《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程将系统介绍有压管流水力计算的基本理论与工程应用，从基础概念到复杂系统分析课程目标与内容简介掌握基本理论有压管流基础原理学习计算方法水力参数分析技巧实际工程应用案例与实践能力培养有压管流的定义有压管流明渠流水流充满整个管道水流只占部分断面流动受压力驱动重力驱动流动截面压力非恒定水面与大气接触有压管流的物理意义压力特性速度场特征管内各点压力大于大气压中心流速最大压力随高度、流速变化管壁流速为零流态分布层流、过渡流、湍流雷诺数决定流态常见有压管道系统分类城市供水系统从水厂到用户的输配水管网工业管网生产工艺用水、冷却循环水系统水利工程水力发电引水隧洞、压力钢管消防系统建筑内部消防栓系统与喷淋系统管道水力系统的组成动力设备水源水泵增加水流能量提供初始水量与压力管道输送流体的通道用户端管件用水设施消耗水量阀门、弯头控制流向流体力学基础回顾

（一）质量守恒流体质量不创造不消灭连续性方程₁₁₂₂A v=A v流量不变稳态流动中各截面流量相等流体力学基础回顾

（二）动能项1表示流速能v²/2g压力项2表示压力能p/ρg位能项3表示位置能z伯努利方程4常数z+p/ρg+v²/2g=流体力学基础回顾

（三）总水头损失1h=hf+hm沿程损失hf2与管长、管径、摩擦有关局部损失hm3各类管件引起的额外损失管内流动的雷诺数与流态判别2320临界雷诺数流态转换的临界点2320层流流体按层次流动4000湍流流体剧烈混合2320-4000过渡状态不稳定流态管道流动的水力坡度线水力坡度线能量线实际水头变化线总能量分布线反映能量损失趋势包含势能、压能、动能坡度表示单位能量损失总是向下倾斜有压管道的能量方程详解压力能动能位能可转化为流速能与流速平方成正与地面高度有关p/ρg v²/2g z和位置能比能量损失随流速和管长增加hw伯努利方程在有压管中的应用机械功水泵能量有机械做功时加入功率项基本形式含泵管道加入扬程项H₁₁₁₂₂₂z+p/ρg+v²/2g=z+p/ρg+v²/2g+hw管道摩阻损失基础达西魏斯巴赫公式××-hf=f L/D v²/2g为摩阻系数，与流态和相对粗糙度有关f达西摩阻系数的取值方法f流态类型雷诺数范围摩阻系数计算方法f层流Re2320f=64/Re光滑管湍流布拉修斯公式2320Re10⁵f=

0.3164/Re^

0.25粗糙管湍流柯尔布鲁克怀特公Re10⁵-式相对糙率与摩阻系数查表穆迪图使用步骤确定相对粗糙度ε/D查找雷诺数Re=ρvD/μ确定区域层流、过渡区、完全湍流读取摩阻系数交点对应的值f局部损失的计算弯头阀门扩缩管流向改变产生离心力和二次流截面变化与流道弯折引起损失流速变化产生分离与射流现象常见局部损失系数一览总水头损失的计算思路沿程损失计算××hf=f L/D v²/2g局部损失计算×hm=Σξv²/2g水头损失相加hw=hf+hm合理性验证与经验值比对多管串联系统的水力分析流量相同₁₂Q=Q=...=Qn水头损失累加₁₂H=H+H+...+Hn等效管径计算单管等效直径多管并联系统分析总流量分配1₁₂Q=Q+Q+...+Qn水头损失相等2₁₂H=H=...=Hn流量与阻力关系3Q~1/√S等效管径计算4₁₂1/√S=1/√S+1/√S+...管道系统的方程组建立水力模型反映系统水力特性流量平衡方程节点流量守恒能量方程环路能量平衡状态方程水头损失与流量关系管材与管径的选择材料选择管径确定根据使用需求、成本、耐久性基于经济流速原则造价考量经济流速初投资与长期运行费用平衡钢管，塑料管1-3m/s

