燃气管网计算理论分析与应用的研究--《天津大学》2004年博士论文
燃气管网计算理论分析与应用的研究
【摘要】：本文研究目的是解决目前燃气管网水力计算中存在的诸如输入数据繁琐、计
算精度不高、缺乏符合实际燃气管网工况的稳定流及不稳定流管网水力计算方法
等问题,试图根据热力学基本理论建立燃气在管道中传热过程数学模型,给出较
为精确的长输管线及城市高压管网储气量的计算方法,并将研究成果应用于实际
管网运行中。其主要研究内容与成果可归纳如下:
1. 对燃气管网拓扑结构的关联矩阵 A 和环路矩阵 B 的计算机形成方法进行
了详细分析,提出了关联矩阵 A 和环路矩阵 B 的最优组合方法,从而有效地解决
管网计算初始数据输入繁琐、容易出错等问题。
2. 对多种实际气体物性参数状态方程的计算方法进行了研究,运用这些方
程计算了某些典型物质的热力学性质,并与实验数据进行比较,得出 SHBWR 方程
在计算天然气等烃类物质物性时具有很高精度,可满足计算高压天然气热力状态
的结论。并首次用于北京外环管网计算中,结果表明采用本文的方法使管道压降
特征值的计算精度提高约 10%。
3. 用图论与数学分析的方法,建立了稳定流燃气管网水力计算的数学模型,
提出了用插值法解决燃气管网计算中不收敛问题。增加了开环能量方程从而避免
了定压多气源管网存在虚平衡现象。在管网计算时考虑压缩机运行的压力流量特
性曲线,并已将此方法用于了现北京煤气管网实际调度中。
4. 根据热力学原理研究了输气管线因压降存在产生的焦耳-汤姆逊效应造
成的天然气温度变化,提出了焦耳-汤姆逊系数的近似计算方法,对输气管路天然
气与土壤的换热问题进行了全面的分析,并推导出了相关计算模型。
5. 建立了天然气不稳定流动的数学模型,并利用傅立叶积分变换和有限差
分法对数学模型求解。找出了储气量与供气负荷函数吻合的动态不稳定流计算模
型,并分别用解析法和数值法进行了求解。
【关键词】：
【学位授予单位】：天津大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2004【分类号】：TU996【目录】：
第一章 绪论8-20
1.1 课题研究的背景8-11
1.2 燃气管网计算的研究现状与发展趋势11-14
1.2.1 国外的研究动态、水平11-12
1.2.2 国内的研究动态、水平12-14
1.3 燃气管网计算研究存在的问题14-18
1.3.1 管网计算初始数据确定方面存在的问题14-16
1.3.2 在管网稳定流方面存在的问题16-17
1.3.3 在管网不稳定流方面存在的问题17
1.3.4 计算软件商业化问题17-18
1.4 本文的主要研究内容18-20
1.4.1 简化管网拓扑结构的形成18
1.4.2 天然气管网稳定流水力分析18-19
1.4.3 天然气在输气管道中传热过程分析19
1.4.4 天然气管网不稳定流水力分析19
1.4.5 输气管线末端和城市高压外环管线储气能力的研究19-20
第二章 燃气管网计算的理论基础20-44
2.1 燃气管网计算图论基础20-25
2.1.1 燃气管网拓扑结构及矩阵表示20-21
2.1.2 关联矩阵 A 的形成21-23
2.1.3 环路矩阵 B 的形成23-25
2.1.4 关联矩阵 A 与环路矩阵 B 的用途25
2.2 管道内燃气流动的基本方程25-29
2.2.1 基本方程25-26
2.2.2 不稳定流方程26-27
2.2.3 稳定流方程27-29
2.3 燃气管网计算状态方程的选择29-33
2.3.1 概述29
2.3.2 对比态原理与通用压缩因子29-31
2.3.3 范德瓦尔方程31-32
2.3.4 BWR 方程32-33
2.4 SHBWR 状态方程33-42
2.4.1 改进的 BWR 状态方程33-34
2.4.2 SHBWR 状态方程密度根的求解34-36
2.4.3 状态方程的适用范围36-37
2.4.4 SHBWR 方程的应用37-42
2.5 小结42-44
第三章 稳定流燃气管网计算方法与模型44-64
3.1 燃气管网水力计算数学模型与方法44-50
3.1.1 燃气管网水力计算的数学模型44-46
3.1.2 三种计算方法46-50
3.2 三种算法的比较与评价.50-52
3.2.1 方程组矩阵的性质50
3.2.2 计算工作量50
3.2.3 对计算初值的要求50
3.2.4 收敛速度与计算精度50-51
3.2.5 原始数据准备工作量51-52
3.3 大管径低摩阻不收敛问题的研究52-57
3.3.1 不收敛的原因52-57
3.3.2 不收敛的解决方法57
3.4 定压多气源点管网水力计算57-59
3.5 压缩机供气管网水力计算59-61
3.6 工程实例分析61-63
3.6.1 燃气管网运行调度水力分析61-63
3.7 小结63-64
第四章 天然气输气管道热力计算64-79
4.1 天然气降压过程的焦耳-汤姆逊效应64-70
4.1.1 概述64-68
4.1.2 防止水化物或冰堵产生的方法68
4.1.3 天然气的深度脱水方法68-69
4.1.4 减压管路系统加热69-70
4.2 输气管段的热力计算70-72
4.3 天然气管线总传热系数的研究72-75
4.3.1 天然气到管道的换热系数72-73
4.3.2 管道对土壤的换热系数73
4.3.3 管壁、涂层和绝缘层的导热热阻73-75
4.4 摩阻系数的确定75-77
4.4.1 威莫斯(Weymouth)公式76
4.4.2 潘汉德尔(Panhandle)公式76
4.4.3 前苏联天然气研究所近期公式76
4.4.4 柯列勃洛克(C.F.Colebrook)公式76-77
4.4.5 各种摩阻计算方法的比较77
4.5 小结77-79
第五章 不稳定流动的解析解79-101
5.1 引言79-80
5.2 沿途有分气点的数学模型80-83
5.2.1 连续性方程的修正80-81
5.2.2 动量方程的修正81-82
5.2.3 数学模型的简化82-83
5.3 数学模型的求解83-92
5.3.1 枝状管网83-91
5.3.2 环状管网91-92
5.4 解析解的实际应用92-93
5.5 数值解的实际应用93-100
5.5.1 差分格式及差分方程的建立93-95
5.5.2 差分方程的求解95-100
