(流体输配管网课件)第2章讲课气体管网的水力特征与水力计算

管道段落，与管段内的实际流动方向、中高差的的描起述伏变。
化无关；段落中的重力作用力的计算方法是：
流点体标密高度-终×点重标力高加）速；度×（该段落沿规P定G 回路方a 向g的 (起Z1 Z1) 3路该、沿回闭规路合定中回回重路路力中方作所向用有的力段总推落重动的力规重作定力用回作力路用，方力其向叠值的12加为流 g，g正动得((，；ZZ到表反12该明之回ZZ，23))
1 确定最不利环路的管内流速和断面尺寸
（1）绘制风管系统轴测图，并划分管段，对各
管段进行编号，标注其长度和设计风量。
管段：管内流量和管道断面均不变化。管段 长度按中心线长度计算，不扣除管件（如三 通、弯头）本身的长度。 如需要考虑重力作 用，应保证同一管段的密度不变。 对于枝状管网，已知各用户的流量要求，利 用节点流量平衡的原理可以逐次确定出各管 段的设计流量。
2.2 流体输配管网水力计算的基本原理和方法
✓ 什么是水力计算？
✓ 进行水力计算的前提条件是：已知管网的 流体输配要求。即各使用流体的末端用户 的位置是明确的、其流量需求是已知的。
2.2 流体输配管网水力计算的基本原理和方法
设计计算： 计算确定：各管段断面尺寸、阻力；管 网总阻力与阻抗；动力设备（风机、水 泵）的位置、性能参数、型号、台数。 校核计算： （1）根据已定的动力设备，确定保证流 量输配的各管段断面尺寸； （2）根据已定的管道尺寸，确定保证流 量输配的动力设备性能参数。
985.34kg/m3），回水温度
E
V2
c
S2
d
V1
a
S1
b
V3
P1
e
R
f
P2
为40℃（ρ=992.24 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。
设水泵输出压力为P，建 立两个回路的能量平衡方
程。
课堂习题
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。
管内流速取值对管网的影响：
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。如 教材表2-3-1，2-3-2，2-3-3（52，53）
（2）确定管内流速和管道断面尺寸
一般通风系统中常用空气流速（m/s） 表2-3-1
建筑类别 工业建筑
驱动力与流动的关系
✓ 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。
厨房排烟管网
5
4
7F
3 2
1
1F
系统图
管网能量平衡原理
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。
〔例2-3〕
选定最不利回路，本系统选择1-3-5-除 尘器-6-风机-7为最不利回路（环路）。
解释：回路；最不利回路。 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（？），取 5%的漏风系数，管段6及7的计算风量 为6300×1.05=6615m3/h。
局部阻力基本计算公式：
P v2
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。
局部阻力系数值一般通过实验获得。 局部阻力系数值总是与所指的断面动压对应的，
H2
H2
12
H2
2
H1 1
ρ1
ρ1
ρ2
H1 D
ρ2
ρ1
H1
2.1.2 气体压力管流水力特征
两个断面之间的能量方程！
→
2.1.3 压力和重力综合作用下的气体管流水力特征
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。
（1） 摩擦阻力计算
R阻m力：。比摩阻，单位长度的摩擦 流量L已知，还需已知哪些因素 方可确定？
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/表帮助计算。
任何计算公式或图表，都有其制图条 件和使用范围，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。
阻碍规定回路方向的流动。
a g (Z3 Z1)
管网能量平衡原理
闭合回路中的压力驱动力： 来源于“源”的压力； 与环境交界面的压力； 流体机械提供的压力。 均在回路的一个“断面”位置，给流体以压力 作用力。 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。
管网能量平衡原理
沿回路方向的管路流动阻力的代数和的计 算方法是：
（1）划分计算管段，其规则是流量不变、 通道的断面积不变；
（2）按流体力学方法计算该管段的流动阻 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。
按闭合回路进行能量分析
水力计算的基本原理：
基本理论依据： 流体力学一元流动连续性方程、能量方程。 流体流动阻力计算的基本理论。 具体体现为： 管网质量平衡——节点处流量的平衡； 管网能量平衡——任意闭合(虚拟闭合)回
路中,驱动流体流动的动力与阻力的平衡。
管段流动阻力计算方法
管段阻力是构成管网阻力的基本单元。 管段中流体流动的阻力有两种: (1)摩擦阻力，也称为沿程阻力； (2)局部阻力。 管段：流动断面与流量保持不变的管道段落。
第2章 气体管网的水力特征 与水力计算
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.管网的能量平衡原理及其表述； 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 气体管网的水力特征
2.1.1 气体重力管流的 水力特征
（1）竖向开口管道
图2-3-1制图条件：
