流体输配管网水力计算的目的

第 2 章 气体管流水力特征与水力计算2-1 某工程中的空调送风管网，在计算时可否忽略位压的作用？为什么？（提示：估计位压作用的大小，与阻力损失进行比较。）答：民用建筑空调送风温度可取在1535（夏季冬季）之间，室内温度可取在2520（夏季冬季）之间。取20空气密度为1.204kg/m3,可求得各温度下空气的密度分别为：15： = =1.225 kg/m335： = =1.145 kg/m325： = =1.184 kg/m3因此：夏季空调送风与室内空气的密度差为1.225-1.184=0.041kg/m3 冬季空调送风与室内空气的密度差为1.204-1.145=0.059kg/m3空调送风管网送风高差通常为楼层层高，可取H=3m，g=9.807 N/m.s2,则夏季空调送风位压=9.8070.0413=1.2 Pa冬季空调送风位压=9.8070.0593=1.7 Pa空调送风系统末端风口的阻力通常为1525Pa，整个空调送风系统总阻力通常也在100300 Pa之间。可见送风位压的作用与系统阻力相比是完全可以忽略的。但是有的空调系统送风集中处理，送风高差不是楼层高度，而是整个建筑高度，此时H可达50米以上。这种情况送风位压应该考虑。2-2 如图 2-1-1 是某地下工程中设备的放置情况，热表示设备为发热物体，冷表示设备为常温物体。为什么热设备的热量和地下室内污浊气体不能较好地散出地下室？如何改进以利于地下室的散热和污浊气体的消除？图2-1-1 图2-1-2图2-1-3 图2-1-4答：该图可视为一 U 型管模型。因为两侧竖井内空气温度都受热源影响，密度差很小，不能很好地依靠位压形成流动，热设备的热量和污浊气体也不易排出地下室。改进的方法有多种：（1）将冷、热设备分别放置于两端竖井旁，使竖井内空气形成较明显的密度差，如图 2-1-2 ；（2）在原冷物体间再另掘一通风竖井，如图 2-1-3 ；（3）在不改变原设备位置和另增竖井的前提下，采用机械通风方式，强制竖井内空气流动，带走地下室内余热和污浊气体，如图 2-1-4 。2-3 如图 2-2 ，图中居室内为什么冬季白天感觉较舒适而夜间感觉不舒适？图2-2 答：白天太阳辐射使阳台区空气温度上升，致使阳台区空气密度比居室内空气密度小，因此空气从上通风口流入居室内，从下通风口流出居室，形成循环。提高了居室内温度，床处于回风区附近，风速不明显，感觉舒适；夜晚阳台区温度低于居室内温度，空气流动方向反向，冷空气从下通风口流入，床位于送风区，床上的人有比较明显的吹冷风感，因此感觉不舒适。2-4 如图 2-3 是某高层建筑卫生间通风示意图。试分析冬夏季机械动力和热压之间的作用关系。 图2-3答：冬季室外空气温度低于通风井内空气温度，热压使通风井内空气向上运动，有利于气体的排除，此时热压增加了机械动力的通风能力；夏季室外空气温度比通风竖井内空气温度高，热压使用通风井内空气向下流动，削弱了机械动力的通风能力，不利于卫生间排气。2-5 简述实现均匀送风的条件。怎样实现这些条件？答：根据教材推导式（2-3-21） 式中送风口计算送风量 ，m3/h；送风口流量系数；送风口孔口面积，m2；送风管内静压，Pa； 送风密度，kg/m3。从该表达式可以看出，要实现均匀送风，可以有以下多种方式：（1） 保持送风管断面积F和各送风口面积不变，调整各送风口流量系数使之适应的变化，维持不变；（2） 保持送风各送风口面积和各送风口流量系数不变，调整送风管的面积F，使管内静压基本不变，维持不变；（3） 保持送风管的面积F和各送风口流量系数不变，根据管内静压的变化，调整各送风口孔口面积，维持不变；（4） 增大送风管面积F，使管内静压增大，同时减小送风口孔口面积， 二者的综合效果是维持不变。实际应用中，要实现均匀送风，通常采用以上第（2）中种方式，即保持了各送风口的同一规格和形式（有利于美观和调节），又可以节省送风管的耗材。