1、第4章 多相流管網水力特征與水力計算 4.1 液氣兩相流管網水力特征與水力計算 工程背景：建筑排水管網空調凝結水管網蒸汽供暖管網4.1.1 液氣兩相流管網水力特征 4.1.1.1 建筑內部排水流動特點及水封 （1）流動特點 氣、液、固均存在，固較少，視為液氣兩相流。 水量、氣壓時變幅度大。 流速隨空間變化劇烈 。橫支管進入立管，流速激 增，水汽混合；立管進入橫總管，流速急降，水 氣分離。（2）水封 水封水封位置水封高度水封破壞4.1.1.2 橫管內水流狀態 （1）能量（2）狀態圖4-1-1 橫管內水流狀態示意圖1-水膜狀高速水流；2-氣體（3）管內壓力 1）橫支管內壓力變化2）橫干管內壓力變化

2、 更為劇烈。特別注意對建筑下部幾層橫支管的影響，要與橫干管保持一定的垂直距離。4.1.1.3 立管中水流狀態 排水立管上接各層排水橫支管，下接橫干管或排出管，立管內水流呈豎直下落流動狀態，水流能量轉換和管內壓力變化劇烈。（1）排水立管水流特點 1）斷續的非均勻流 2）水氣兩相流 3）管內壓力變化 圖4-1-3 排水管內壓力分布示意圖（2）排水立管中水流流動狀態 1）附壁螺旋流 排水量較小，立管中心氣流仍舊正常，氣壓較穩定。這種狀態歷時很短 。2）水膜流 有一定厚度的帶有橫向隔膜的附壁環狀流。隨水流下降流速的增加，水膜所受管壁摩擦力增加。當水膜受向上的管壁摩擦力與重力達到平衡時，下降速度和厚度不

3、再發生變化，這時的流速叫終限流速（vt）。從橫支管水流入口至終限流速形成處的高度叫終限長度（lt）。橫向隔膜不穩定 ，形成與破壞交替進行 。在水膜流階段，立管內氣壓有波動，但其變化不會破壞水封。 3）水塞流 隨排水量繼續增加，水膜厚度不斷增加，隔膜下部壓力不能沖破水膜，最后形成較穩定的水塞。水塞向下運動，管內氣體壓力波動劇烈，水封破壞，整個排水系統不能正常使用。 這3個階段流動狀態的形成與管徑和排水量有關。也就是與水流充滿立管斷面的大小有關。排水立管內的水流狀態應為水膜流。實驗表明，在設有專用通氣立管的排水系統中：（3）水膜流運動的力學分析 水膜區以水為主的水氣兩相流，忽略氣；氣核區以氣為主的

4、氣水兩相流，忽略水。經分析推導，得出： 4.1.1.4 排水管在水膜流時的通水能力 4.1.1.5 影響立管內壓力波動的因素及防止措施 (1) 影響排水立管內部壓力的因素 確保立管內通水能力和防止水封破壞是建筑內部排水系統中兩個最重要的問題，這兩個問題都與立管內壓力有關。最大負壓：（2）穩定立管壓力增大通水能力的措施 減小終限流速減小水舌阻力系數K4.1.2 建筑排水管網的水力計算 4.1.2.1 橫管的水力計算 1、設計規定 （1）充滿度 （2）自凈流速 （3）管道坡度 （4）最小管徑 2. 橫管水力計算方法 對于橫干管和連接多個衛生用水器具的橫支管，應逐段計算各管段的排水設計秒流量，通過水

5、力計算來確定各管段的管徑和坡度。建筑內部橫向管道按明渠均勻流公式計算。水力計算表見建筑給水排水工程（第四版）附錄6-1和6-24.1.2.2 立管水力計算 排水立管按通氣方式分為普通伸頂通氣、專用通氣立管通氣、特制配件伸頂通氣和無通氣四種情況。 四種情況的排水立管最大允許通水能力見表4-1-9，設計時先計算立管的設計秒流量，然后查表4-1-9確定管徑。 4.1.2.3 通氣管道計算 按工程實際情況，查取有關手冊、參考資料確定。自學【例4-1】 參考書： 建筑給水排水工程（第四版）4.1.3 空調凝結水管路系統的設計 各種空調設備（例如風機盤管機組，柜式空調機，新風機組，組合式空調箱等）在運行過

6、程中產生凝結水。較之建筑排水管網，凝結水管網內的流動穩定性要好得多，氣壓波動很小。設計要點：管材；坡度；水封；通氣；保溫；沖洗的可能性。 通常，可以根據機組的冷負荷Q（kW）按下列數據近似選定冷凝水管的公稱直徑：Q7kW時， DN=20mmQ=7.117.6kW時， DN=25mmQ=17.7100kW時， DN=32mmQ=101176kW時， DN=40mmQ=177598kW時， DN=50mmQ=5991055kW時， DN=80mmQ=10561512kW時， DN100mmQ=151312462kW時， DN=125mQ12462kW時， DN=150mm 4.2 汽液兩相流管網水

