《有压管流水力计算与应用》课件

有压管流水力计算与应用本课件旨在系统讲解有压管道水力计算的基础理论与应用实践通过本课程的学习，您将掌握流体力学基本原理，熟悉有压管流的特性，并能运用相关知识解决实际工程问题本课程内容丰富，案例详实，是您深入理解有压管流的理想选择课程概述课程目标主要内容12使学生掌握有压管流水力计算流体力学基础、管道水流基本的基本理论、方法和应用，培概念、管道沿程及局部水头损养解决实际工程问题的能力失计算、简单与复杂管道系统计算、水力坡降线与能量线、管道经济直径、水击现象、管道系统的调节与控制、管网水力模型、管道设计与选择、泵站设计基础、管道系统节能、案例分析学习方法3理论联系实际，结合案例分析，注重实践操作，积极参与讨论，完成课后作业第一章流体力学基础流体的基本性质流体静力学流体是相对于固体而言的一种物质形态，它包括液体和气体流流体静力学是研究静止流体和物体相互作用规律的学科主要内体的主要性质有密度、黏度、可压缩性、表面张力等密度是单容包括静压强及其分布规律、作用于浸没物体的总压力和浮力位体积内流体的质量，黏度是流体抵抗剪切变形的能力，可压缩静压强是流体内部由于重力作用而产生的压强，它的大小与流体性是流体体积随压力变化的程度，表面张力是液体表面分子间相密度、深度有关作用于浸没物体的总压力是流体作用在物体表互吸引力面的力的总和，浮力是流体对浸没物体的向上托力流体运动学流线与流管连续性方程流线是某一瞬时，流场中无数个质点连续性方程是描述流体流动过程中质的速度方向的连线流管是由通过流量守恒的方程它表明，在任意一个线上各点作微小面积的闭合曲线所形封闭区域内，单位时间内流入的质量成的管状曲面流线只能描述瞬时流等于流出的质量连续性方程是流体动的方向，而流管则可以表示一定范力学中的基本方程之一，广泛应用于围内的流量流线和流管是研究流体各种流体流动问题的分析和计算例运动的重要工具如，在管道设计中，利用连续性方程可以计算不同管径下的流速分布流体动力学伯努利方程动量方程伯努利方程是描述理想流体在稳定流动时的能量守恒方程它表动量方程是描述流体流动过程中动量守恒的方程它表明，作用明，在同一流线上，流体的压强、速度和高度之间存在一定的关于流体的外力等于流体动量的变化率动量方程是流体力学中的系伯努利方程是流体力学中的重要方程，广泛应用于各种流体基本方程之一，广泛应用于各种流体流动问题的分析和计算例流动问题的分析和计算例如，在测量管道流量时，利用伯努利如，在计算水轮机出力时，利用动量方程可以计算作用于叶片上方程可以计算流速的力第二章管道水流基本概念有压管流的定义1有压管流是指在充满管道的条件下，依靠外部压力作用进行输送的流体流动与明渠流不同，有压管流中流体与空气不接触，整个管道断面都被流体充满管道系统的分类2管道系统可以根据不同的标准进行分类按照用途可分为输水管道、输油管道、输气管道等；按照管道的连接方式可分为串联管道、并联管道、环状管网等；按照管道的材质可分为钢管、铸铁管、塑料管等管道水流的基本特征流态（层流与紊流）雷诺数的概念和计算流态是描述流体流动状态的物理量根据流动的稳定性，流态可雷诺数是判断流体流动状态的无量纲数它表示惯性力与黏性力以分为层流和紊流层流是指流体质点有规则地分层流动，互不之比雷诺数越大，惯性力越大，流动越容易变为紊流；雷诺数混合；紊流是指流体质点无规则地剧烈混合流动层流的阻力较越小，黏性力越大，流动越容易保持层流雷诺数的计算公式为小，紊流的阻力较大，其中为流体密度，为流速，为管径，为动力黏Re=ρvd/μρv