此时实现均匀送风的条件就是保证各送风口面积、送风口流量系数、送风口处管内静压均相等。要实现这些条件，除了满足采用同种规格的送风口以外，在送风管的设计上还需要满足一定的数量关系，即任意两送风口之间动压的减少等于该两送风口之间的流动阻力，此时两送风口出管内静压相等。2-6 流体输配管网水力计算的目的是什么？答：水力计算的目的包括设计和校核两类。一是根据要求的流量分配，计算确定管网各管段管径（或断面尺寸），确定各管段阻力，求得管网特性曲线，为匹配管网动力设备准备好条件，进而确定动力设备（风机、水泵等）的型号和动力消耗（设计计算）；或者是根据已定的动力设备，确定保证流量分配要求的管网尺寸规格（校核计算）；或者是根据已定的动力情况和已定的管网尺寸，校核各管段流量是否满足需要的流量要求（校核计算）。2-7 水力计算过程中，为什么要对并联管路进行阻力平衡？怎样进行？“所有管网的并联管路阻力都应相等”这种说法对吗？答：流体输配管网对所输送的流体在数量上要满足一定的流量分配要求。管网中并联管段在资用动力相等时，流动阻力也必然相等。为了保证各管段达到设计预期要求的流量，水力计算中应使并联管段的计算阻力尽量相等，不能超过一定的偏差范围。如果并联管段计算阻力相差太大，管网实际运行时并联管段会自动平衡阻力，此时并联管段的实际流量偏离设计流量也很大，管网达不到设计要求。因此，要对并联管路进行阻力平衡。对并联管路进行阻力平衡，当采用假定流速法进行水力计算时，在完成最不利环路的水力计算后，再对各并联支路进行水力计算，其计算阻力和最不利环路上的资用压力进行比较。当计算阻力差超过要求值时，通常采用调整并联支路管径或在并联支路上增设调节阀的办法调整支路阻力，很少采用调整主干路（最不利环路）阻力的方法，因为主干路影响管段比支路要多。并联管路的阻力平衡也可以采用压损平均法进行：根据最不利环路上的资用压力，确定各并联支路的比摩阻，再根据该比摩阻和要求的流量，确定各并联支路的管段尺寸，这样计算出的各并联支路的阻力和各自的资用压力基本相等，达到并联管路的阻力平衡要求。“所有管网的并联管路阻力都应相等”这种说法不对。在考虑重力作用和机械动力同时作用的管网中，两并联管路的流动资用压力可能由于重力重用而不等，而并联管段各自流动阻力等于其资用压力，这种情况下并联管路阻力不相等，其差值为重力作用在该并联管路上的作用差。2-8 水力计算的基本原理是什么？流体输配管网水力计算大都利用各种图表进行，这些图表为什么不统一？答：水力计算的基本原理是流体一元流动连续性方程和能量方程，以及管段串联、并联的流动规律。流动动力等于管网总阻力（沿程阻力+局部阻力）、若干管段串联和的总阻力等于各串联管段阻力之和，并联管段阻力相等。用公式表示即：串联管段： G1=G2=Gi 并联管段： G1+G2+Gi = G 流动能量方程： （Pq1Pq2）+g(a)(H2H1)=P1-2 流动动力等于管网总阻力 管网总阻力等于沿程阻力+局部阻力 流体输配管网水力计算大都利用各种图表进行，这些图表为什么不统一的原因是各类流体输配管网内流动介质不同、管网采用的材料不同、管网运行是介质的流态也不同。而流动阻力（尤其是沿程阻力）根据流态不同可能采用不同的计算公式。这就造成了水力计算时不能采用统一的计算公式。各种水力计算的图表是为了方便计算，减少烦琐、重复的计算工作，将各水力计算公式图表化，便于查取数据，由于各类流体输配管网水力计算公式的不统一，当然各水力计算图表也不能统一。2-9 比较假定流速法、压损平均法和静压复得法的特点和适用情况。答：假定流速法的特点是先按照合理的技术经济要求，预先假定适当的管内流速；在结合各管段输送的流量，确定管段尺寸规格；通常将所选的管段尺寸按照管道统一规格选用后，再结合流量反算管段内实际流速；根据实际流速（或流量）和管段尺寸，可以计算各管段实际流动阻力，进而可确定管网特性曲线，选定与管网相匹配的动力设备。假定流速法适用于管网的设计计算，通常已知管网流量分配而管网尺寸和动力设备未知的情况。