5.6 小结100-101
第六章 输气管线末端和城市管线储气能力的研究101-109
6.1 末端用户的用气规律101-102
6.2 输气管和城市高压外环管线储气的特点与数学模型102-106
6.2.1 稳定流动储气量的计算102-104
6.2.2 不稳定流动的储气量计算104-106
6.3 实际工程案例分析.106-108
6.3.1 实例106-108
6.4 结论108-109
第七章 结论与建议109-112
7.1 结论109-110
7.2 论文创新之处110-111
7.3 对今后研究工作的建议111-112
参考文献112-118
发表论文及参加科研情况118-119
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京公网安备75号&>&&>&流体输配管网第三版课后答案
流体输配管网第三版课后答案 投稿：冯鯷鯸
第 1 章 流体输配管网的类型与装置 1-1 认真观察1~3个不同类型的流体输配管网，绘制出管网系统轴测图。结合第一章学习的知识，回答以下问题：（1）该管网的作用是什么？（2）该管网中流动的流体是液体还是气体？还是水蒸气？是单一的一种流体还是两种流体…
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流体输配管网的类型与装置
1-1 认真观察1~3个不同类型的流体输配管网，绘制出管网系统轴测图。结合第一章学习的知识，回答以下问题：
（1）该管网的作用是什么？
（2）该管网中流动的流体是液体还是气体？还是水蒸气？是单一的一种流体还是两种流体共同流动？或者是在某些地方是单一流体，而其他地方有两种流体共同流动的情况？如果有两种流体，请说明管网不同位置的流体种类、哪种流体是主要的。
（3）该管网中工作的流体是在管网中周而复始地循环工作，还是从某个（某些）地方进入该管网，又从其他地方流出管网？
（4）该管网中的流体与大气相通吗？在什么位置相通？
（5）该管网中的哪些位置设有阀门？它们各起什么作用？
（6）该管网中设有风机（或水泵）吗？有几台？它们的作用是什么？如果有多台，请分析它们之间是一种什么样的工作关系（并联还是串联）？为什么要让它们按照这种关系共同工作？
（7）该管网与你所了解的其他管网（或其他同学绘制的管网）之间有哪些共同点？哪些不同点？ 答：选取教材中3个系统图分析如下表：
问（2） 图1-1-2 输配空气 气体
问（3） 从一个地方流入管
网，其他地方流出管图废水排放 体为主 其他地方流出管网 图1-2-14（a） 输配生活给水 液体
问（4） 入口1及出口5与大末端水 顶端通气帽与大气相
无阀门 问（5） 通常在风机进出口立管底部、水泵进出口
附近及各送风最低处设有阀
设置阀门，用便于调节各管段流量
总送风和检修时关断或排出管网
内存水 问（6） 11台水泵，为管网内生活给无风机、无水泵
力 水提供动力
问（7） 比，流与消防给水管网相比，流与气力输送系统相比，
体为气体，但体介质均为液体，但生活都是多相流管网，但流
管网中设施不同。 给水管网中末端为水龙体介质的种类及性质
不同。 头，消防给水管网末端为
说明：本题仅供参考，同学可根据实际观察的管网进行阐述。
1-2 绘制自己居住建筑的给排水管网系统图。
答：参考给水排水系统图如下：
答：流体输配管网的基本及自作用如下表：
组成 管力装置 调节装置 末端装置 附属设备
作用 为流体流动提供调节流量，开启/关直接使用流体，是流为管网正常、安全、
需要的动力 闭管段内流体的流体输配管网内流体介高效地工作提供服
动 质的服务对象 务。
试比较气相、液相、多相流这三类管网的异同点。
答：相同点：各类管网构造上一般都包括管道系统、动力系统、调节装置、末端装置以及保证管网正常工作的其它附属设备。
不同点：①各类管网的流动介质不同；
②管网具体型式、布置方式等不同；
③各类管网中动力装置、调节装置及末端装置、附属设施等有些不同。
[说明]随着课程的进一步深入，还可以总结其它异同点，如：
相同点：各类管网中工质的流动都遵循流动能量方程；
各类管网水力计算思路基本相同；
各类管网特性曲线都可以表示成ΔP=SQ2+Pst；
各类管网中流动阻力之和都等于动力之和，等等。
不同点：不同管网中介质的流速不同；
不同管网中水力计算的具体要求和方法可能不同；
不同管网系统用计算机分析时其基础数据输入不同，等等。
比较开式管网与闭式管网、枝状管网与环状管网的不同点。
答：开式管网：管网内流动的流体介质直接与大气相接触，开式液体管网水泵需要克服高度引起的静水压头，耗能较多。开式液体管网内因与大气直接接触，氧化腐蚀性比闭式管网严重。
闭式管网：管网内流动的流体介质不直接与大气相通，闭式液体管网水泵一般不需要考虑高度引起的静水压头，比同规模的开式管网耗能少。闭式液体管网内因与大气隔离，腐蚀性主要是结垢，氧化腐蚀比开式管网轻微。
枝状管网：管网内任意管段内流体介质的流向都是唯一确定的；管网结构比较简单，初投资比较节省；但管网某处发生故障而停运检修时，该点以后所有用户都将停运而受影响。
环状管网：管网某管段内流体介质的流向不确定，可能根据实际工况发生改变；管网结构比较复杂，初投资较节枝状管网大；但当管网某处发生故障停运检修时，该点以后用户可通过令一方向供应流体，因而事故影响范围小，管网可靠性比枝状管网高。
按以下方面对建筑环境与设备工程领域的流体输配管网进行分类。对每种类型的管网，给出一个在工程中应用的实例。
（１）管内流动的介质；
（２）动力的性质；
（３）管内流体与管外环境的关系；
（４）管道中流体流动方向的确定性； （５）上下级管网之间的水力相关性。
答：流体输配管网分类如下表：
（1）按流体介质 类型及工程应用例子 气体输配管网：如燃气输配管网
液体输配管网：如空调冷热水输配管网
汽-液两相流管网：如蒸汽采暖管网液-气两相流管网：如建筑排气-固两相流管网：如气（2）按动力性质 重力循环管网：自然统
机械循环管网：机械（3）按管内流体与管外环境的开式管网：建筑
关系 闭式管网热水
（4）按管内流体流向的确定性 枝状风管网
城市中压燃气环状管网
（5）按上下级管网的水力：直接采用城市区域锅炉房的热水采暖管网，如图1-3-4，性 接连接管网：采用换热器加热热水的采暖管网，如图1-3-4，c,g,h.