dμ度水头的概念位置水头位置水头是指单位重量流体所具有的势能它等于测压点至基准面的垂直距离位置水头反映了流体的位置高度，高度越高，位置水头越大压力水头压力水头是指单位重量流体所具有的压力能它等于测压点的压强除以流体的重度压力水头反映了流体的压力大小，压力越大，压力水头越大速度水头速度水头是指单位重量流体所具有的动能它等于流速的平方除以二倍的重力加速度速度水头反映了流体的速度大小，速度越大，速度水头越大水头损失沿程水头损失1沿程水头损失是指流体在管道中流动时，由于克服沿程阻力而引起的水头损失沿程水头损失与管道的长度、管径、粗糙度和流速有关管道越长、管径越小、粗糙度越大、流速越大，沿程水头损失越大局部水头损失2局部水头损失是指流体在管道中流动时，由于通过局部阻力构件（如弯头、阀门、变径管等）而引起的水头损失局部水头损失与局部阻力构件的类型、形状和流速有关阻力构件的阻力越大、流速越大，局部水头损失越大第三章管道沿程水头损失计算达西韦斯巴赫公式-达西韦斯巴赫公式是计算管道沿程水头损失的通用公式公式为-hf=f，其中为沿程水头损失，为沿程阻力系数，为管道长L/D v^2/2g hff L度，为管道直径，为流速，为重力加速度达西韦斯巴赫公式适用于D vg-各种流态和各种粗糙度的管道水力光滑管与粗糙管水力光滑管的概念粗糙管的特征水力光滑管是指管道内壁的凸起高度远小于边界层厚度的管道粗糙管是指管道内壁的凸起高度大于或等于边界层厚度的管道在水力光滑管中，紊流核心区的流体可以直接到达管壁，受黏性在粗糙管中，紊流核心区的流体不能直接到达管壁，受凸起高度力的影响较小，阻力系数主要与雷诺数有关的影响较大，阻力系数主要与相对粗糙度有关层流阻力系数层流阻力系数计算在层流状态下，流体质点有规则地分层流动，阻力主要来源于流体的黏性层流阻力系数的计算公式为，其中为雷诺数f=64/Re Re该公式表明，层流阻力系数与雷诺数成反比，雷诺数越大，阻力系数越小紊流阻力系数布拉修斯公式尼古拉兹公式布拉修斯公式适用于水力光滑管紊流状态下的阻力系数计算尼古拉兹公式是基于实验数据提出的，适用于粗糙管紊流状态该公式为，其中为雷诺数布拉修斯公下的阻力系数计算尼古拉兹公式的形式较为复杂，但可以较f=

0.3164/Re^1/4Re式简单易用，但只适用于一定的雷诺数范围为准确地预测粗糙管的阻力系数柯尔布鲁克怀特公式-公式的适用范围柯尔布鲁克怀特公式适用于过渡区和完全紊流区的阻力系数计算，可以用-于各种粗糙度的管道该公式是隐式方程，需要迭代求解计算方法柯尔布鲁克怀特公式的计算方法通常采用迭代法首先给定一个初始值，-然后代入公式进行计算，得到一个新的值，再将新的值代入公式进行计算，直到前后两次计算的值的差小于允许误差为止水力粗糙度水力粗糙度的定义常见管道的水力粗糙度值水力粗糙度是描述管道内壁粗糙程度的物理量它表示管道内壁不同材质的管道，其水力粗糙度值不同例如，水力光滑的玻璃凸起高度的平均值水力粗糙度越大，管道的粗糙程度越高，阻管的水力粗糙度值接近于，而锈蚀严重的钢管的水力粗糙度值则0力越大较大在工程设计中，需要根据管道的材质和使用年限选择合适的水力粗糙度值第四章局部水头损失计算局部水头损失的产生原因1局部水头损失是由于流体流经管道中的局部阻力构件，如弯头、阀门、变径管等，引起流动状态改变，产生旋涡和紊动，从而导致能量损失局部水头损失与局部阻力构件的类型、形状和流速有关常见局部损失管道突扩管道突扩是指管道的直径突然增大的情况在管道突扩处，流速突然降低，产生旋涡，引起能量损失突扩越大，流速变化越大，局部水头损失越大管道突缩管道突缩是指管道的直径突然减小的情况在管道突缩处，流速突然增大，产生紊动，引起能量损失突缩越大，流速变化越大，局部水头损失越大弯头损失度弯头其他角度弯头90度弯头是指弯曲角度为度的弯头在度弯头处，流体改不同角度的弯头，其局部水头损失不同弯曲角度越大，局部水909