第2章 气体输配管网 水力特征与水力计算

2.1 气体管流水力特征 2.1气体管流水力特征 2.1.1气体重力管流水力特征 竖管内的重力流 例1：如右图示 管内气体由1流向2断面，能量方程为： 其中：Pj1=0， Pj2=0， v1=0，上式变为：

*结论： 流动损失的压力来源于进出口之间的位压。 位压动力大小取决于管道进出口高差和内外气体密度差 当密度小于室外空气密度，流动向上；当密度大于室外空气密度，流动向下。

U形管内的重力流 例2：如右图示，假设管内气体由1流向2断面，断面1和D间能量方程为： 断面D 和2之间的能量方程为： 以上两式相加得：

*结论： U型管道内的气体流动动力取决于两竖直管段内的气体密度差（ρ1－ ρ2）和管道高度（H2—H1）之积。 密度相对较大的竖管内气体下流，相对较小的竖管内气体上流。

闭式环型管内的重力流 例3：如把例2图变为右图，形成封闭循环管道，其能量方程为：

*结论： 无机械动力的闭式管道中，流动动力取决于两竖直管段内的气体密度差（ρ1－ ρ2）和管道高度（H2—H1）之积。 密度相对较大的竖管内气体下流，相对较小的竖管内气体上流。

*结论： 无机械动力的闭式管道中，流动动力取决于两竖直管段内的气体密度差（ρ1－ ρ2）和管道高度（H2—H1）之积。 密度相对较大的竖管内气体下流，相对较小的竖管内气体上流。

2.1.2气体压力管流水力特征 当管道内部、管道内外不存在密度差，或是水平管网，则有： g（ρa-ρ）（H2-H1）= 0 即位压为零，则式： 变为： 即：

结论1： 位压为0的管道中，两断面之间的流动阻力等于两断面间的全压差。 对公式： 变为：

*结论： 当管段中没有外界动力输入时，下游断面的全压总是低于上游断面的全压； 当 下游断面的静压低于上游断 面的静压； 当 两断面的静压相等 当 下游断面的静压低于上游断 面的静压； 当 两断面的静压相等 当 下游断面的静压大于上游断面的静压

2.1.3压力和重力综合作用下的气体管流水力特征 由 得： 压力作用 重力作用 1 2 H2 H1

若压力驱动的流动方向与位压一致，则二者淙合作用加强管内气体流动， 结论： 第一项两断面之间的全压差反映压力作用；第2项位压反映重力的作用；二者综合作用，克服流动阻力ΔP1~2，维持管内流动。二者的综合作用并非总是相互加强的。 若压力驱动的流动方向与位压一致，则二者淙合作用加强管内气体流动， 若驱动方向相反，则由绝对值大者决定管流方向；绝对值小者实际上成为另加流动阻力。

2.2流体输配管网水力计算的 基本原理和方法 流体输配管网水力计算的目的： 根据要求的流量分配确定管网的管径或阻力；求得管网特性曲线，为匹配管网动力设备准备条件，进而确定动力设备 或者根据已定的动力设备，确定管道尺寸。

*流体输配管网水力计算的理论依据： 流体力学一元流体流动连续性方程和能量方程及串、并联管路流动规律。动力设备提供的压力等于管网总阻力，串联管路总阻力等于各段管路阻力之和。 管段中的流动阻力包括沿程阻力和局部阻力。

2.1.1摩擦阻力的计算 （2-2-1） 其中：λ为摩阻系数， l为管长，d为管径或流速当量直径（4Rs，Rs=f/x），Rm为单位长度摩擦阻力。 对高中压燃气管网（P＞10KPa）由动量方程、气体状态方程和连续方程得：

对低压燃气管网（P≤10KPa）式2-2-1可简化为： λ摩阻系数的确定： 1、层流区Re＜2000 2、临界区Re=2000-4000 3、紊流区Re＞4000

谢维列夫公式 1、新管公式 新钢管公式 新铸铁管公式 综合公式 2、旧管公式 旧钢管公式 旧铸铁管公式

*1、假定流速法(按照技术经济比较确定推荐的风道流速（经济流速） ，然后根据风道内的风量来确定风道断面尺寸和阻力损失) 2.2.2局部阻力计算 <流体输配管网> 2.2.3常用的水力计算方法 *1、假定流速法(按照技术经济比较确定推荐的风道流速（经济流速） ，然后根据风道内的风量来确定风道断面尺寸和阻力损失) *2、压损平均法(风管系统的风机压头已知或对分支管进行阻力平衡) *3、静压复得法(特别适合于多条主风道，而每条主风道又有很多分支道，出风口或末端装置均有相同的静压)

水力计算步骤（假定流速法） 计算前，完成管网布置，确定流量分配 绘草图，编号 确定流速 确定管径 计算各管段阻力 平衡并联管路 计算总阻力，计算管网特性曲线 根据管网特性曲线，选择动力设备