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15~35℃（夏季~冬季）之间，室内温度可取在25~20℃（夏季~冬季）之间。取20℃空气密度为1.204kg/m,可求得各温度下空气的密度分别为： 3
=1.145 kg/m 3
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？
答：该图可视为一 U 型管为两侧竖井内空气温度都受热源影响，密度差很小，不能很好地依靠热设备的热量和污浊气体也不易排出地下室。改进的方法）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，如图 2-1-2 ；（2）在原冷物体间再另掘一通风竖井，如图）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，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？
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。
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。
答：冬季室外空气温井内空气温度，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，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）
——送风口计算送风量 ，m3/h；
——送风口孔口面积，m2；
1之适应不变；
和各送风口流量系数（2）
保持送风各送风口面积
基本不变，维持
根据管内静压
不实际应用中，要实常采用以上第（2）中种方式，即保持了各送风口的同一规格利于美观和调节），又可以节省送风管的耗材。此时实现均匀是保证各送风口面积、送风口流量系数
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
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，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，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支路阻力，很少采用调整主干路（最不利环路）阻力的方法，因管段比支路要多。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
流动能量方程： （Pq1－Pq2）+g(ρa－ρ)(H2－H1)=ΔP1-2
流动动力等于管网总阻力
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=1000m /h(0.28m /s)，选 D1=180mm，实际流速 V1=11.4m/s，查 Rm1=90Pa/m，Pd=ρV2/2=1.2×11.42/2=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
流量 长度 m3/h l(m)
管径 流速 D V
动压 局部 Pd (Pa) 阻力 系数 ξ
单位长 局部阻 度摩擦 力 P1(Pa)
摩擦 管段阻力 备
阻力 R m 阻力 Rml+P 1(Pa) 注 (Pa/m) Rm(Pa)
号 (m3/s) .28) 15
(mm) (m/s)
180 11.4 78.0 1.37 106.86
.972) .53) .604) .604) 阻 .694) 10 300 10.0 60.0 0.58 34.8 3.8 38 72.8 力 不 平 衡 阻 .556) 8 260 10.7 68.7 1.41 96.87 4.8 38.4 135.3 力 不 平 衡 除尘器 2 4 240 21.3 272.2 220 14.6 128.4
222.5 10 450 10.22 62.7 0.6 37.62 2.0 20 57.6 8 450 10.22 62.7 0.47 29.47 2.0 16 45.5 5 400 12.36 91.7 0.6 55.02 4.2 21 76.0 6 320 12.32 91.1 -0.05 -4.86 5.5 33 28.4
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ξ=1.0， 90?弯头(R/D=1.5)一个， ξ=0.17， 直流三通， 根据 F 1+F2=F3 ， α=30?，F2/F 3=（300/320） =0.88，Q2/Q3=.714，查得ξ1,3=0.20，Σ ξ1=1.0+0.17+0.20=1.37，P1=ΣξPd=106.86Pa。 （2）管段 2 圆形伞形罩，α=60?，ξ13=0.09，90?弯头（R/D=1.5）一个，ξ=0.17，60?弯头 （R/D=1.5）1 个，ξ=0.14，合流三通ξ2,3=0.18，Σξ
=0.09+0.17+0.14+0.18=0.58。
（3）管段 3 直流三通 F 3+F4≈F 5，2=30?，F4/F5=（260/400） =0.423，Q 4/Q5=.36， ξ35=-0.05，Σξ=-0.05。 （4）管段 4 设备密闭罩ξ=1.0，90?弯头（R/D=1.5）1 个，ξ=0.17，合流三通ξ45=0.24， Σξ=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 300×800mm， 变径管长度 L=500mm，
，α=21.8?，ξ=0.60，Σξ=0.60。 [说明] 定。 （6）管段 6 除尘器出口变径管 （断缩管）除尘器出口尺寸 300mm×80mm， ， 变径管长度 l=400m， 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
，α=23.6?，ξ=0.1，90?弯头（R/D=1.5）2 个，ξ=2 ×0.17=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 D 1=500mm，变径管长度 L=300mm。F5/F 6=（500/450） =1.23， ，α=4.8?，ξ=0.03，Σξ=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 410×315mm，D7=420mm，F7/F 出=πD /（410×315 ×4）=1.07，ξ=0。带扩散管的平形风帽（h/D0=0.5），ξ=0.60，Σξ=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， 1=241.9Pa， 2=72.8Pa， ΔP ΔP 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 D 2″=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 D 2=240mm，在运行对再辅以阀门调节， 削除不平衡。
(2)汇合点 B，ΔP 1+ΔP3==241.9+28.4=270.3Pa，ΔP4=135.3Pa，
为使管段 1.2 达到阻力平衡，改变管段 4 的管径变成
， D 4″=220mm， 取
，与 1,3 管段平衡。 8．计算系统的总阻力，获得管网扬程曲线。 ΣP=Σ（Rml+Pl）=241.9+28.4+76.0+45.5+57.6+Pa S=ΣP/Q2= =5633.6kg/m 管网特性曲线为ΔP=563.6Q2 Pa 2-12 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。
Lj——j 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，Nm 3/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 燃具数 N 额定流量
1~2 2~3 1 1
6~7 10~9 9~8 6 1 2
8~6 11~10 12~11 3 1 1
1 ΣLiNi(Nm /h) 同时工作系 数k 1
1.0 0.85 0.64
计算流量 1 Lj(Nm /h) 2）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 1~2 直角弯头 3 个 旋塞 1 个 ξ=2.2 ξ=4
Σξ=2.2×3+4×1=10.6 计算雷诺数 R e
计算摩擦阻力系数λ
Σξ当量长度 l 2
管段计算长度
l1~2=2.6+4.2=6.8m
5）计算单位管长摩擦阻力
6）管段阻力ΔP
7）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 60×104m3/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：60×10 m /h
则每个风口风量
侧孔静压流速
（流量系数取 0.6）
侧孔处静压
2．按 速 7m/s
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
arctg1.9=62?
出流角α=62?