090变流动方向，产生旋涡，引起能量损失弯头的曲率半径越小，头损失越大在工程设计中，应尽量减少弯头的数量和弯曲角度局部水头损失越大，以降低局部水头损失阀门损失闸阀蝶阀球阀闸阀是利用闸板的升降来控制流量的阀门蝶阀是利用蝶板的旋转来控制流量的阀门球阀是利用球体的旋转来控制流量的阀门闸阀全开时，局部水头损失较小；闸阀蝶阀的局部水头损失较大，不适用于需球阀的局部水头损失较小，适用于需要部分开启时，局部水头损失较大要频繁调节流量的场合快速启闭的场合其他局部损失三通三通是管道的分支连接构件在三通处，流体分流或合流，流动状态复杂，引起能量损失三通的局部水头损失与流量分配比例有关四通四通是管道的十字连接构件在四通处，流体流动状态更加复杂，局部水头损失也更大应尽量避免使用四通，以降低能量损失入口损失入口损失是指流体从水池或水箱进入管道时产生的局部水头损失入口损失与入口的形状有关喇叭口入口的局部水头损失较小，而锐角入口的局部水头损失较大局部损失系数表局部构件局部损失系数度弯头

900.7-

1.2闸阀（全开）

0.1-

0.2蝶阀（全开）

0.3-

0.5球阀（全开）

0.05-

0.1本表列出了常用局部构件的局部损失系数在实际工程计算中，应根据具体情况查阅相关手册，选择合适的局部损失系数局部损失系数的选择直接影响计算结果的准确性第五章简单管道水力计算简单管道的定义简单管道是指只有一条管道，没有分支或环路的管道系统简单管道的水力计算相对简单，可以直接应用达西韦斯巴赫公式和局部水头损失公式进-行计算管道特性曲线特性曲线的绘制特性曲线的应用管道特性曲线是指流量与水头损失之间的关系曲线绘制管道特管道特性曲线可以用于分析管道的水力性能，选择合适的水泵，性曲线的方法是，在不同的流量下，计算管道的水头损失，然后确定管道的工作点，优化管道的运行方案例如，将管道特性曲将流量和水头损失作为坐标，绘制成曲线管道特性曲线反映了线与水泵特性曲线进行叠加，可以确定管道的工作点，即流量和管道的水力性能水头损失水泵特性曲线曲线曲线曲线H-Qη-Q N-Q曲线是指水泵的扬程与流量之间的关曲线是指水泵的效率与流量之间的关曲线是指水泵的功率与流量之间的关H-Qη-Q N-Q系曲线曲线是水泵最重要的特性曲系曲线曲线反映了水泵的节能性能系曲线曲线反映了水泵的耗能情况H-Qη-Q N-Q线，反映了水泵的供水能力选择水泵时，应选择效率较高的水泵在满足供水要求的前提下，应选择功率较小的水泵工作点的确定图解法计算法图解法是将管道特性曲线和水泵特性曲线绘制在同一坐标系中，计算法是将管道特性方程和水泵特性方程联立求解，得到流量和两条曲线的交点即为工作点图解法简单直观，但精度较低扬程，即为工作点计算法精度较高，但计算过程较为复杂管道计算的三个基本问题已知流量求水头损失1已知流量，需要计算管道的水头损失，以便选择合适的水泵这种计算通常应用于新建管道的设计已知水头损失求流量2已知水头损失，需要计算管道的流量，以便评估管道的输水能力这种计算通常应用于现有管道的评估已知管径求流量3已知管径，需要计算管道的流量，以便选择合适的管径这种计算通常应用于管道的优化设计第六章复杂管道系统计算复杂管道系统的类型复杂管道系统是指由多条管道、多个节点和多个环路组成的管道系统复杂管道系统的类型包括串联管道、并联管道、分支管道和环状管网串联管道计算原理计算步骤串联管道是指多条管道依次连接的管道系统在串联管道中，各串联管道的计算步骤包括确定各条管道的长度、管径和粗糙度条管道的流量相等，总的水头损失等于各条管道的水头损失之和；计算各条管道的沿程水头损失和局部水头损失；计算总的水头损失；根据总的水头损失选择合适的水泵并联管道计算原理计算步骤并联管道是指多条