第十一章流體力學(xué)在流體輸配管網(wǎng)中的應(yīng)用

第一節(jié)流體輸配管網(wǎng)水力計(jì)算第二節(jié)管網(wǎng)水力工況與水力穩(wěn)定性分析

7/22/20231一、管網(wǎng)水力計(jì)算的目的與任務(wù)§11-1流體輸配管網(wǎng)水力計(jì)算水力計(jì)算目的：合理地確定管網(wǎng)中各管段的管徑和系統(tǒng)所需的作用水頭或動(dòng)力設(shè)備，使系統(tǒng)安全可靠、經(jīng)濟(jì)有效的完成輸送任務(wù)。在一定流量下：dv造價(jià)損失，運(yùn)行費(fèi)用dv造價(jià)損失，運(yùn)行費(fèi)用經(jīng)濟(jì)流速——使造價(jià)與運(yùn)行費(fèi)用之和最小時(shí)的流速。工程上，一般根據(jù)節(jié)省工程造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用以及建筑對(duì)噪聲的要求等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后，確定出管道內(nèi)的流速。7/22/202321、已知各管段流量，確定各管段管徑和系統(tǒng)作用壓力2、已知各管段流量和系統(tǒng)作用壓力，確定各管段管徑3、已知各管段管徑和系統(tǒng)作用壓力，確定管段流量4、已知各管段流量和管徑，確定所需系統(tǒng)作用壓力工程上遇到的水力計(jì)算任務(wù)可歸納為如下四種：二、管網(wǎng)系統(tǒng)型式及其特點(diǎn)風(fēng)機(jī)枝狀管網(wǎng)排風(fēng)系統(tǒng)環(huán)狀管網(wǎng)用戶支線閉合回路城市配水管網(wǎng)√7/22/20233枝狀管網(wǎng)與環(huán)狀管網(wǎng)比較：可靠性較高

特點(diǎn)呈樹(shù)枝狀

優(yōu)點(diǎn)管線總長(zhǎng)度較短，建設(shè)費(fèi)用低

缺點(diǎn)可靠性差

運(yùn)用采暖的室外管道，通風(fēng)管路系統(tǒng)

呈閉合環(huán)路

管線長(zhǎng)，造價(jià)高

采暖室內(nèi)管網(wǎng)、城鎮(zhèn)配水管網(wǎng)可靠性較高

7/22/20234三、枝狀管網(wǎng)計(jì)算遵循原則：節(jié)點(diǎn)上

各并聯(lián)管路阻力平衡（損失相等）。1．新建枝狀管網(wǎng)主管線的計(jì)算

即：管路布置已定（包括各管段長(zhǎng)度l、管壁粗糙度?、局部構(gòu)件的型式和數(shù)量），已知用戶所需流量qv和末端預(yù)留壓頭Hy（pv

)，要求確定各管段管徑d和系統(tǒng)所需的作用壓力進(jìn)而為系統(tǒng)選擇合適的動(dòng)力設(shè)備。（第一類計(jì)算任務(wù)）風(fēng)機(jī)187654327/22/20235（1）劃分管段，標(biāo)管段號(hào);（2）確定主管線（或最不利環(huán)路）;（3）按節(jié)點(diǎn)流量平衡條件，由末梢節(jié)點(diǎn)逐步計(jì)算各管段流量qv;（4）確定主管線上各管段的管徑;一般是由初算管徑，然后根據(jù)規(guī)格選擇標(biāo)準(zhǔn)管徑(假定流速法）計(jì)算方法與步驟：

7/22/20236（7）選擇動(dòng)力設(shè)備

（5）計(jì)算主管線上各管段能量損失及總損失。(工程上有簡(jiǎn)便方法)