7、力特征與水力計算 4.2.1 汽液兩相流管網水力特征與保障正常流 動的技術措施汽、液相的相互轉變： 蒸汽凝水；凝結水二次汽化。形成流動阻礙。水擊產生及防止 蒸汽管路中的凝水不能順利排走，遇到阻礙，在高速下（20m/s)與管壁、管件撞擊。 盡量汽、水同向流，逆向流時采用低流速；及時排除凝水。系統引入和排除空氣 停止運行時，引入空氣以排除凝水；開始運行，排除空氣。凝結水回收 重力回水 余壓回水 機械回水二次蒸汽利用4.2.2 室內低壓蒸汽供暖管網水力計算（1）蒸汽管路資用動力 鍋爐出口（或建筑物采暖管網入口）蒸汽壓力。密度：常數。計算方法 壓損平均法平均比摩阻 P0一般取2000Pa；Pg較大時，

8、Rm可能很大，可能導致流速過大。這時，控制比摩阻100Pa/m。計算次序 最不利管路其他管路流速限制 汽水同向：30m/s 汽水逆向：20m/s 實際采用更低。蒸汽供暖管網的“周期性”和“自調節性” 原因：疏水器的作用（2）凝水管路干凝水管路 非滿管流。按負擔的熱負荷查表確定管徑。前提：坡度0.005。濕凝水管路 按負擔的熱負荷查表確定管徑。 計算表參考供熱工程（第三版）4.2.3 室內高壓蒸汽供暖管網水力計算（1）蒸汽管道：壓損平均法 假定流速法 汽、水同向流動時 80m/s 汽、水逆向流動時 0.005，查表選用管徑。 疏水器以后：余壓回水，在室外凝水管網中介紹。計算公式：同室外供熱管網。

9、注意：密度變化。采用圖表計算要注意修正：密度；粗糙度。4.2.4 室外蒸汽管網的水力計算 4.2.5 凝結水管網的水力計算方法 管段AB 散熱設備疏水器。非滿管流。前面已在“室內高壓蒸汽供暖管網水力計算”中介紹。管段BC 乳狀混合物的兩相流。 要計算混合物的密度。按（4-2-13）（4-2-14）。 1）疏水器二次蒸發箱 2）疏水器凝結水箱（沿圖中綠色管道路徑） 對于1），距離較短，按余壓凝水管道計算表計算、修正；對于2），按室外熱水管網水力計算表計算、修正。 局部阻力按百分數估計。管段CD 飽和凝水。按資用動力確定平均比摩阻，利用室外供熱計算表確定管徑。管段DE 凝水泵輸送凝水，滿管流。按流

10、速12m/s，用室外供熱計算表確定管徑并計算阻力、確定水泵所需揚程。注意修正。4.3 氣固兩相流管網水力特征與水力計算4.3.1 氣固兩相流水力特征（1）物料的沉降速度和懸浮速度 粉狀物料與粒狀物料，根據不同的雷諾數，可得不同的計算公式。 若氣體處于靜止狀態，則vf是顆粒的沉降速度；若顆粒處于懸浮狀態，則vf是使顆粒處于懸浮狀態的豎直向上的氣流速度，稱為顆粒的懸浮速度。 （2） 氣固兩相流中物料的運動狀態 豎直管道中，要使物料懸浮，所需速度比理論懸浮速度大得多；水平管中，氣流速度不是使物料懸浮的直接動力，所需速度更大。輸料管內氣固兩相流的運動狀態，隨氣流速度和料氣比的不同而改變：分別呈懸浮流

11、、底密流 、疏密流 、停滯流 、部分流 、柱塞流狀態。（3）氣固兩相流的阻力特征 c點是臨界狀態點，此時顆粒群剛處于完全懸浮狀態，阻力最小。臨界狀態的流速稱為臨界流速。 圖4-3-3 兩相流阻力與流速的關系（4） 氣固兩相流管網的主要參數 1）料氣比：單位時間內通過管道的物料量與空氣量的比值。根據經驗，一般低壓吸送式系統1=14，低壓送式系統1=110，循環式系統1=1左右，高真空吸送式系統1=2070。 2）輸送風速：可以按懸浮速度的某一倍數來定，一般取2.44.0倍，對大密度粘結性物料取510倍。輸送風速也可按臨界風速來定，例如砂子等粒狀物料，其輸送風速為臨界風速的1.22.0倍。通常參考經驗數據，如表4-3-1。 3）物料速度和速比：氣流必須用一部分能量使物料顆粒懸浮