数 1、Re2及水力摩阻系数都与管壁粗糙 度有关。我国《输油管道工程设计规范》 度有关。我国《输油管道工程设计规范》中规定的各种管子 的绝对粗糙度如下： 的绝对粗糙度如下： 无缝钢管： 无缝钢管：0.06mm 直缝钢管： 直缝钢管：0.054mm 螺旋焊缝钢管： 时取0.125mm 螺旋焊缝钢管：DN=250～350时取 ～ 时取 DN>400时取 时取0.1mm 时取