0.7-

1.5m/s管道系统的流量与压力匹配水泵扬程与管道系统分析水泵特性曲线管道特性曲线工作点表示水泵流量与扬程关系表示管道流量与阻力关系两曲线交点随流量增加扬程降低流量平方比例增加实际运行状态有最高效率点静扬程动扬程调节方法+有压管道系统设计工作流程需求分析流量、压力、用途初步设计管径、布置、设备选型水力计算水头损失、工作点方案优化技术经济比较施工图设计详细技术参数确定典型有压管流计算实例1100m管长直管段总长100mm管径内径尺寸10L/s流量通过管道的水量

2.5m水头损失计算结果典型有压管流计算实例2已知条件计算过程计算结果进口压力试算法找最佳管径最优管径40m DN150出口流量不同管径对比表水头损失25L/s

8.4m管长造价与水头损失平衡年运行费用最低150m典型有压管流计算实例3层流条件湍流条件结论湍流损失显著高于层流Re=1500Re=10000摩阻系数摩阻系数大流量考虑增大管径f=64/Re=

0.0427f=

0.031水头损失水头损失小流量可考虑层流设计

2.1m

8.5m软件辅助工具简介EPANET BentleyAFT FathomWaterCAD开源水力模拟软件工业管网分析工具专业给水系统设计软件自编程序Excel/MATLAB水力计算程序复杂管网水力平衡计算哈迪克罗斯法-环路修正法节点法节点水头平衡矩阵迭代法利用线性方程组给水工程中的有压管流应用给排水与消防工程案例分析项目概况层商业综合体30消防需求流量，压力30L/s

0.7MPa系统设计消防水泵、管网、喷淋水力计算最不利点满足

0.15MPa工业管道系统中的有压管流循环冷却系统蒸汽冷凝系统大流量、低扬程特点相变计算方法浆液输送化工管道非牛顿流体水力计算耐腐蚀与安全设计城市天然气与油品管道有压流天然气管道特点油品管道特点计算差异气体可压缩粘度大魏茅斯公式状态方程不同温度影响显著压缩系数修正雷诺数范围广安全等级高脉动流考虑水锤现象简介计算方法防护措施朱可夫斯基公式危害性缓闭阀门、安装水锤消除器产生机理管道破裂、设备损坏突然关闭阀门导致压力波管道压力计与流量计类型电磁流量计超声波流量计压力传感器适用导电液体，无压损无侵入测量，安装方便测量管道静压与动压有压管道的运行维护与管理定期检查泄漏检测管道表面状况声波定位法阀门功能测试压力试验法管道防腐层检查智能巡检系统系统冲洗定期清除沉淀物保持水力性能延长使用寿命有压管道常见故障及应对爆管水锤、腐蚀、施工损伤引起气阻气体积聚阻碍水流，安装排气阀冻裂低温地区冬季防护措施不足振动共振、流速过高引起，加装减振器水质对管道水力影响管道水力性能优化措施内壁清洗内壁防腐涂层去除结垢与沉积物降低粗糙度压力管理管网优化适当降低系统压力消除瓶颈段绿色节能新技术方向高效水泵变频驱动，按需供水智能阀门自动调节压力与流量大数据分析预测用水需求，优化调度能量回收压差发电，余热利用国内外标准规范简介标准编号标准名称适用范围建筑给水排水设计规范建筑内给排水系统GB50015室外给水设计规范城镇供水系统GB50013供水系统要求欧盟标准EN805美国水工协会标准北美水工程AWWA水力计算中常见错误案例分析直径选择不当扬程估算不足忽视水锤计算流速过高导致管道振动破坏无法达到设计流量管道爆裂事故频发课堂思考与讨论题

（一）水力计算假设假设影响恒定流与变化流计算精度差异不可压缩与可压缩适用条件限制理想流体与实际流体误差大小评估改进方向非恒定流模型修正系数应用计算机数值模拟课堂思考与讨论题

（二）单根管道管网系统能量分配差异能量损失直接计算流量分配复杂管网考虑循环流流动方向确定能量多路径传递节点法与环路法参数变化简单节点压力相互影响水力平衡过程未来智能管网发展趋势物联网监测传感器全覆盖实时监控压力流量数据实时分析预测AI故障预警与需求预测自动调控智能阀门自适应调节课后作业布置5基础题单管水头损失计算3中等题串并联系统分析2综合题小型管网水力平衡1设计题实际工程案例分析参考文献与资料推荐总结与答疑基础理论计算方法系统分析连续性方程与伯努利方摩阻与局部损失计算串并联管道与复杂管网程工程应用不同领域案例解析。