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过程装备与控制工程-工程流体力学ppt

  • 素材大小:1.06
  • 素材授权:免费下载
  • 更新时间:2016-11-24
  • 素材类别:高校大学PPT
  • 素材格式:.ppt
  • 关键提要:工学
  • 素材版本:PowerPoint2003及以上版本(.ppt)
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这是一个关于过程装备与控制工程-工程流体力学ppt,主要介绍长管水力计算、短管水力计算、孔口管嘴出流。欢迎点击下载哦。

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过程装备与控制工程-工程流体力学ppt

PPT内容

第五章  压力管路的水力计算
主要内容
引    言
压力管路:在一定压差下,液流充满全管的流动管路。
压力管路按照管路结构可以分为:
简单管路:等径无分支管路
复杂管路:串联、并联、分支及管网等
压力管路按照能量比例大小分为:长管和短管
长管:长输管线输送距离比较远,两端压差比较大,局部阻力和流速水头所占能量比例较小。和沿程水头损失相比,流速水头和局部水头损失可以忽略的管路称为长管。有时近似取                                         。
能量方程变为(无泵):
记H0为作用水头:
则有:                 。表示了能量供给与能量损耗之间的平衡。
对于有泵情况:
短管:泵站、库内管线总距离比较短,分支较多,两端压差较小,并且有大量管子连接部件。和沿程水头损失相比,流速水头和局部水头损失不可以忽略,称之为短管。
又可表示为:
 i长管、短管的划分并不仅仅是由于管线的长短,更重要在于从能量的角度考察比动能和局部水头损失的比例。
§5.1  管路特性曲线
定义:水头损失与流量的关系曲线称为管路的特性曲线。
其中:
 把                         代入上式得:
可见:水头损失与流量成平方指数关系。
管路特性曲线是管路能量平衡(能量供给=能量消耗)的直观反映。
对于给定管路,其特性曲线一定。
如:对于长管无泵和有泵两种情况,管路特性曲线如下图:
管路特性曲线对于确定泵的工况以及自由泄流工况有重要应用价值。
§5.2  长管的水力计算
一、简单长管
定义:由许多管径相同的管子组成的长输管路,且沿程损失较大、局部损失较小,计算时可忽略局部损失和流速水头。
计算公式:简单长管计算一般涉及公式:
为计算方便,将                        代入hf 的计算公式                              ,得到一种更常用的公式:                              。
层流流态:
即:β= 4.15,m=1
紊流流态——水力光滑区:
即:β= 0.0246,m=0.25
说明:
紊流流态——混合摩擦区(大庆设计院推荐公式):
其中:      
       即:β= 0.0802A,m=0.123
紊流流态——水力粗糙区:
即:β= 0.0826λ,m=0
长输水管道沿程阻力的计算公式为:
对于不同的流态,β 和 m 的取值见下表:
3、简单长管的三类计算问题
第一类问题:
 已知:Q ,Δz ,d,L,μ,γ,求:hf ,Δp
 分析:
第二类问题:
 已知: Δp ,Δz ,d,L,μ,γ,求:Q
 分析:
假设流态法:
先假设一流态,取β, m值,计算:
验证假设:
如由 Q ′及Re ′得出的流态和假设流态一致,则 Q ′为所求Q;
如由 Q ′及Re ′得出的流态和假设流态不一致,则重新假设流态,重复计算。
试算法:
 设定Q1,解得hf1。判断:若hf1 >hf,则减小流量,取Q2 <Q1,重新计算;若hf1<hf,则增大流量,取Q2 >Q1,重新计算。循环往复,直至hfn≈hf,停止计算。