（6）確定系統(tǒng)所需的作用壓力（根據(jù)能量方程確定）。開(kāi)式系統(tǒng)：閉式系統(tǒng)：

通風(fēng)管路：計(jì)算方法與步驟：7/22/202372.新建枝狀管網(wǎng)支線（或枝狀管網(wǎng)擴(kuò)建）的計(jì)算

新建管網(wǎng)支線的計(jì)算與主管線計(jì)算的不同之處是，除管網(wǎng)布置已定、用戶流量和用戶所需作用壓力已知外，支線上的資用壓力已定，只需確定各管段直徑。(屬于第二類計(jì)算任務(wù))

計(jì)算方法與步驟：（1）按節(jié)點(diǎn)流量平衡條件，確定支線各管段流量；（2）初定支線各管段管徑；（3）根據(jù)初定的管徑，計(jì)算支線各管段的損失；（4）計(jì)算支線上的總損失和支線的實(shí)際作用壓力；支線的實(shí)際作用壓力包括支線上的總損失、支線末端用戶所需的作用壓力和位壓等。7/22/20238如不在允許的范圍內(nèi)，重新選擇管徑進(jìn)行計(jì)算。（5）根據(jù)并聯(lián)管路流動(dòng)規(guī)律，計(jì)算支線上的資用壓力；（6）校核節(jié)點(diǎn)阻力是否平衡。由于工程上的管材有一定的規(guī)格，因此節(jié)點(diǎn)阻力很難完全平衡。一般允許有一定的不平衡率。根據(jù)支線的實(shí)際作用壓力與資用壓力，按下式計(jì)算不平衡率：

計(jì)算方法與步驟：7/22/20239例1：通風(fēng)系統(tǒng)水平放置，已知qv1=2500m3/h，qv2=5000m3/h，qv3=2500m3/h，各管段參數(shù)如下表。確定各管段管徑，選擇合適風(fēng)機(jī)（出口風(fēng)壓不計(jì)，限定流速6~10m/s，ρ=1.29kg/m3）。風(fēng)機(jī)18765432

管段長(zhǎng)度(m)局部阻力系數(shù)摩擦阻力系數(shù)

1-461.50.024-581.00.025-641.150.027-8100.50.022-5121.60.023-451.60.027/22/202310解：1、確定主干線1-4-5-6-7-8以1-4段為例:qv1-4=2500m3/h=0.695m3/s，取限定流速為6m/s，根據(jù)管材規(guī)格：取d1-4=380mm，實(shí)際流速：管徑合適同理：

4-5段d4-5=470mm；

5-6-7-8段d5-8=600mm；

風(fēng)機(jī)18765432qv1=2500m3/hqv3=2500m3/hqv2=5000m3/h2、確定各管段流量：qv1-4=2500m3/hqv4-5=5000m3/hqv5-8=10000m3/h3、確定主干線各管段管徑7/22/202311風(fēng)機(jī)18765432qv1=2500m3/hqv3=2500m3/hqv2=5000m3/h4、計(jì)算主干線各管段的損失以1-4為例：同理可算出

pw4-5,pw5-85、確定風(fēng)機(jī)理論風(fēng)量和壓頭，選擇機(jī)器型號(hào)風(fēng)量：qv風(fēng)=1.1(qv1+qv2+qv3)

壓頭：p風(fēng)

=1.1(pw1-4+pw4-5+pw5-8)根據(jù)樣本選擇：7/22/2023126、確定支線的流量:qv3-4=2500m3/hqv2-5=5000m3/h以3-4段為例：

計(jì)算不平衡率：

8、校核不平衡率是否滿足要求風(fēng)機(jī)18765432qv1=2500m3/hqv3=2500m3/hqv2=5000m3/h7、確定支線的管徑根據(jù)管材規(guī)格確定3-4段的標(biāo)準(zhǔn)直徑并計(jì)算實(shí)際損失pw3-47/22/202313例2：用同一臺(tái)離心泵由水池A向高位槽B和C供水，高位槽B和C的水面高出水池水面A分別為ZB＝25m，Zc=20m。當(dāng)閥門處于某一開(kāi)度時(shí)（=24），向B槽和C槽的供水量恰好相等，即qvB=qvC=4L/s。管段長(zhǎng)度、經(jīng)濟(jì)流速及管內(nèi)摩擦阻力系數(shù)如下：求：1）確定各管段的管徑，