（断面 1 处动压
断面 1 处全压
断面 1 处断面积
设计矩形风管成
的规格， 实际 F1=12m ， 实际 V 1=6.9m/s， d1=28.6Pa， P
Pq1=106.1+28.6=134.7，
3． 计算侧孔 1-2 阻力， 确定 2-3 管道规格， 风量 28×10 3m3/h， 近似取 Dv1=3240mm 作为 1-2 的平均流速当量直径。 查表 R m=0.12Pa/m，ΔPy=0.12×22.5=2.7Pa，局部阻力（忽略变径管阻力），侧
孔出流ξ=0.083，（
，1→2， 断面 2 处动压
∴断面 2 处全压 P q2=134.7-5.1=129.6Pa Pd2=129.6-106.1=23.5Pa
m2 与 F1=11.9m 2 相差不大，
可近似取 F 2 与 F1 相同管道规格，即 2-3 仍取 mm。
4． 计算 2-3 阻力， 确定 3-4 规格， 风量 26×104m3/h，v=3240mm， D m/s，查表 Rm=0.05Pa/m，ΔPy=16.5×0.05=0.83Pa。
局部阻力：侧孔出流
，ξ=0.08，考虑管道变径ξ=0.1。
m 2 与 F1 相差不大，证明 F 3 处
V3′=6.01m/s
仍取管段 3-4 规格为 mm。 5．计算 3-4 阻力，确定 4-5 管道规格，风管 24×104m 3/h，Dv=3240mm，
m/s，查表 R m=0.04Pa/m，ΔPy=0.04×16.5=0.66Pa。
局部阻力：侧孔出流
，ξ=0.02，假定有变径管ξ=0.1。
∴ ∑ξ=0.12
m2 与 F3 相差不大，不需要变径
m ，仍取 4-5 管道规格为 mm。 6．计算 4-5 阻力，确定 5-6 管道规格，风量 22×104m 3/h，Dv=3240mm
m/s，查表 R m=0.02Pa/m，ΔPy=16.5×0.02=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 V 0=15m/s。 重新计算 D 管段 0-1
风量 L30×10 m /h ，V d=15m/s，F=5.556m ，设成正方形管，边长 a=2357mm，取 2350mm，Pd=136.6Pa。 1．管段 1-2 风量 L=28×104m3/h，d 取 15m/s， V F=5.185m2， a=2277mm， a=2270mm， 实=15.09m/s， 取 V 查得 R m=0.7Pa/m，ξ=0.083，ΔPy=22.5×0.7=15.75Pa，ΔPj=11.34Pa， Pd,2=136.6-15.75-11.34=109.5Pa 2．管段 2-3 L=26×10 m /h，Vd=13.51m/s，F=5.517m ，a=2349mm，取 a=2270(与前程不变径)， V 实=14.02m/s，查 Rm=0.6Pa/m，ξ=0.079，ΔP y=16.5×0.6=9.9Pa，ΔPj=9.32Pa， ΔPd3=117.9-9.9-9.3=98.7Pa 3．管道 3-4 L=24×104 同) V 实=12.94m/s 12.942=83.1Pa 4．管段 4-5 L=22×10 同) V 实=11.86m/s P d4′=84.4Pa Rm=0.5 ξ=0.067
V d=12.3m/s
取 a=2270(与 2-3 段
Rm=0.5Pa/m
Pd,4=98.7-0.5×16.5-0.073×0.6×
V d=11.16m/s
取 a=2270(与 3-4 段
Pd5=83.1-0.5×16.5-0.067×0.6×11.862=69.2Pa
5．管段 5-6 L=20×104 同) V 实=10.78 Pd5′=69.7Pa R m=0.38Pa/m
V d=10.76m/s
取 a=2270(与 4-5 段
Pd6=69.7-0.38×16.5-0.059×0.6×10.78 =59.3Pa 6．管段 6-7 L=18×104 Pd6′=59.6Pa 9.96 =51.0Pa 7．7-8 管段 L=16×104 Pd7′=50.6Pa V d=9.2m/s F=4.82m2 a=2196mm 取 a=2200 V 实=9.18m/s
V d=9.94m/s
F=5.03m2 ξ=0.05
V 实=9.96m/s
Rm=0.32Pa/m
Pd7=59.3-16.5×0.32-0.05×0.6×
Rm=0.29Pa/m
ΔP=16.5×0.29+0.047×0.6×
9.182=7.14 P d8=50.6-7.14=43.5Pa 8．8-9 管段 L=14×104 Pd8′=43.3Pa 8.492=38.4Pa 9．9-10 管段 L=12×10 =8.01m/s
V d=8.51m/s Rm=0.2Pa/m
F=4.57m2 ξ=0.043
V 实=8.49m/s
Pd9=43.5-0.2×16.5-0.043×0.6×
V d=8.00m/s
Pd9′=38.5Pa 8.01 =32.9Pa
Rm=0.25Pa/m
Pd10=38.5-0.25×16.5-0.037×0.6×
10．10-11 管段 L=10×104m 3/h V 实=7.38m/s Vd=7.41m/s P d10′=32.7Pa F=3.749m2 a=1936mm 取 a=1940mm
Rm=0.21Pa/m
Pd11=32.7-16.5×0.21-0.03×0.6×7.382=28.3Pa 11．11-12 管段 L=8×10 =28.3Pa Rm=0.2Pa/m 12．12-13 管段 L=6×10
Vd=6.86m/s
a=1799.5mm
取 a=1800mm
ξ=0.02 P d12=28.3-16.5×0.2-0.02×0.6×6.862=24.4Pa
Vd=6.38m/s
取 a=1600mm
V 实=6.51m/s
Pd12′=25.4Pa 6.51 =21.4Pa
Rm=0.22Pa/m ξ=0.015
Pd13=25.4-16.5×0.22-0.015×0.6×
13．13-14 管段 L=4×10
Vd=5.97m/s
取 a=1360mm
V 实=6.01m/s
Pd13′=21.7Pa 6.01 =17.5Pa
Rm=0.23Pa/m ξ=0.017
Pd14=21.7-0.23×16.5-0.017×0.6×
14．14-15 管段 L=2×104 Vd=5.41m/s F=1.027m2 a=1013mm 取 a=1000mm V 实=5.56m/s