管道并列连接的管道系统在并联管道中，各并联管道的计算步骤包括确定各条管道的长度、管径和粗糙度条管道的水头损失相等，总的流量等于各条管道的流量之和；假设各条管道的水头损失相等；计算各条管道的流量；计算总的流量；根据总的流量选择合适的水泵分支管道节点方程节点方程是描述节点流量平衡的方程在节点处，流入节点的流量等于流出节点的流量节点方程是分支管道计算的基础计算方法分支管道的计算方法包括建立节点方程和环路方程；联立求解方程组，得到各条管道的流量和水头损失；根据计算结果选择合适的水泵环状管网环状管网的特点计算方法介绍环状管网是指由多条管道和多个环路组成的管道系统环状管网环状管网的计算方法包括哈代克罗斯法、牛顿拉夫逊法等--具有供水可靠性高、水力条件稳定等优点，广泛应用于城市供水这些方法都是迭代法，需要进行多次迭代才能得到满足精度要求系统的计算结果哈代克罗斯法-基本原理计算步骤哈代克罗斯法是环状管网水力计算的常用方法其基本原理是哈代克罗斯法的计算步骤包括假定各条管道的流量；计算各条--在任一环路中，顺时针方向的水头损失之和等于逆时针方向的水管道的水头损失；计算各环路的流量修正值；修正各条管道的流头损失之和量；重复以上步骤，直到满足精度要求为止第七章水力坡降线与能量线水力坡降线的定义能量线的定义水力坡降线是指沿管道轴线，各点测压管水头连成的曲线水力能量线是指沿管道轴线，各点总水头连成的曲线能量线反映了坡降线反映了管道中压力的变化情况管道中总能量的变化情况水力坡降线与能量线的绘制绘制方法水力坡降线的绘制方法是在管道的各测压点处，测量测压管水头，然后将各点连成曲线能量线的绘制方法是在水力坡降线上，加上各点的速度水头，然后将各点连成曲线实际应用水力坡降线和能量线可以用于分析管道的水力性能，判断管道是否需要进行改造，优化管道的运行方案例如，如果水力坡降线低于管道的高度，则说明管道可能存在气蚀现象虹吸管虹吸管的原理计算方法虹吸管是利用大气压将液体从高处输送到低处的管道虹吸管的虹吸管的计算方法与简单管道的计算方法类似，需要计算管道的原理是在大气压的作用下，液体从高处进入虹吸管，然后由于沿程水头损失和局部水头损失需要注意的是，虹吸管的出口必重力的作用，液体从虹吸管的出口流出须低于入口，才能产生虹吸现象第八章管道的经济直径经济直径的概念影响因素经济直径是指在一定流量下，使得管道的总费用（包括建设费用影响经济直径的因素包括流量、管道长度、管道材质、水泵的和运行费用）最小的管道直径经济直径的确定需要综合考虑管费用、电价、折现率等流量越大、管道越长、电价越高，经济道的建设费用、运行费用和水泵的费用直径越大经济直径的确定方法年费用法投资回收期法年费用法是将管道的建设费用折算成每年的费用，然后加上每投资回收期法是计算管道的投资回收期，即需要多少年才能收年的运行费用，得到总的年费用选择使得总的年费用最小的回管道的投资选择使得投资回收期最短的管道直径作为经济管道直径作为经济直径直径第九章水击现象水击的定义产生原因水击是指由于管道中流速突然变化，引起压力急剧升高或降低的水击的产生原因是由于流体的惯性作用当流速突然变化时，流现象水击通常发生在阀门快速关闭、水泵突然停机等情况下体由于惯性作用，会产生较大的冲击力，从而引起压力急剧升高或降低水击的危害对管道系统的影响1水击会引起管道振动、噪音，甚至导致管道破裂、设备损坏水击是管道系统安全运行的重大威胁预防措施2预防水击的措施包括缓慢关闭阀门、设置缓冲装置、安装单向阀、选择合适的水泵等缓慢关闭阀门可以减缓流速的变化，从而降低水击的强度水击的计算茹科夫斯基公式计算实例茹科夫斯基公式是计算水击压力的常用公式公式为在实际工程中，可以利用茹科夫斯基公式计算水击压力，然后根ΔP=ρcvΔv，其中为水击压力，为流体密度，为水击波速，为流速变据计算结果采取相应的预防水击措施例如，可以调整阀门的关ΔPρc