2）確定水泵型號(hào)。（只計(jì)閥門局阻）

管段長(zhǎng)度(m)流速(m/s)摩擦阻力系數(shù)

ED1001.5~2.00.025DF501.5~2.50.025DG451.5~2.50.025ABCFDGEZBZc7/22/202314解：E-D-F為主干線

1）確定ED和DF管段的管徑根據(jù)規(guī)格取:

d=75mm，v=1.8m/s同理DF段：d=50mm,v=2m/sqv=4+4=8（L/s）ED:v=1.5~2.0m/s，根據(jù)：ABCFDGEZBZc7/22/2023152）計(jì)算ED和DF管段的損失ED:DF：3）計(jì)算主干線的損失

hw=5.5+5.1=10.6m4）計(jì)算所需水泵理論揚(yáng)程在A-A和B-B列能量方程：ABCFDGEZBZc5）確定水泵型號(hào)流量：qv風(fēng)=1.1qv

揚(yáng)程：H=1.1H泵7/22/2023166）確定DG段管徑在A和C兩自由液面列能量方程：初選：d=50mm故DG管徑取d=50mmABCFDGEZBZc實(shí)際損失：7/22/2023173．關(guān)于枝狀管網(wǎng)計(jì)算的說(shuō)明（1）根據(jù)經(jīng)濟(jì)比摩阻確定主管線管徑（2）用簡(jiǎn)化法計(jì)算能量損失簡(jiǎn)化計(jì)算方法

1）當(dāng)量阻力法

2）當(dāng)量長(zhǎng)度法3）其它簡(jiǎn)化方法

k——局部損失折合成沿程損失的估算比例7/22/202318（3）用平均比摩阻初定支線管徑

k——沿程損失占總損失的估算百分?jǐn)?shù)，7/22/202319例3：某廠區(qū)熱水供應(yīng)系統(tǒng)平面布置如圖所示。A點(diǎn)為熱源，D、E、F為熱用戶。各管段的長(zhǎng)度、閘閥布置和方形補(bǔ)償器的布置、個(gè)數(shù)如圖中所示。已知：熱用戶D、E、F的熱水量分別為：qvD=20t/h，qvE=14t/h，qvF=10t/h，各熱用戶內(nèi)部的壓力損失為5×104Pa，熱源內(nèi)部損失為10kPa。試確定各管段的管徑及水泵的揚(yáng)程和流量。（主管線經(jīng)濟(jì)比摩阻為30~70Pa/m，支線的沿程損失與總損失的比約為0.6；要求不平衡率小于15%、支線管內(nèi)流速；管內(nèi)平均水溫為100C）。7/22/202320解：1）由已知條件知，該系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，A→B→C→D→C→B→A為最不利環(huán)路2）計(jì)算最不利環(huán)路上各管段流量7/22/2023213）確定最不利環(huán)路上各管段的管徑并計(jì)算其損失以AB管段為例：查附錄八，初選可得此時(shí)的實(shí)際比摩阻

查附錄九，AB管段中局部阻礙當(dāng)量長(zhǎng)度為：閘閥方形補(bǔ)償器7/22/202322BC管段：同理，可以確定BC管段、CD管段的管徑和損失，計(jì)算結(jié)果如下：CD管段：4）求最不利環(huán)路的總損失和水泵揚(yáng)程、流量最不利環(huán)路總損失：水泵揚(yáng)程：水泵流量：7/22/2023235）確定BE支管的管徑資用壓力為根據(jù)附錄八，查附錄九，BE管段中局部阻礙當(dāng)量長(zhǎng)度為：閘閥方形補(bǔ)償器分流三通分支管壓力損失為平均比摩阻為不平衡率為7/22/202324四、環(huán)狀管網(wǎng)計(jì)算遵循原則：任意一節(jié)點(diǎn)上的流量代數(shù)和為零（∑qv=0