压损平均法的特点是根据管网（管段）已知的作用压力（资用压力），按所计算的管段长度，将该资用压力平均分配到计算管段上，得到单位管长的压力损失（平均比摩阻）；再根据各管段的流量和平均比摩阻确定各管段的管道尺寸。压损平均法可用于并联支路的阻力平衡计算，容易使并联管路满足阻力平衡要求。也可以用于校核计算，当管道系统的动力设备型号和管段尺寸已经确定，根据平均比摩阻和管段尺寸校核管段是否满足流量要求。压损平均法在环状管网水力计算中也常常应用。静压复得法的特点是通过改变管段断面规格，通常是降低管内流速，使管内流动动压减少而静压维持不变，动压的减少用于克服流动的阻力。静压复得法通常用于均匀送风系统的设计计算中。2-10为何天然气管网水力计算不强调并联支路阻力平衡？答：天然气管网水力计算不强调并联支路阻力平衡，可以从以下方面加以说明：（1）天然气末端用气设备如燃气灶、热水器等阻力较大，而燃气输配管道阻力相对较小，因此各并联支路阻力相差不大，平衡性较好；（2）天然气管网一般采用下供式，最不利环路是经过最底层的环路。由于附加压头的存在，只要保证最不利环路的供气，则上层并联支路也一定有气；（3）各并联支路在燃气的使用时间上并非同时使用，并且使用时也并非都在额定流量工况下使用，其流量可以通过用户末端的旋塞，阀门等调节装置根据需要调节。签于以上原因，天然气管网无需强调并联支路的阻力平衡。2-11 如图 2-4 所示管网，输送含谷物粉尘的空气，常温下运行，对该管网进行水力计算，获得管网特性曲线方程。图2-4答： 1.对各管段进行编号，标出管段长度和各排风点的排风量。2.选择最不利环路，本题确定 1-3-5 除尘器 6 风机 7 为最不利环路。3.根据表 2-3-3 输送含有谷物粉尘的空气时，风管内最小风速为垂直风管 10m/s ，水平风管 12m/s ，考虑到除尘器及风管漏网，取 5% 的漏网系数，管段 6 及 7 的计算风量： 5500 1.05=5775m3/s=1.604m3/s 。管段1，有水平风管，确定流速12m/s，Q1=1000m3/h(0.28m3/s)，选D1=180mm，实际流速V1=11.4m/s，查Rm1=90Pa/m，Pd=V2/2=1.211.42/2=78.0Pa。同理可查管段3、5、6、7的管径及比摩阻，并计算动压及摩擦阻力，结果见水力计算表。4确定管断2、4的管径及单位长度摩擦力，结果见水力计算表。水力计算表管段编号流量m3/h(m3/s)长度l(m)管径D(mm)流速V(m/s)动压Pd(Pa)局部阻力系数局部阻力P1(Pa)单位长度摩擦阻力Rm(Pa/m)摩擦阻力Rm(Pa)管段阻力Rml+P1(Pa)备注11000(0.28)1518011.478.01.37106.869.0135241.9 33500(0.972)632012.3291.1-0.05-4.865.53328.4 55500(1.53)540012.3691.70.655.024.22176.0 65775(1.604)845010.2262.70.4729.472.01645.5 75775(1.604)1045010.2262.70.637.622.02057.6 22500(0.694)1030010.060.00.5834.83.83872.8阻力不平衡42000(0.556)826010.768.71.4196.874.838.4135.3阻力不平衡 除尘器 1000 2 24021.3272.2 196.3 4 22014.6128.4 222.5 5从阻力平衡，暖通设计手册等资料查名管段的局部阻力系数（简明通风设计手册）。（1）管段1 设备密闭罩=1.0，90弯头(R/D=1.5)一个，=0.17，直流三通，根据F1+F2=F3，=30，F2/F3=（300/320）2=0.88，Q2/Q3=2500/3500=0.714，查得1,3=0.20，1=1.0+0.17+0.20=1.37，P1=Pd=106.86Pa。