Pd14′=18.5Pa 5.56 =12.6Pa>0
Rm=0.28Pa/m ξ=0.07 Pd14=18.5-0.28×16.5-0.07×0.6×
液体输配管网水力特征与水力计算
计算例题 3-1 中各散热器所在环路的作用压力 tg=95℃，tg1 =85℃，tg2=80
℃，tn=70℃。
题 3-1 解：双管制：第一层：ΔP1=gh1(ρh-ρg)=9.8×3×(977.81-961.92)=467.2Pa 第二层：ΔP2=gh2(ρh-ρg)=9.8×6×(977.81-961.92)=934.3Pa 第三层：ΔP3=gh3(ρh-ρg)=9.8×8.5×(977.81-961.92)=1323.6Pa 单管制：ΔPh=gh3(tg1-tg)+gh 2(tg2-tg1)+gh1(ρh-ρg2)=9.8×8.5× (968.65-961.92) +9.8×6×(971.83-968.65)+9.8×3×(977.81-971.83)=923.4Pa 3-2 通过水力计算确定习题图 3-2 所示重力循环热水采暖管网的管径。图中立
管Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ各散热器的热负荷与Ⅱ立管相同。只算 I、II 立管，其余立管只 讲计算方法，不作具体计算，散热器进出水管管长 1.5m，进出水支管均有截止 阀和乙字弯，没根立管和热源进出口设有闸阀。
图 3-2 解：ΔPⅠ1′=gH(ρH-ρg)+ΔP f=9.81×(0.5+3)(977.81-961.92)+350=896Pa ∑lⅠ
=8+10+10+10+10+(8.9-0.5)+1.5+1.5+(0.5+3)+10+10+10+10+8+(8.9+3)=122.8
水力计算表
管 Q 段 (w) (kg/h) (m) (mm) (m/s) (Pa/m) 号 G L D v R
Δ Py=Rl (Pa) Σξ
Pd ΔPj ΔP (Pa) (Pa) (Pa)
局部阻力统 计
散热器 1× 1 .8 20 0.05 3.11 18.0 25.0 1.23 30.8 48.8 2.0，截止阀 2×10，90? 弯头 1×
1.5，合流三 通 1.5×1 闸阀 1× 0.5，直流三 2 .5 32 0.05 1.65 22.3 2.5 1.23 3.1 25.4 通 1×1.0， 90?弯头 1× 1.0 直流三通 1 3
40 0.07 2.58 25.8 1.0 2.25 2.25 28.1 ×1.0 直流三通 1 ×1.0 5
50 0.08 2.42 24.2 1.0 3.14 3.14 27.3 直流三通 1 ×1.0 闸阀 1× 6
50 0.11 3.60 28.8 1.5 5.98 9.0 37.8 0.5，90?弯 头 2×0.5 闸阀 1× 0.5，90?弯 7 .90 50 0.11 3.60 71.6 2.5 5.98 15.0 86.6 头 2×0.5， 直流三通 1 ×1.0 8
50 0.08 2.42 24.2 1.0 3.14 3.14 27.3 直流三通 1 ×1.0 直流三通 1 ×1.0 直流三通 1 ×1.0 闸阀 1× 11 .8 32 0.05 1.65 21.1 2.5 1.23 3.1 24.3 0.5，直流三
40 0.11 5.21 52.1 1.0 5.98 5.98 58.1
40 0.11 5.21 52.1 1.0 5.98 5.98 58.1
40 0.07 2.58 25.8 1.0 2.25 2.25 28.1
通1×1.0，90?弯1×1.0
12 .8 25 0.06 2.88 8.1 1.0 1.77 1.8 9.9
OM8ST>UVM8WXGUAYZ[\
立管Ⅰ，第二层ΔPⅠ，2=9.81×6.3×通过第二层散热器的资用压力：ΔP13，14′，Rpj=0.5×485/5.8=41.8Pa/m
Pd ΔPj ΔP (Pa) (Pa) (Pa)
局部阻力统
(w) (kg/h) (m) (mm) (Pa)
散热器1×2，
13 1500 截止阀2×
0.08 9.92 30 37 3.14 116 146
16，旁流三通
直流三通1×
14 .8 15 0.17 65.93 128.6 1.0 14.22 14.2 143
压降不平衡率
立管Ⅰ，第三层ΔPⅠ，3=9.81×9.1×(977.81-961.92)+350=1768Pa 资用压力：ΔP′15，16，14=.8+9.9=931Pa
ΔPy=Rl Σ
Pd ΔPj ΔP
局部阻力统计
(Pa) (Pa) (Pa)
(w) (kg/h) (m) (mm) (m/s) (Pa/m)
散热器1×2，
3 15 0.1 15.26 45.8 35 4.9 172 90?弯头1×
直流三通1×
2.8 15 0.1 15.26 4.9 48.0
压降不平衡率
多相流管网水力特征与水力计算
4-1 什么是水封？它有什么作用？举出实际管网中应用水封的例子。 答：水封是利用一定高度的静水压力来抵抗排水管内气压的变化，防止管内气体进入室内的措施。因此水封的作用主要是抑制排水管内臭气窜入室内，影响室内空气质量。另外，由于水封中静水高度的水压能够抵抗一定的压力，在低压蒸汽管网中有时也可以用水封来代替疏水器，限制低压蒸汽逸出管网，但允许凝结水从水封处排向凝结水回收管。
实际管网中应用水封的例子很多，主要集中建筑排水管网，如、大/小便器等各类卫生器具排水接管上安装的存水弯（水封）。此外末端设备（风机盘管、吊顶或组合式空调器等）凝结水排水管侧时，安装的存水弯可防止送风吸入排水管网内的空气。
答：（1）可简化为水气两相流动，；
（2）系统内水流具有的特点，水量变化大，排水历时短，高峰流量时水量可能充的时间管内又可能全是空气，此外流速变化也较剧烈，立管和横大。
（3）夹带空气一起运动，管内气压波动大；
（4）立管和横支管相互影响，立管内水流的运动可能引起横支管内压力波动，反之亦然；
（5）水流流态与排水量、管径、管材等因素有关；
（6）通水能力与管径、过不断面与管道断面之比、粗糙度等因素相关。 4-3
提高排水管排水能力的关键在哪里？有哪些技术措施？