第三类问题:
 已知: Q,Δp,Δz,L,μ,γ,求: 经济管径d
 经济管径计算:其一,d↑,材料费↑,施工费↑;其二,d↓,动力费用↑,设备(泵)费↑。如何解决这一矛盾,正是一个管径优选问题。
 分析:
二、长管的串联和并联
1、串联管路
定义:由不同管径的管道依次连接而成的管路。
应用实例:输水干线、集油干线
水力特性:
a、各联结点(节点)处流量出入平衡,即进入节点的总流量等于流出节点的总流量:                 (设流量流进节点为正,流出为负)。它反映了质量守恒的连续性原理。
b、全线水头损失为各分段水头损失之和,即:
它反映了能量守恒原理。
2、并联管路
定义:两条以上的管路在同一处 分离,后又在同一处汇合。
水力特征:
a、进入各并联管的总流量等于流出各并联管的总流量之和,即:
b、不同并联管段A→B,单位重量液体的能量损失相同,即:
3、串、并联管路的水力计算
① 串联管路——通常属于长管计算的第一类问题,例如:
已知:Q,求:hf
分析:根据串联管路水力特性求解全管路的沿程水头损失hf。
② 并联管路——通常属于长管计算第二类问题,例如:
已知:hf,求:各管路Q
分析:根据并联管路水力特性解决流量Q的分配问题。
4、串、并联管路的水力意义——在长输管线上的应用
在已建成的长输管线上,增设串联变径管或者并联副管可以增加管路输送量、延长管路输送距离,或者爬过地形的翻越高点。
通常,副管与主管的直径相同,变径管直径大于主管。
下面以自由泄流情况为例,通过绘制管路总水头线分别进行说明。
1.   给定管路流量Q,在已建成的长输管线AB段增设并联副管可以延长管路的输送距离。
并联副管后,主管AB段Q (↓) ,v (↓) ,hf (↓) , 即:hfO-B <hf。则:作用水头H仍有部分能量剩余,可供给管中水流继续前进一段距离至C点。
2.   在已建成的长输管线AB段增设并联副管可以增加管路输送量。
并联副管且增加流量后,主管OA段Q(↑),hfO-A(↑);主管AB段经过副管分流,可能Q(↓), hfA-B(↓) 。最终仍可能满足hfO-B =hf。确保管路正常运行。
3.   给定管路流量Q,在已建成的长输管线AB段改设串联变径管可以延长管路的输送距离。
串联变径管后,主管AB段d(↑),v (↓) ,hf (↓) , 即:hfO-B <hf。则:作用水头H仍有部分能量剩余,可供给管中水流继续前进一段距离至C点。
4.   在已建成的长输管线AB段改设串联变径管可以增加管路输送量。
串联变径管且增加流量后,主管OA段Q(↑),hfO-A(↑);主管AB段经过变径管, d(↑),v (↓),hfA-B(↓) 。最终仍可能满足hfO-B=hf。确保管路正常运行。
5、串、并联管路的管路特性曲线
已知单管路1、2的管路特性曲线,根据串、并联管路的水力特性有:
不计水头损失情况下,哪种管路的流量大?
只计沿程水头损失的情况下,哪种管路的流量大?
三、分支管路
水力特性:
各节点处流量平衡:
沿一条干线上总水头损失为各点水头损失之和:
§5.3  短管的水力计算
许多室内管线,集油站及压水站内管线管件较多,属于短管。
在短管的水力计算中,必须考虑局部水头损失以及流速水头。
一、综合阻力系数
 根据伯努利方程,有:
 其中管路水头损失:
 可记为:                        。ζc 称为综合阻力系数。
已知:如图所示短管,大直径管段:直径d1,长l1,小直径管段:直径d2,长l2,孔板直径d,各局部管件阻力系数如下:
大闸头:ζ1
孔板: ζ2
大小头: ζ3
⑤ ⑥弯头:ζ4、ζ5、ζ6
⑦ 小闸门: ζ7
求:全管路的总水头损失
解:
二、短管实用计算通式
由1、2断面的伯努利方程,有:
记作用水头:
则有:
得:                                                                                 为流量系数。
中心内容:
孔口、管嘴流量计算公式