（2）管段2圆形伞形罩，=60，13=0.09，90弯头（R/D=1.5）一个，=0.17，60弯头（R/D=1.5）1个，=0.14，合流三通2,3=0.18，2=0.09+0.17+0.14+0.18=0.58。（3）管段3直流三通F3+F4F5，2=30，F4/F5=（260/400）2=0.423，Q4/Q5=2000/5500=0.36，35=-0.05，=-0.05。（4）管段4设备密闭罩=1.0，90弯头（R/D=1.5）1个，=0.17，合流三通45=0.24，=1.0+0.17+0.24=14.1。(5)管段5除尘器进口变径管(断扩管)，除尘器进口尺寸300800mm，变径管长度L=500mm，=21.8，=0.60，=0.60。说明 除尘器出入口及风机出入口尺寸为参考尺寸，根据所选设备具体尺寸定。（6）管段6除尘器出口变径管（断缩管），除尘器出口尺寸300mm80mm，变径管长度l=400m，=23.6，=0.1，90弯头（R/D=1.5）2个，=20.17=0.34。风机进口渐扩管，按要求的总风量和估计的管网总阻力先近似选出一台风机，风机进口直径D1=500mm，变径管长度L=300mm。F5/F6=（500/450）2=1.23，=4.8，=0.03，=0.1+0.34+0.03=0.47。（7）管段7风机出口渐扩管，风机出口尺寸410315mm，D7=420mm，F7/F出=D2/（4103154）=1.07，=0。带扩散管的平形风帽（h/D0=0.5），=0.60，=0.60。6计算各管段的沿程摩擦阻力和局部阻力，结果如水力计算表。7对并联管路进行阻力平衡。(1)汇合点A，P1=241.9Pa，P2=72.8Pa，为使管段1.2达到阻力平衡，改变管段2的管径，增大其阻力。根据通风管道流规格取D2=240mm，其对应压力，仍不平衡，若取管径D2=220mm，对立阻力为288.9Pa更不平衡。因此决定取D2=240mm，在运行对再辅以阀门调节，削除不平衡。(2)汇合点B，P1+P3=241.9+28.4=270.3Pa，P4=135.3Pa，为使管段1.2达到阻力平衡，改变管段4的管径变成，取D4=220mm，与1,3管段平衡。8计算系统的总阻力，获得管网扬程曲线。P=（Rml+Pl）=241.9+28.4+76.0+45.5+57.6+1000=1449.4PaS=P/Q2=1450/1.6042=5633.6kg/m7管网特性曲线为P=563.6Q2 Pa2-12 试作如图所示室内天然气管道水力计算，每户额定用气量1.0Nm3/h，用气设备为双眼燃气灶。解： 1）确定计算流量画出管道系统图，在系统图上对计算管段进行编号，凡管径变化或流量变化均编号。第j管道计算流量用下式计算。式中 Ljj管道计算流量，Nm3/h；k燃具的同时工作系数，可从燃气工程设计手册查取；Lj第i种燃具的额定流量，Nm3/h；Ni管道负担的i种燃具数目。图2-5计算结果列于下表。流量计算表管段号122334455667109988611101211燃具数N11123612311额定流量LiNi(Nm3/h)11123612311同时工作系数k1111.00.850.6411.00.8511计算流量Lj(Nm3/h)11122.553.84122.55112）确定各管段的长度Lj，标在图上。3）根据计算流量，初步确定管径，并标于系统图上。4）算出各管段的局部阻力系数，求出其当量长度，即可得管段的计算长度。管段12直角弯头3个 =2.2旋塞1个 =4=2.23+41=10.6计算雷诺数Re计算摩擦阻力系数当量长度l2管段计算长度 l12=2.6+4.2=6.8m5）计算单位管长摩擦阻力6）管段阻力P7）管段位压，即附加压头按（2-1-1）式8）管段实际压力损失其它管段计算方法同，结果列于燃气管道水力计算表。