）任意一個(gè)環(huán)路上能量損失代數(shù)和為零（∑hw=0

）

計(jì)算的關(guān)鍵是確定回路各管段流量。確定流量大體步驟為：

1、按節(jié)點(diǎn)（∑qv=0

）的原則，擬定各管段流量大小和方向，并據(jù)此確定出管徑。2、計(jì)算各管段的損失。

3、校核各環(huán)路（∑hw）

是否為零。若不為零重新擬定流量。

重新擬定流量值時(shí)，可以采取在原定流量值的基礎(chǔ)上加一個(gè)校正流量?Q：水塔ABCD7/22/202325例4：水平布置的供水環(huán)路，如圖。A為水塔，C、D為供水點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)流量qvc=78L/s，qvD=12L/s。

各管段長(zhǎng)度、管徑和沿程阻力系數(shù)如下表，試求各管段流量。若AB段損失為15.2m，供水點(diǎn)自由水頭要求12m，試確定水塔的高度。（按長(zhǎng)管計(jì)算）

管段長(zhǎng)度(m)管徑(mm)摩擦阻力系數(shù)

AB40003500.025BC10002500.025BD10002500.025CD5002000.025水塔ABCD7/22/202326解：1）假設(shè)BC中流量為qvBC=50L/s

則DC段：qvDC=28L/s,BD段：qvBD=40L/s，流向如圖

2）求各管段中的損失BC:同理：h

w

BD=3.4m，h

lDC

=2.5m，3）校核環(huán)路的損失之和是否為零水塔ABCD4000m1000m1000m500md=350mmd=250mmd=250mmd=200mmqvC=78L/sqvD=12L/s7/22/2023274）求校正流量?qv

5）求校核后各管段內(nèi)的流量

qvBC=50+1.07=51.07L/s；

qvBD=40-1.07=38.93L/s;

qvCD=28-1.07=26.93L/sqvBC=50L/sqvDC=28L/sqvBD=40L/s水塔ABCD4000m1000m1000m500md=350mmd=250mmd=250mmd=200mm7/22/2023287）求水塔高度在水塔液面和用水點(diǎn)處列能量方程：6）校核環(huán)路損失是否為零，h

wBD

=3.22m，h

wDC

=2.31m，水塔ABCD4000m1000m1000m500md=350mmd=250mmd=250mmd=200mm7/22/202329

§11-2管網(wǎng)水力工況與水力穩(wěn)定性分析一、管網(wǎng)水力失調(diào)與水力穩(wěn)定性1、管網(wǎng)水力失調(diào)管網(wǎng)系統(tǒng)中，用戶的實(shí)際流量與設(shè)計(jì)或規(guī)定流量之間的不一致性，稱為水力失調(diào)。水力失調(diào)度（x）：

qvg——用戶的規(guī)定流量；

qvs——用戶的實(shí)際流量；

7/22/202330水力失調(diào)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響：在供熱空調(diào)系統(tǒng)中，流體流量的變化必然使其負(fù)擔(dān)輸配的冷熱量改變，即導(dǎo)致熱力失調(diào)。在水力失調(diào)發(fā)生的同時(shí)，由于管網(wǎng)系統(tǒng)中的壓力分布也發(fā)生了變化，當(dāng)局部管路和設(shè)備內(nèi)的壓力超過(guò)一定的限值時(shí)，還可能使系統(tǒng)和設(shè)備破壞。系統(tǒng)水力失調(diào)的幾種情況:

當(dāng)所有用戶的x值都大于1或都小于1時(shí)，稱管網(wǎng)發(fā)生的是一致失調(diào)；反之，則稱為不一致失調(diào)。在一致失調(diào)中，當(dāng)所有用戶的x值都相等時(shí)，稱管網(wǎng)發(fā)生的是等比失調(diào)；反之，則稱為非等比失調(diào)。7/22/2023312、管網(wǎng)水力穩(wěn)定性在管網(wǎng)中各個(gè)用戶在其它用戶流量改變時(shí)，保持本身流量不變的能力，稱其為管網(wǎng)的水力穩(wěn)定性。水力穩(wěn)定性系數(shù)（y）：qvg——用戶的規(guī)定流量；qv