标准大气压； T=20℃； 密度1.204kg/m3； 运动黏度： 15.06×10-6m2/s； 圆形截面风管。 修正方法：教材P54公式 （2-3-3）~（2-3-9）
（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。
H2 2
H1 1
（2）U型管道内的重力流
H2 12
ρ1
ρ2
H1 D
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)(H2 H1) P
注意： 断面1和2分别在进口和出口外；
P 包含了进口阻力损失和出口
损失(即动压损失)，即全部的流 动阻力损失。
（2）U型管道内的重力流
管内流速和管径：
〔例2-3〕
管段1包含有水平风管，初定流速为14m/s 。管径计算：
1
D1
L1 A1
1500m3 / h 3600s / h14m
/
s
4
2
0.195m
没有这个标准规格，取为d=0.2m=200mm
则实际风速为：
v
3600
1500 s/h
m3 / h
(0.2m)2
13.4m / s
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”。
管网能量平衡原理
对一个闭合的回路，沿规定的回路方向叠加：
PGi Pj Pj (i：回路编号j：管段编号)—
管网能量平衡原理
1、闭合回路Z3 ，并规定回路的方向；
PPPP P 234、、 、求求 求沿沿 沿回规 规Z1 ρ路定 定aρZa2 方回回ρ1ρ2向路路的方方向向管的的路重压流G力力动1 作作阻用 用力q 力 力的2； 代代数数和和 3
5wk.baidu.com建立回路能量平衡方程式。
课堂习题
10m
50m
冬季工况下，热源的供水
温度为60℃（ρ=
的U型重力流竖管相同
的水力特征。
g(1 2)(H2 H1) P
注意到管内密度不均时， 在密度分界点选取计算
H1 不是1（或2）断断面面 分析。 的位压！
重力作用力的表达式
1 g (H2 H1) 2 g (H2 H1) P
1 g (H2 H1) 2 g (H1 H2 ) P
使用时必须注意。 各工程设计手册给出了常用的局部阻力系数。
常用的水力计算方法
假定流速法 压损平均法 静压复得法
2.3 气体输配管网水力计算
以通风空调工程的空气输配管网为例， 学习枝状气体输配管网水力计算的具 体方法。设计计算要确定管径和动力 大小，主要采用假定流速法。
需先完成管网的布置，确定各送排风 点要求的风量；各管段的输送风量。
最不利回路（环路）的讨论
是“主观”确定的。主观认为某个环路的 用户获得其所需的流量最困难，即确定该 回路为“最不利回路”。
对设置单一动力源的管网，通常考虑的回 路都包括动力源在内，这样距离动力源远、 回路距离长、局部阻力件多的回路常被选 为“最不利回路”。
最不利回路的用处是作为计算过程的“控 制性”回路，对管网的设计计算结果造成 影响。
制作风管的水力计算表格。
【例2-3】
图2-3-2所示的通风除尘管网。风管用钢 板制作，输送含有轻矿物粉尘的空气， 气体温度为常温。当地气压接近标准大 气对压该力管。网除进尘行器水清力灰计前算阻，力确Δ定P各c=管12段00的Pa。 管径、管网机械动力的需求，并获得管 网特性曲线。
计算表格格式见表2-3-5。 同学们可利 用电子表格(Excel)进行制作。
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。
ρ1
g(1 2)(H2 H1) P
请分析1、2断面高不程是1不（或等2）的断面
情况。
的位压！
H2 12
ρ2
H1 D
（3）闭合管道内的重力流
H2
具有与进出口断面等高
动力类别及 风管材料
机械通风薄 钢板
机械通风混 凝土、砖等
干管 6～14 4～12
支管 2～8 2～6
室内进风口 室内回风口 新鲜空气入口
1.5～3.5
2.5～3.5
5.5～6.5
1.5～3.0
2.0～3.0
5～6
民用建筑 及工业辅
助
自然通风 机械通风
0.5～1.0 0.5～0.7
5～8
2～5
0.2～1.0 2～4
“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。 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。
管网能量平衡原理
12、、闭 按合规回定路的，回并路规方定向回列路写的各流段动落方的向重 ；力重作力用力作（用作力用 压强），划分段落的规则是：按照流体在密度闭变合化回划分路
4
同理确定出3、5、6、7的管内流速和管径。
（3）风管摩擦阻力计算
公式计算：
Pml
4Rs
v 2
2
l
Rml
1
2
lg
3.7（1K4Rs）
2.51
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、比 摩阻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。
2.2 流体输配管网水力计算的基本原理和方法
什么是水力计算？ ✓ 布置管网，通过计算，选择、确定构
成管网的要素（如：管道的尺寸；动 力装置的性能参数；调节装置及其安 装位置），使管网能够实现规定的流 体输配任务。
2.2 流体输配管网水力计算的基本原理和方法
什么是水力计算？
水力计算是流体输配管网设计与调节 的基本手段，是管网实现流体输配要 求的基本手段。
〔例2-3〕
图2-3-2 通风除尘管网轴测图
管内流速取值对管网的影响：
对管网系统的经济性和技术条件有很大影响： 流速高，管道断面小，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。 若流体中含有杂质等，还会增加设备和管道 的磨损。 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，管道占用的空间 也大。流速过低会使杂质沉积堵塞管道。