v化量茹科夫斯基公式适用于瞬时关闭的情况闭速度，或者设置缓冲装置第十章管道系统的调节与控制调节的目的管道系统的调节目的是为了满足用户的用水需求，保证管道系统的安全运行，提高管道系统的节能性能调节的方式包括流量调节、压力调节和水质调节常用调节方法常用的调节方法包括阀门调节、变频调速、水泵切换等阀门调节是通过改变阀门的开度来调节流量和压力；变频调速是通过改变水泵的转速来调节流量和压力；水泵切换是通过切换不同型号的水泵来满足不同的用水需求.阀门调节不同类型阀门的特性不同类型的阀门具有不同的特性例如，闸阀适用于全开或全关的场合，不适用于频繁调节流量；蝶阀适用于大流量的场合，但调节精度较低；球阀适用于需要快速启闭的场合，但局部水头损失较大调节效果分析阀门调节的效果与阀门的类型、开度和管道系统的特性有关在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的阀门和开度，以达到最佳的调节效果变频调速变频原理节能效果变频调速是通过改变电机的供电频率来改变电机的转速电机的变频调速可以根据实际用水需求调节水泵的转速，避免水泵在低转速与供电频率成正比变频调速可以实现水泵的无级调速，从效区运行，从而达到节能的目的变频调速是管道系统节能的重而满足不同的用水需求要措施第十一章管网水力模型水力模型的作用管网水力模型是利用计算机模拟管道系统水力性能的工具水力模型可以用于分析管道系统的运行状况，预测管道系统的供水能力，优化管道系统的运行方案水力模型是管道系统设计、运行和管理的重要工具常用软件介绍常用的管网水力模型软件包括、、等EPANET WaterGEMSInfoWater这些软件都具有强大的计算能力和友好的用户界面，可以方便地进行管网水力分析软件简介EPANET软件功能应用范围是美国环保署开发的免费管网水力模型软件广泛应用于城市供水系统、工业管道系统和农业灌溉系EPANET EPANETEPANET具有强大的计算功能，可以模拟管道系统的水力性能，包括流量统的设计、运行和管理可以用于分析管道系统的运行EPANET、压力、水龄等还可以进行水质模拟，预测管道系统状况，预测管道系统的供水能力，优化管道系统的运行方案EPANET中的水质变化情况管网模型的建立数据收集建立管网模型需要收集大量的数据，包括管道的长度、管径、粗糙度、节点的位置、高程、用水量等数据的准确性直接影响模型的精度模型构建步骤模型构建的步骤包括绘制管网的拓扑图；输入管道的参数；输入节点的参数；设置计算参数；运行模型；分析计算结果模型的校准与验证校准方法验证标准模型的校准是指调整模型的参数，使得模型的计算结果与实际测模型的验证是指利用另一组实际测量数据，检验模型的精度常量结果相符常用的校准方法包括调整管道的粗糙度、调整节用的验证标准包括流量误差、压力误差等模型的验证是保证点的用水量等模型可靠性的重要步骤第十二章管道设计与选择管道材料的选择1管道材料的选择需要综合考虑管道的用途、输送介质的性质、工作压力、工作温度、环境条件、经济性等因素常用的管道材料包括钢管、铸铁管、塑料管等管径的确定2管径的确定需要根据管道的流量、流速、水头损失等因素进行计算管径过小，水头损失过大，增加运行费用；管径过大，增加建设费用选择合适的管径，可以降低总费用管道布置布置原则管道布置应遵循以下原则尽量减少管道的长度，减少管道的弯头和变径，避免管道穿越障碍物，保证管道的安全性和可靠性常见布置方式常见的管道布置方式包括直线布置、环状布置、辐射状布置等直线布置适用于地形平坦的地区；环状布置适用于城市供水系统