答：提高排水管排水能力的关键是分析立管内压力变化规律，找出影响立管压力变化的因素。进而想办法稳定管内压力，保证排水畅通。技术措施可以①调整管径；②在管径一定时，调整、改变终限流速和水舌阻力系数。减小终限流速可以通过（1）增加管内壁粗糙度；（2）立管上隔一定距离设乙字弯；（3）利用横支管与立管连接的特殊构造，发生溅水现象；（4）由横支管排出的水流沿切线方向进入立管；（5）对立管内壁作特殊处理，增加水与管内壁的附着力。减小水舌阻力系数，可以通过改变水舌形状，或向负压区补充的空气不经水舌两种途径，措施（1）设置专用通气立管；（2）在横支管上设单路进气阀；（3）在排水横管与立管连接处的立管内设置挡板；（4）将排水立管内壁作有螺旋线导流突起；（5）排水立管轴线与横支管轴线错开半个管径连接；般建筑采用形成水舌面积小两侧气孔面积大的斜三通或异径三通。
解释“终限流速”和“终限长度”的含义与排水管通水能力之间有何关系？
答：终限流速Vt，排水管网中当水壁摩擦力与重力达到平衡时，水膜的下降速度和水膜厚度不，这时的流速叫终限流速。终限长度Lt：从排水横支管水流入速形成处的高度叫终限长度。这两个概念确定了水膜流阶段排的压力波动范围）内最大允许排水能力。超过终限流速的水流量继续增加，水膜加厚，最终形成水塞流，使排水
系统不能膜流状态下，可有Q=，Lt=0.144Vt，其中Q——通
水能力L/S——终限流速时过水断面积，cm2，Vt——终限流速，m/s，Lt——终限长度，m。
空调凝结水管内流动与建筑排水管内流动的共性和差别是什么？ 答：共性：均属于液气两相流。
区别：①空调凝结水管在运动时管内水流量变化不大，气压变化也不大，而建筑排水管风水量及气压随时间变化都较大；
②空调凝结水管内流速较小，排水管网内流速较大；
③空调凝水管内流动可当成凝结水和空气的流动，排水管内的流动除水和气体外，还有固体。
汽液两相流管网的基本水力特征是什么？ 答：①属蒸汽、凝结水的两相流动；
②流动过程中，由于压力、温度的变化，工质状态参数变化较大，会伴随着相态变化；
③由于流速较高，可能形成“水击”、“水塞”等不利此应控制流速并及时排除凝结水；
④系统运动时排气，系统停止运行时补系统长期、可靠运行。
⑤回水方式有重力回水、余压回回水等多种方式。 4-7
简述保证蒸汽管网路和技术措施？
答：保证蒸汽管网正常是减少凝结水被高速蒸汽流裹带，形成“水塞”和“水击”思想包括：①减少凝结；②分离水滴；③汽液两相同向流动；④若流动减少，则尽量相互作用。可采取的技术措施是：①通过保温减在供汽干管向上拐弯处装耐水击的疏水器分离水滴；③设置足够坡度使水汽同向；④在两相逆向的情况下，降低蒸汽的速度；⑤在散热器上装自动排气阀，以利于凝水排净，下次启动时不产生水击；⑥汽、水逆向时，适当放粗管径；⑦供汽立管从干管上方或下方侧接出，避免凝水流入立管；⑧为保证管正常运行，还需适当考虑管网变形的破坏作用，设置补偿器。 4-8
简述室内蒸汽供热管网水力计算的基本方法和主要步骤
答：蒸汽管网水力计算的基本方法一般采用压损平均法，与热水管网大致相同，管网同样存在着沿程阻力和局部阻力。从最不利环路算起，满足锅炉出口蒸汽压
力等于流动阻力+用户散热器所需压力。水力计算主要步骤：（1）确定最不利环路；（2）管段编号，统计各管段长度及热负荷；（3）选定比压降，确定锅炉出口压力；（4）对最不利环路各管段进行水力计算，依次确定其管径和压损；（5）对各并联管路进行水力计算，确定其管径和压损；（6）确定各凝水管路管径，必要时需计算凝水管路压损并配置相应回水设备，如凝水泵，凝水箱等。 4-9
若例4-2中，每个散热器的热负荷均改为3000W，试重新确定各管段管径及锅炉蒸汽压力。
解：1）确l=80m，比压降100Pa/m，散热器所需乘余压力2000Pa，运行压力。
2）最不利管径的水力计算，预计Rm=100×0.6=60Pa/m，各管段管径确定见以下水力计算表。
水力计算表
热量a 长度管径比摩阻
摩擦阻 力损失
流速V 局部压头局部压总压力损
Pd 力损失失ΔP=Δ
ΔPj=Pd-Py+Δ
(m) (mm) (Pa/m) Δ力系(Pa) Σξ数 Σξ
70 26.3 13.9 315.6 10.5 61.2 642.6 958.2
50 29.41 12.94 382.33 2.0 53.08 106.16 488.49 40 39.69
12.6 496.28 1.0 50.33 50.33 546.61
32 52.68 12.29 632.16 1.0 47.88 47.88 680.04 32 21.58 25 28.35 20 20.55
8.42 258.96 1.0 22.47 281.43 7.34 686.91 5.80
41.1 4.5 47.97
ΣΔP=3730.75Pa
立管Ⅲ 资用压力ΔP6-7
25 127.58 11.5 17.08 196.42 324
5.80 41.1 4.5 10.66 47.97 89.07
ΣΔP=413.07Pa
立管Ⅲ 资用压力ΔP5-7=968.34Pa
25 28.35 7.34 127.58 11.5 17.08 196.42 324
103.45 11.07 206.90 4.5 38.85 174.81 381.7
ΣΔP=705.71Pa
立管Ⅱ 资用压力ΔP4-7=1648.38Pa 立管ⅠΔP3-7=2194.99Pa
20 80.4 11.66 361.8 13.0 43.1 560.3 922.07
103.45 11.07 206.90 4.5 38.85 174.81 381.7
ΣΔP=1303.77Pa
局部阻力系数汇总
管段①截止阀7.0，锅炉出口2.0，90?煨弯3×0.5=1.5
Σξ=10.5 管段②90?煨弯2×0.5=1.0，直流三通管段③④⑤直流三通Σξ=1.0 管段⑥截止阀9.0，90?煨弯2×1.0=2.0Σξ=10.0 管段⑦乙字弯1.5，分流三通Σξ=4.5 其他立管ⅢⅣ（d=25mm），?煨弯1.0，旁流三通1.5
ⅠⅡ（d=20mm），90?煨弯1.5，旁流三通1.5
Σξ=13 其他支管ⅢⅣ（弯9.0，分流三通3.0
）乙字弯1.5，分流三通3.0
凝水管径汇总表
编号 热负荷W 管径d(mm)
7′ 3000 15
6′ 6000 20
5′ 12000 20
4′ 18000 25
3′ 24000 25
2′ 30000 32
1′ 71000 32
简述凝结水管网水力计算的基本特点
答：凝结水管网水力计算的基本特征是管网内流体相态不确定，必须分清管道内是何种相态的流体。例如从热设备出口至疏水器入口的管段，凝水流动状态属非满管流。从疏水器出口到二次蒸发箱（或高位水箱）或凝水箱入口的管段，有二次蒸汽是液汽两相流，从二次蒸发箱出口到凝水箱为饱和凝结水，是满管流，可按热水管网计算。
物料的“沉降速度”、“悬浮速度”、“输送风速”这三个概念有何区别与联系？