2-13 如图2-7所示建筑，每层都需供应燃气。试分析燃气管道的最不利环路及水力计算的关键问题。图2-7答：最不利环路是从小区燃气干管引入至最底层（-54.000m）用户的向下环路。水力计算关键要保证最不利环路的供气能力和上部楼层的用气安全，确保燃气有充分的压力克服最不利环路的阻力和燃气用具出口压力需要，同时保证最上层环路由于对加压头积累，燃气压力不超过设备承压以致泄漏，由于楼层较多，附加压头作用明显，为保证高峰负荷时各层的用气，水力计算应适当考虑环路的阻力平衡问题。2-14 某大型电站地下主厂房发电机层（如图）需在拱顶内设置两根相同的矩形送风管进行均匀送风，送风温度20。试设计这两根风管。设计条件：总送风量60104m3/h，每根风管风口15个，风口风速8m/s，风口间距16.5m。图2-8解：1. 总风量为：60104m3/h则每个风口风量 m3/h侧孔面积m2侧孔静压流速（流量系数取0.6）侧孔处静压Pa2按的原则，求出第一侧孔前管道断面积与假定断面1处管内空气流速7m/s则 arctg1.9=62 出流角=62（断面1处动压Pa）断面1处全压Pa断面1处断面积m2设计矩形风管成50002400的规格，实际F1=12m2，实际V1=6.9m/s，Pd1=28.6Pa，Pq1=106.1+28.6=134.7，m。3计算侧孔1-2阻力，确定2-3管道规格，风量28103m3/h，近似取Dv1=3240mm作为1-2的平均流速当量直径。查表Rm=0.12Pa/m，Py=0.1222.5=2.7Pa，局部阻力（忽略变径管阻力），侧孔出流=0.083，（，12，。断面2处全压Pq2=134.7-5.1=129.6Pa 断面2处动压Pd2=129.6-106.1=23.5Pa实际m/s，m2与F1=11.9m2相差不大，可近似取F2与F1相同管道规格，即2-3仍取50002400mm。4计算2-3阻力，确定3-4规格，风量26104m3/h，Dv=3240mm，m/s，查表Rm=0.05Pa/m，Py=16.50.05=0.83Pa。局部阻力：侧孔出流，=0.08，考虑管道变径=0.1。PaPaPam/s m2与F1相差不大，证明F3处不用变径 Pa PaPa V3=6.01m/s m2仍取管段3-4规格为50002400mm。5计算3-4阻力，确定4-5管道规格，风管24104m3/h，Dv=3240mm，m/s，查表Rm=0.04Pa/m，Py=0.0416.5=0.66Pa。局部阻力：侧孔出流，=0.02，假定有变径管=0.1。 =0.12 PaPaPa m/s m2与F3相差不大，不需要变径Pa PaPa m/s m2，仍取4-5管道规格为50002400mm。6计算4-5阻力，确定5-6管道规格，风量22104m3/h，Dv=3240mm m/s，查表Rm=0.02Pa/m，Py=16.50.02=0.33Pa以上述计算可以求出，由于送风管内初始动压取得较低，虽然阻力不大，但风管后部动压太低，甚至接近零。造成风管内流速过低，风管断面过大，浪费材料和安装空间。为此提高初始动压，为保证送风出流闸要求，可以在送风口处安装导流叶片，用以调整送风气流方向，取V0=15m/s。重新计算D 管段0-1风量L30104m3/h ，Vd=15m/s，F=5.556m2，设成正方形管，边长a=2357mm，取2350mm，Pd=136.6Pa。