max——用戶的最大流量；xmax——工況變動(dòng)后，用戶可能出現(xiàn)的最大水力失調(diào)度。7/22/202332二、管網(wǎng)水力工況分析網(wǎng)路上任意管段的阻抗發(fā)生變化（如調(diào)整用戶閥門，接入新用戶等等)，網(wǎng)路的總阻力Szh值發(fā)生改變，管路系統(tǒng)的特性曲線將發(fā)生變化，工作點(diǎn)A的位置隨之改變，網(wǎng)路的水力工況也就改變了。不僅網(wǎng)路總流量和總壓降變化，而且若分支管段的阻抗變化，也要引起各并聯(lián)管路流量分配的變化。7/22/202333例：

如圖所示為一個(gè)帶有4個(gè)用戶的網(wǎng)路。假定各用戶的流量已調(diào)整到規(guī)定的數(shù)值。如改變閥門A、B、C的開(kāi)啟度，網(wǎng)路中各用戶的流量將如何變化，網(wǎng)路的水力失調(diào)狀況如何。①閥門A關(guān)小，②閥門B關(guān)小，③閥門C關(guān)閉3ABC1247/22/202334①閥門A關(guān)小閥門A關(guān)小，網(wǎng)路的SP↑，總流量qv↓。由于用戶分支管段及其干線的SP未變，各用戶的流量分配比例將不變，即各用戶流量將按同一比例減少，各用戶作用壓差也將按同一比例減少，網(wǎng)路產(chǎn)生等比的一致失調(diào)。壓力分布mndgfe3ABC124qvmngdef7/22/202335閥門B關(guān)小，網(wǎng)路的SP↑，總流量qv↓。1、2用戶的作用壓差↑，由于1、2用戶的SP不變，故1、2用戶的流量↑；閥門B后的用戶，由于其分支管段及其干線的SP未變，所以3、4用戶的流量分配比例將不變，即3、4用戶流量將按同一比例減少。對(duì)于整個(gè)網(wǎng)路而言，將產(chǎn)生不一致失調(diào)。②閥門B關(guān)小3ABC124qvmngdef壓力分布mndgfe7/22/202336③閥門C關(guān)閉閥門C關(guān)閉，用戶2停止工作，網(wǎng)路的SP↑，總流量qv↓。用戶2前的供、回水干管間的壓差↑，用戶1的流量↑；用戶3、4的情況與上述②的情況相同，即3、4用戶的流量將按同一比例增加，對(duì)于整個(gè)網(wǎng)路而言，將產(chǎn)生一致失調(diào)。3ABC124qvmngdef壓力分布mndgfe7/22/202337例5：網(wǎng)路在正常工況時(shí)的壓力分布和各熱用戶的流量如圖所示。如關(guān)閉熱用戶3，試求其它各熱用戶的流量及其水力失調(diào)度。其中，管網(wǎng)圖中的數(shù)字表示流量(m3/h)，壓力分布圖中的數(shù)字表示作用壓差（kPa）。7/22/202338解：1）根據(jù)正常工況下的流量和壓降，求網(wǎng)路干管(包括供、回水管)和各熱用戶的阻抗以用戶5為例：已知其流量100m3/h，壓力損失為100000Pa同樣可求得網(wǎng)路干管和各熱用戶的阻抗值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表11-5。7/22/2023392）計(jì)算水力工況改變后網(wǎng)路總阻抗Sa）求用戶3之后的網(wǎng)路總阻抗SⅣ-5

SⅣ-5

b）求熱用戶2之后的網(wǎng)路總阻抗（熱用戶3關(guān)閉，下同）

SⅢ-5=SⅣ-5+SⅢ=5+0.56=5.56Pa/(m3/h)27/22/202340c）求熱用戶2分支點(diǎn)的網(wǎng)路總阻抗S2-5熱用戶2與熱用戶2之后的網(wǎng)路并聯(lián)，故可得總阻抗S2-5