答：物料颗粒在重力作用下，竖直向下加速运动。同时受到气体竖上的阻力，随着预粒与气体相对速度增加竖直向上的阻力增加，最终这对物料与气体的相对运动速度Vt，若气体处于静止状态，t的沉降速度，若颗粒处于悬浮状态，Vt是使颗粒处于悬浮状态的气流速度，称悬浮速度。气固两相流中的气流速度称为输送风速足够大，使物料悬浮输送，是输送风速使物料产生沉降速度和悬浮度降速度和悬浮速度宏观上在水平风管中与输送风速垂直，在垂直风送风速平行。为了保证正常输送，输送风速大于沉降或悬浮速度般风速为悬浮速度的2.4~4.0倍，对大密度粘结性物料甚至取5~104-12
简述气固阻力计算的基本方法。
答：气固两相有物料颗粒的运动，又存在颗粒与气体间的速度差，阻力要比单相大，对于两相流在流速较小时阻力随流速增大而增大，随着流速增大，颗粒过渡到悬浮运动，总阻力随流速增大而减小，流速再增大，颗粒完全悬浮，均匀分布于某个风管，阻力与单排气流相似，随流速增大而增大。气固两相流的阻力还受物料特性的影响，物料密度大。粘性大时，摩擦作用和悬浮速度大，阻力也大，颗粒分布不均匀时颗粒间速度差异大，互相碰撞机会多，因而阻力也大。阻力计算的基本方法把两相流和单相流的运动形成看作相同，物料流看作特殊的流体，利用单相流体的阻力公式计算，因此两相流的阻力可以看作单相流体阻力与物料颗粒引起的附加阻力之和。在阻力构成上，气固两相流须考虑喉管或吸嘴的阻力、加速阻力、物料的悬浮阻力、物料的提升阻力、管道的摩
擦阻力、弯管阻力、设备局部阻力等多项因素，各项阻力都有相应的计算参数和公式。气固两相流阻力计算一般可确定输送风速、料气比、输送管径及动力设备。 4-13
气固两相流水平管道内，物料依靠什么力悬浮？竖直管道呢？ 答：气固两相水平管道内，物料依靠以下几个作用力悬浮：（1）紊流气流垂直方向分速度产生的力；（2）管底颗粒上下的气流速不同产生静压差而形成的力；（3）颗粒转运动时与周围的环流速度迭加形成速度差在颗粒上下引起静压差产生的引力；（4）因颗粒形状不规则引起空气作用力垂直分力；（5）颗粒之间或颗粒与管壁之间碰撞时受到的垂直分力。竖直管道内，物料依靠流存在相对速度而产生的向上的阻力悬浮。
4-14 气力输送管道中，水平管道与竖直管？为什么？ 答：输送风速指气固两相流管中的气流速度管道中，水平管道比竖直管道需要的送风速大，因为在垂直管道中度与物料速度方向一致，只要气流速度稍大于悬浮速度，就可输送道中，物料悬浮来自紊流分速度，静压差等多种因素，悬浮输风速垂直，为保证物料处于悬浮流而正常输送，要有比悬浮速送风速，才能使物料颗料完全悬浮，因此水平管输送风速大。
什么是气比的大小对哪些方向有影响？怎样确定料气比？ 答：料气时间内通过管道的物料量与空气量的比值，也称料气流浓度，料气比的大小关系到系统工作的经济性、可靠性的输料量较大小。料气比大，所需送风量小，因而管道设备小动力消耗少，在相同的输送风量下输料量大，所以在保证正常运行的前提下，力求达到较高的料气比。料气比的确定，受到输送经济性、可靠性（管道堵塞）和气源压力的限制，一般根据经验确定。低压吸送式系统，料气比μ=1~10，循环式系统μ=1左右，高真空吸送式系统μ=20~70。物料性能好，管道平直，喉管阻力小时，可采用较高的料气比，反之取用较低值。 4-16
分析式（2-2-1）和式（4-3-11）这两个管道摩阻计算公式的区别和联系，它们各用于计算什么样的管网？
答：公式（2-2-1）ΔP=Rml 用于单相流体的沿程摩擦阻力，计算公式（4-3-11） ΔP=（1+k1μ1）Rml 用于气固两相流管道的摩擦阻力计算。因为公式（4-3-11） 包括了气流阻力和物料预料引起的附加阻力两部分，其中 k 1 是与物料有关的系 数，μ1 为料气比。 4-23 如习题图 4-1 所示管网，输送含轻矿物粉尘的空气。按照枝状管网的通
用水力计算方法对该管网进行水力计算，环境空气温度 20℃，大气压力 101325Pa。
习题图 4-1 某工厂通风管网如图 1 所示，环境空气温度为 20℃。用枝状管网的通用水力计 算方法计算，主要步骤如下： （1）计算环路 I、II、III 中重力作用形成的动力； （2）选环路 I 为最不利环路，按推荐流速确定所属管段的直径并计算流动阻力。 根阻力计算结果确定需用压力； （3）按式（5）计算环路 II、III 的资用动力；按式（7）环路 II 的独用管路 （管 段 2）、环路 III 的独用管路（管段 3）的资用动力；
（4）按压损平衡原理，确定管段 2 和 3 的断面尺寸，并计算流动阻力和压损平 衡水平。 管段 2 和管段 3 的压损平衡水平分别是 98%和 100.4%， 已满足工程实际 要求。若此压损平衡水平达不到工程要求，需调整管径，重新进行计算，直至满 足要求。 主要计算结果列于表 1。 表1
环路 编号 管段 编号 1 4 I 5 6 7 合计 II III 2 3 0.222 1.111 1.204 1.204 130 300 设计流量 (m3/s) 0.417 0.639 1.750 1.838 1.838
枝状管网的通用水力计算方法示例
管径 (mm) 200 240 380 420 420 流动阻力 (Pa) 213.2 52.2 .2 278.7 .8 308.3 17.5 17.5 5.7 254.9 307.1 98.0 100.4 -24.2 1.5 —— 环路重力 作用 (Pa) 环路压力 资用动力 (Pa) (Pa) 压损平衡 水平(%)
(kg/m3) 0.779 0.946 1.029 1.127 1.165
泵与风机的理论基础
离心式泵与风机的基本结构由哪几部分组成？每部分的基本功能是什
答：（1）离心式风机的基本结构组成及其基本功能： 1）叶轮。一般由前盘、中（后）盘、叶片、轴盘组成，其基本功能是吸入流体， 对流体加压并改变流体流动方向。 2）机壳。由涡壳、进风口和风舌等部件组成。蜗壳的作用是收集从叶轮出来的 气体，并引导到蜗壳的出口，经过出风口把气体输送到管道中或排到大气中去。 进风口又称集风器，它保证气流能均匀地充满叶轮进口，使气流流动损失最小。 3）进气箱。进气箱一般只使用在大型的或双吸的离心式风机上，其主要作用是 使轴承装于风机的机壳外边，便于安装与检修， 对改善锅炉引风机的轴承工作条 件更为有利。对进风口直接装有弯管的风机，在进风口前装上进气箱，能减少因 气流不均匀进入叶轮产生的流动损失。 4）前导器。一般在大型离心式风机或要求特性能调节的风机的进风口或进风口 的流道内装置前导器。改变前导器叶片的角度，能扩大风机性能、使用范围和提 高调节的经济性。大型风机或要求性能调节风机用，扩大风机性能，使用范围和 提高调节的经济性。 （2）离心式水泵的基本结构组成及其基本功能：： 1）叶轮。吸入流体，对流体加压。 2）泵壳。汇集引导流体流动，泵壳上螺孔有充水和排气的作用。 3）泵座。用于固定泵，联接泵与基座。 4）轴封装置。用于密封泵壳上的轴承穿孔，防止水泄漏或大气渗入泵内。 5-2 离心式泵与风机的工作原理是什么？主要性能参数有哪些？