水力计算步骤（平均压损法） 计算前，完成管网布置，确定流量分配 绘系统图，编号，标管段L和Q，定最不利环路。 根据资用动力，计算其平均Rm。 根据Rm和各管段Q，确定其各管段管径。 确定各并联支路的资用动力，计算其Rm 。 根据各并联支路Rm和各管段Q，确定其管径。

水力计算步骤（静压复得法） 计算前，完成管网布置 确定管道上各孔口的出流速度。 计算各孔口处的管内静压Pj和流量。 顺流向定第一孔口处管内流速、全压和管道尺寸。 计算第一孔口到第二孔口的阻力P1·2。 计算第二孔口处的动压 Pd2。 计算第二孔口处的管内流速，确定该处的管道尺寸。 以此类推，直到确定最后一个孔口处的管道断面尺寸。

（3）根据确定流速确定风管管径，计算阻力（包括摩擦阻力(沿程阻力)和局部阻力） 2.3气体输配管网的水力计算 2.3.1开式枝状气体输配管网的水力计算 首先完成管道布置、设备和各排送风点位置的确定； 排送风点风量和各管段风量的确定 计算步骤见2.2.3 2.3.1.1管道流速和管道断面尺寸的确定 （1）绘制系统图 （2）确定管内流速 一般采用经济流速，表2－3－1～3 （3）根据确定流速确定风管管径，计算阻力（包括摩擦阻力(沿程阻力)和局部阻力）

Rm值的计算和查取（标准状态下）： 2.3.1.2摩擦阻力计算 选最不利环路计算阻力 λ值的确定 Rm值的计算和修正 制成图表，已知流量、管径、流速、阻力四个参数中两个，可查得其余两个，是在一定条件下锝出 Rm值的计算和查取（标准状态下）：

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Rm值的修正： （1）密度、运动粘度的修正 （2）温度、大气压和热交换修正 式中

（3）管壁粗糙度的修正

例2-1 有一表面光滑的砖砌风道（K＝3mm），断面500×400mm，L＝1m3/s，求Rm <流体输配管网> 矩形风管的摩擦阻力计算 主要考虑当量直径的确定，有流速当量直径和流量当量直径 （1）流速当量直径 例2-1 有一表面光滑的砖砌风道（K＝3mm），断面500×400mm，L＝1m3/s，求Rm

（2）流量当量直径 解：v＝1÷(0.4 × 0.5)=5 m/s Dv=2ab/(a+b)=444mm 查图2-3-1 得Rm0＝0.62Pa/m Kr=(3 ×5)0.25=1.96 Rm=1.96 ×0.62=1.22 Pa/m （2）流量当量直径

例2 同例1 解：v＝1÷(0.4 × 0.5)=5 m/s DL=1.3(ab)0.625/(a+b)0.25=478mm 查图2-3-1 得Rm0＝0.61Pa/m Kr=(3 ×5)0.25=1.96 Rm=1.96 ×0.61=1.2Pa/m

2.3.1.3局部阻力计算 ζ 通过查手册获得 2.3.1.4并联管路的阻力平衡 （1）目的：管路风量达到预期值，力求各支路阻力相等，各管路阻力差小于15%，含尘风管小于10% （2）平衡的方法： 调整管径 阀门调节：

（1）系统总阻力：最不利环路所有串联管路阻力之和。 （2）管网特性曲线： 2.3.1.5 计算系统总阻力和获得管网特性曲线 （1）系统总阻力：最不利环路所有串联管路阻力之和。 （2）管网特性曲线： A） B） 或 其中：

2.3.6计算例题 例2-3 如图所示通风管网。风管用钢板制作，输送含有轻矿物粉尘的空气，气体温度为常温。除尘器阻力为1200Pa，对该管网进行水力计算，并获得管网特性曲线。 返回

[解]： 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．选定最不利环路，本系统选择1-3-5-除尘器-6-风机-7为最不利环路。 3．根据各管段的风量及选定的流速，确定最不利环路上各管段的断面尺寸和单位长度摩擦阻力。 根据表2-3-3，输送含有轻矿物粉尘的空气时，风管内最小风速为：垂直风管12m/s，水平风管14m/s。 考虑到除尘器及风管漏风，取 5％的漏风系数，管段 6及 7的计算风量为 6300*1.05＝ 6615m3／h。

管段1 水平风管，初定流速为14m/s。根据 Ql＝ 1500m3/h（0.42m3/s）、v1= 14m/s所选管径按通风管道统一规格调整为：D1＝200mm；实际流速v1＝13.4m/s；由图2-3-1查得，Rm1=12.5Pa/m 同理可查得管段3、5、6、7的管径及比摩阻，具体结果见表2-3-5。 4.确定管段2、4的管径及单位长度摩擦力，见表2-3-5。 5.计算各管段局部阻力 例如：