分析依据:
连续性方程
伯努利方程
基本概念
自流管路:完全靠自然位差获得能量来源输送或排泄液体的管路。
孔口:储液罐壁或底部打开的小孔。
管嘴:在孔口处接出短管。
一、孔口泄流
界定条件:
定水头——固定作用水头H,稳定流(定常流)
薄壁——孔口为锐缘,液体与孔口周围只有线接触
圆形小孔口——孔口直径                 (自由)或                    (淹没)
分类:
自由出流——流体流经孔口直接泄入大气
淹没出流——流体流经孔口进入另一充满流体的空间
1、孔口自由出流
泄流特点:
孔口出流速度认为均匀分布
由于流线具有不能折转的特性,形成收缩断面c-c,收缩断面距出口约为d/2。记:                                 为断面收缩系数。
引入收缩断面的意义:收缩断面满足缓变流断面特性,可以应用伯努利方程。
流量计算公式:
取0-0 、 c-c 断面列伯努利方程,以表压计算,则有:
作用水头:
为流速系数
因此,孔口泄流计算公式如下:
其中:                为流量系数
i   通常对于液池,有:
i   若左端液池敞口于大气中,则:
  若液池封闭,则:
i                              为理论流速,孔口泄流的实际流量为:
                                               。其中,流量系数:
i实验证明:
i对于理想流体:
2、孔口淹没出流
流量计算公式:
取1-1 、2-2 断面列伯努利方程,以表压计算,则有:
i 通常对于液池,有:
i  若左端液池敞口于大气中,则:
  若液池封闭,则:
i 流动阻力包括孔口断面收缩以及收缩后再扩大两部分局部阻力:
因此,对于敞口淹没孔口出流,有:
实验证明:各系数取值与自由出流相同。
二、管嘴泄流
标准圆柱型管嘴:自孔口接出一短管,直径与孔口直径d相等,长度 l=(3~4)d。
泄流特点:
流体在管嘴内部先收缩,再扩张充满全管,最后封住管口均匀泄出。与孔口出流的流态不同。
管嘴出流过程中,应考虑流体收缩后再扩大的局部水头损失以及l长度管嘴的沿程水头损失。
管嘴的分类:
圆柱型管嘴(内伸、外伸)
圆锥型管嘴(收缩、扩张)
流线型管嘴
1、管嘴自由出流
流量计算公式:
取0-0 、1-1 断面列伯努利方程,以表压计算,则有:
i 流动阻力包括孔口断面收缩、收缩后再扩大两部分局部水头损失以及沿程水头损失。记为:
则:
2、管嘴淹没出流
流量计算公式:
三、孔口、管嘴的流量比较
对于孔口、管嘴出流,相同作用水头H0、相同孔口直径d条件下,流量计算公式为:
对于孔口:
对于管嘴:
因此:
在孔口处接上管嘴后,流体发生内部收缩。在收缩断面c-c处, 液流带走一部分气体形成真空(负压),产生抽吸作用。真空抽吸高度可达                        。相当于在 0-c 断面之间增加了一个0.75H的作用水头,导致管嘴出流量增加。
证明:
取0-c 列伯努利方程,取绝对压力计算:
由于:                              ,可得:
说明:
管嘴的正常工作条件:
为避免水体汽化(导致管路空化空蚀),要求管内最大真空度不超过7mH2o。即:
管嘴长度满足: l=(3~4)d
管嘴过短,液流收缩后不能充分扩张,形不成满管管嘴出流;另,真空点不宜距管嘴出口过近。
管嘴过长,增加沿程水头损失,达不到管嘴增加出流量的目的。
水从封闭水箱上部直径d1=30mm的孔口流至下部,然后经d2=20mm的圆柱形管嘴排向大气。流动恒定后,水深h1=2m,h2=3m,水箱上压力计读数为4.9MPa。设为稳定流,孔口、管嘴流量系数:                                     。
求流量Q和压强p2。
解:对于稳定流动,应满足流量守恒:Q =Q1(孔口)=Q2(管嘴)

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