1管段1-2风量L=28104m3/h，Vd取15m/s，F=5.185m2，a=2277mm，取a=2270mm，V实=15.09m/s，查得Rm=0.7Pa/m，=0.083，Py=22.50.7=15.75Pa，Pj=11.34Pa，Pd,2=136.6-15.75-11.34=109.5Pa2管段2-3L=26104m3/h，Vd=13.51m/s，F=5.517m2，a=2349mm，取a=2270(与前程不变径)，V实=14.02m/s，查Rm=0.6Pa/m，=0.079，Py=16.50.6=9.9Pa，Pj=9.32Pa，Pd3=117.9-9.9-9.3=98.7Pa3管道3-4L=24104 Vd=12.3m/s F=5.43m2 a=2331mm 取a=2270(与2-3段同) V实=12.94m/s Rm=0.5Pa/m =0.073 Pd,4=98.7-0.516.5-0.0730.612.942=83.1Pa4管段4-5L=22104 Vd=11.16m/s F=5.477m2 a=2340mm 取a=2270(与3-4段同) V实=11.86m/s Pd4=84.4Pa Rm=0.5 =0.067 Pd5=83.1-0.516.5-0.0670.611.862=69.2Pa5管段5-6L=20104 Vd=10.76m/s F=5.17m2 a=2274mm 取a=2270(与4-5段同) V实=10.78 Pd5=69.7Pa Rm=0.38Pa/m =0.059Pd6=69.7-0.3816.5-0.0590.610.782=59.3Pa6管段6-7L=18104 Vd=9.94m/s F=5.03m2 a=2243mm 取a=2240 V实=9.96m/s Pd6=59.6Pa Rm=0.32Pa/m =0.05 Pd7=59.3-16.50.32-0.050.69.962=51.0Pa77-8管段L=16104 Vd=9.2m/s F=4.82m2 a=2196mm 取a=2200 V实=9.18m/s Pd7=50.6Pa Rm=0.29Pa/m =0.047 P=16.50.29+0.0470.69.182=7.14 Pd8=50.6-7.14=43.5Pa88-9管段L=14104 Vd=8.51m/s F=4.57m2 a=2138mm 取a=2140 V实=8.49m/s Pd8=43.3Pa Rm=0.2Pa/m =0.043 Pd9=43.5-0.216.5-0.0430.68.492=38.4Pa99-10管段L=12104 Vd=8.00m/s F=4.169m2 a=2042mm 取a=2040 V实=8.01m/s Pd9=38.5Pa Rm=0.25Pa/m =0.037 Pd10=38.5-0.2516.5-0.0370.68.012=32.9Pa1010-11管段L=10104m3/h Vd=7.41m/s F=3.749m2 a=1936mm 取a=1940mmV实=7.38m/s Pd10=32.7Pa Rm=0.21Pa/m =0.03 Pd11=32.7-16.50.21-0.030.67.382=28.3Pa1111-12管段L=8104 Vd=6.86m/s F=3.238m2 a=1799.5mm 取a=1800mm Pd11=28.3Pa Rm=0.2Pa/m =0.02 Pd12=28.3-16.50.2-0.020.66.862=24.4Pa1212-13管段L=6104 Vd=6.38m/s F=2.618m2 a=1616mm 取a=1600mm V实=6.51m/sPd12=25.4Pa Rm=0.22Pa/m =0.015 Pd13=25.4-16.50.22-0.0150.66.512=21.4Pa1313-14管段L=4104 Vd=5.97m/s F=1.861m2 a=1364mm 取a=1360mm V实=6.01m/sPd13=21.7Pa Rm=0.23Pa/m =0.017 Pd14=21.7-0.2316.5-0.0170.66.012=17.5Pa1414-15管段L=2104 Vd=5.41m/s F=1.027m2 a=1013mm 取a=1000mm V实=5.56m/sPd14=18.5Pa Rm=0.28Pa/m =0.07 Pd14=18.5-0.2816.5-0.070.65.56