800 380 500

420 800 400 420 420 410*315

6.计算各管段的沿程阻力和局部阻力(见表2-3-5) 7.对并联管路进行阻力平衡： 图 返回 继续

最不利环路所有串联管路1-3-5-6-7阻力之和。 <流体输配管网> 8.计算系统总阻力，获得管网特性曲线 最不利环路所有串联管路1-3-5-6-7阻力之和。 返回 继续

返回1 返回2

2.3.7均匀送风管道设计 一、设计原理 静压产生的流速为： 空气在风管内的流速为： 空气从孔口出流时的流速为： 如图所示：出流角为α： 继续

孔口出流风量： 由上式得f0上的平均流速v0为： 返回 继续

风口的流速分布如图：（矩形送风管断面不变） *要实现均匀送风可采取的措施（如图） 1、设阻体； 2、改变断面积； 3、改变送风口断面积； 4、增大F，减小f0。 返回 继续

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二、实现均匀送风的基本条件： 保持各侧孔静压、流量系数相等, 增大出流角。 1、保持各侧孔静压Pj相等；

2、保持各侧孔流量系数μ相等； μ与孔口形状、流角α以及L0/L= 有关，当α大于600， μ一般等于0.6

3、增大出流角α，大于600，接近900。

1、直流三通局部阻力系数：由L0/L查表2-3-6； 2、侧孔流量系数μ=0.6~0.65； 四、均匀送风管道计算方法 三、直流三通局部阻力系数和侧孔流量系数 1、直流三通局部阻力系数：由L0/L查表2-3-6； 2、侧孔流量系数μ=0.6~0.65； 四、均匀送风管道计算方法 确定侧孔个数、侧孔间距、每个孔的风量 计算侧孔面积 计算送风管道直径和阻力 返回 继续

五、计算例题 如图所示：总风量为8000m3/h的圆形均匀送风管道采用8个等面积的侧孔均匀送风，孔间距为1.5M，确定其孔口面积、风管各断面直径及总阻力。 解：1、确定孔口平均流速v0， 返回 继续

注意：把每一段起始断面的动压作为该管段的平均动压，并假设μ、λ为常数，将产生一定误差，但在工程实际是允许的。

2.3.1.8 中、低压燃气管网水力计算 低压管道摩擦阻力计算公式 对低压燃气管网（P≤10KPa）由式2-2-1’’’可得： （2-3-24） λ摩阻系数的确定： 1、层流区Re＜2100 2、临界区Re=2100~3500

3、紊流区Re＞3500，并与管材有关 1) 钢管 2) 铸铁管 水力计算图表 编制条件： 分天然气、人工煤气、液化石油气 密度、运动年度、温度为常数

中、高压管道摩擦阻力计算公式 中、高压管道水力计算图表 对中压燃气管网（P≥10KPa）由式2-2-1’’ 可得： （2-3-30） λ摩阻系数的确定： 1) 钢管 2) 铸铁管 中、高压管道水力计算图表

室内燃气管道计算 在室内燃气管运计算之前，一必须先选定和布置用户燃气用具，并画出管道系统图。 计算步骤： 1．将各管段按顺序编号，凡是管径变化或流量变化处均应编号。 2．求出各管段的额定流量，根据各管段供气的用具数得同时工作系数值，可求得各管段的计算流量． 3．由系统图求得各管段的长度，并根据计算流量预定各管段的管径。 4．算出各管段的局部阻力系数，求出其当量长度，可得管段的计算长度。 5. 用水力计算图查得各管段比摩阻，计算阻力，并修正

6.计算各管段的附加压头（重力压头） 7．求各管段的实际压力损失 10．求室内燃气管道的总压力降，对于人工燃气计算压力降一般不超过80～100Pa（不包括燃气表的压力降）。 9．以总压力降与允许的计算压力降相比较，如不合适。则何改变个别管段的管径。 【例 2－5】试作五层住宅楼的室内燃气管道的水力计算，每家用户装双眼灶一台，额定用气量为l.4Nm3／h，燃气密度为0.46kg／Nm3，运动粘度为 25 x 10－6m2／s．

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低压管网计算压力降 低压管网总计算压力降ΔP=0.75Pn+150Pa 人工燃气Pn=1000Pa 天然气Pn=2000Pa 干管：0.5Pn，庭院管： 0.15Pn 室内管 燃气种类 单层建筑 多层建筑 人工煤气 150Pa 250Pa 天然气 350Pa 液化石油气 450Pa 继续 返回

习题作业一： 有一炬形断面的均匀送风管，总长L＝12m，总进风量L0=9600m3/h。均匀送风管上设有4个侧孔，侧孔间的间距为3。确定该均匀送风管的断面尺寸、阻力及侧孔的尺寸。