；辐射状布置适用于工业管道系统管道支撑与固定支撑间距固定点设置管道的支撑间距需要根据管道的材质、管径、输送介质的密度、管道的固定点设置需要根据管道的膨胀量、热胀冷缩系数等因素工作压力等因素进行计算支撑间距过大，管道容易发生弯曲变进行计算固定点可以防止管道发生轴向位移，保证管道的安全形；支撑间距过小，增加建设费用运行第十三章泵站设计基础泵站的功能1泵站的功能是提高液体的压力，将液体输送到更高的位置或更远的地方泵站是管道系统中重要的组成部分泵站类型2泵站的类型包括供水泵站、排水泵站、污水泵站、石油泵站等不同类型的泵站具有不同的特点和设计要求泵的选型选型原则常用泵型介绍泵的选型应遵循以下原则满足流量和扬程的要求，效率高，运常用的泵型包括离心泵、轴流泵、混流泵、旋涡泵等不同类行稳定，维护方便，经济性好在满足使用要求的前提下，应选型的泵具有不同的特性和适用范围离心泵适用于小流量、高扬择价格较低的泵程的场合；轴流泵适用于大流量、低扬程的场合；混流泵适用于流量和扬程介于离心泵和轴流泵之间的场合泵的并联与串联运行并联运行特性泵的并联运行是指将多台泵并列连接，共同向管道系统供水并联运行可以提高管道系统的供水能力，但扬程不变并联运行适用于流量需求较大的场合串联运行特性泵的串联运行是指将多台泵依次连接，共同向管道系统供水串联运行可以提高管道系统的扬程，但流量不变串联运行适用于扬程需求较大的场合第十四章管道系统节能节能的重要性管道系统是耗能大户，节能具有重要的经济意义和社会意义节能可以降低运行费用，减少能源消耗，保护环境节能潜力分析管道系统的节能潜力主要体现在以下几个方面管网优化、水泵优化运行、泄漏控制、能量回收等通过采取合理的节能措施，可以显著降低管道系统的能耗管网优化管网布局优化管径优化管网布局优化是指调整管网的布置方式，减少管道的长度，减少管径优化是指选择合适的管径，使得管道系统的总费用最小管管道的弯头和变径，从而降低水头损失，节省能源管网布局优径过小，水头损失过大，增加运行费用；管径过大，增加建设费化是节能的重要措施用选择合适的管径，可以降低总费用泵站优化运行泵的效率曲线泵的效率曲线是指泵的效率与流量之间的关系曲线泵的效率曲线反映了泵的节能性能在选择水泵时，应选择效率较高的水泵最优运行方案泵站的最优运行方案是指在满足用水需求的前提下，使得泵站的能耗最低的运行方案确定最优运行方案需要综合考虑水泵的效率、用水需求、电价等因素第十五章案例分析城市供水管网案例本案例分析了城市供水管网的设计、运行和管理重点介绍了城市供水管网的水力计算、管网优化、泄漏控制等技术工业管道系统案例石油输送管道本案例分析了石油输送管道的设计、运行和管理重点介绍了石油输送管道的水力计算、安全防护、腐蚀控制等技术化工厂管网本案例分析了化工厂管网的设计、运行和管理重点介绍了化工厂管网的介质特性、防腐措施、安全防护等技术建筑给排水系统案例高层建筑给水系统住宅小区排水系统本案例分析了高层建筑给水系统的设计、运行和管理重点介绍本案例分析了住宅小区排水系统的设计、运行和管理重点介绍了高层建筑给水系统的分区供水、增压措施、水质保证等技术了住宅小区排水系统的雨污分流、排水管网设计、污水处理等技术课程总结知识点回顾1本课程系统讲解了有压管道水力计算的基础理论和应用实践，包括流体力学基础、管道水流基本概念、管道沿程及局部水头损失计算、简单与复杂管道系统计算、水力坡降线与能量线、管道经济直径、水击现象、管道系统的调节与控制、管网水力模型、管道设计与选择、泵站设计基础、管道系统节能、案例分析等应用前景展望2有压管道水力计算广泛应用于城市供水、石油化工、建筑给排水等领域随着城市化进程的加快和工业的快速发展，有压管道水力计算的应用前景将更加广阔。