答：离心式泵与风机的工作原理是：当泵与风机的叶轮随原动机的轴旋转时，处 在叶轮叶片间的流体也随叶轮高速旋转，此时流体受到离心力的作用， 经叶片间 出口被甩出叶轮。这些被甩出的流体挤入机（泵）壳后，机（泵）壳内流体压强 增高，最后被导向泵或风机的出口排出。与此同时，叶轮中心由于流体被甩出而 形成真空， 外界的流体沿泵或风机的进口被吸入叶轮， 如此源源不断地输送流体。 泵（风机）不断将电机电能转变的机械能，传递给流体，传递中有能量损失。
主要性能参数有：扬程 、效率 等。
）、流量 、有效功率
5-3 欧拉方程的理论依据和基本假定是什么？实际的泵与风机不能满足基本假 定时，会产生什么影响？ 答：欧拉方程的理论依据是动量矩定理， 即质点系对某一转轴的动量对时间的变 化率等于作用于该质点系的所有外力对该轴的合力矩。 欧拉方程的 4 点基本假定是： （1）流动为恒定流； （2）流体为不可压缩流体； （3）叶轮的叶片数目为无限多，叶片厚度为无限薄； （4）流动为理想过程，泵和风机工作时没有任何能量损失。 上述假定中的第（1）点只要原动机转速不变是基本上可以保证的，第（2）点对 泵是完全成立的， 对建筑环境与设备工程专业常用的风机也是近似成立的。 （3） 第 点在实际的泵或风机中不能满足。叶道中存在轴向涡流，导致扬程或全压降低， 且电机能耗增加，效率下降；第（4）点也不能满足，流动过程中存在各种损失， 其结果是流量减小，扬程或全压降低，流体所获得的能量小于电机耗能量，泵与 风机的效率下降。
5-5 写出由出口安装角
表示的理论曲线方程 HT=f1(Q r)，NT=f2(Q T)，ηT=f3(QT)；
分析前向、径向和后叶型的性能特点。当需要高扬程，小流量时宜选什么叶型？ 当需要低扬程、大流量时不宜选什么叶型？
， 为叶片排挤系数，它反映了叶片厚度对流道过
流面积的遮挡程度；
几种叶型的性能特点分析比较： （1）从流体所获得的扬程看，前向叶片最大，径向叶片稍次，后向叶片最小； （2）从效率观点看，后向叶片最高，径向叶片居中，前向叶片最低； （3）从结构尺寸看，在流量和转速一定时，达到相同的压力前提下，前向叶轮 直径最小，而径向中轮直径稍次，后向叶轮直径最大。 （4）从工艺观点看，直叶片制造最简单。 当需要高扬程， 小流量时宜选前向型叶片； 需低扬程、 大流量时宜选后向型叶片。 5-6 简述不同叶型对风机性能的影响，并说明前向叶型的风机为何容易超载？ 答：通常所说的叶片型式，一般是按叶片出口安装角度 片 > 90°，为前向型叶片； < 90°，为后向型叶片； 的大小来区分的。叶 ，为径向型叶片。
从流体所获得的全压看，前向叶片最大，径向叶片稍次，后向叶片最小；从效率 观点看，后向叶片最高，径向叶片居中，前向叶片最低；从叶轮的结构尺寸看， 在流量和转速一定时，达到相同压力的前提下，前向叶轮直径最小，而径向中轮 直径稍次，后向叶轮直径最大。 在理想条件下，有效功率就是轴功率，即 γ =常数，将 与 的关系代入，可得： ，当输送某种流体时，
根据上式，前向、径向、后向三种叶型的理论轴功率与流量之间的变化关系如习 题 5-6 解答图所示。 习题 5-6 解答图定性地说明了不同叶型的风机轴功率与流量 之间的变化关系。从图中的 曲线可以看出，前向叶型的风机所需的轴
功率随流量的增加而增长得很快，因此，这种风机在运行中增加流量时，原动机 超载的可能性要比径向叶型风机的大得多， 而后向叶型的风机几乎不会发生原动 机超载的现象。
习题 5-6 解答图 三种叶型的 N T-QT 曲线 5-7 影响泵或风机性能的能量损失有哪几种？简单地讨论造成这些损失的原 因。 答：以离心式泵与风机为例，它们的能量损失大致可分为流动损失、泄漏损失、 轮阻损失和机械损失等。
（1）流动损失。流动损失的根本原因在于流体具有粘滞性。泵与风机的通流部 分从进口到出口由许多不同形状的流道组成。首先， 流体流经叶轮时由轴向转变 为径向，流体在叶片入口之前，由于叶轮与流体间的旋转效应存在，发生先期预 旋现象， 改变了叶片传给流体的理论功， 并且使进口相对速度的大小和方向改变， 使理论扬程下降；其次，因种种原因泵与风机往往不能在设计工况下运转，当工 作流量不等于设计流量时， 进入叶轮叶片流体的相对速度的方向就不再同叶片进 口安装角的切线相一致，从而对叶片发生冲击作用，形成撞击损失；此外，在整 个流动过程中一方面存在着从叶轮进口、叶道、 叶片扩压器到蜗壳及出口扩压器 沿程摩擦损失，另一方面还因边界层分离，产生涡流损失。 （2）泄漏损失。泵与风机静止元件和转动部件间必然存在一定的间隙，流体会 从泵与风机转轴与蜗壳之间的间隙处泄漏，称为外泄漏。 离心式泵与风机的外泄 漏损失很小，一般可略去不计。但当叶轮工作时，机内存在着高压区和低压区， 蜗壳靠近前盘的流体，经过叶轮进口与进气口之间的间隙， 流回到叶轮进口的低 压区而引起的损失，称为内泄漏损失。此外，对离心泵来说为平衡轴向推力常设 置平衡孔，同样引起内泄漏损失。由于泄漏的存在，既导致出口流量降低，又无 益地耗功。 （3）轮阻损失。因为流体具有粘性，当叶轮旋转时引起了流体与叶轮前、后盘 外侧面和轮缘与周围流体的摩擦损失，称为轮阻损失。 （4）机械传动损失。这是由于泵与风机的轴承与轴封之间的摩擦造成的。 5-8 利用电机拖动的离心式泵或风机，常关闭阀门，在零流量下启动，试说明 其理由。使泵或风机在零流量下运行，这时轴功率并不等于零，为什么？是否 可以使风机或泵长时期在零流量下工作？原因何在？ 答：（1）对于离心式泵或风机，从它们的功率 随流量 的变化关系曲线看， 随流
在零流量时的轴功率最小，符合电动机轻载启动的要求，从它们的全压 量
的变化关系曲线看,获得的全压最大，因此一般采用关闭压水（气）管上的
阀门，即采用所谓“闭闸启动”。待电机运转正常后，压力表达到预定的数值时， 再逐步开启阀门。 （2）水泵或风机在零流量下运行，由于还存在轮阻摩擦及轴承与轴之间的各种 机械摩擦损失，因此轴功率并不等于零，而是有设计轴功率的 30%~40%左右。 （3）零流量工作时的轴功率消耗于各种机械损失上，其结果将使泵（机）壳内 流体温度上升，泵（机）壳发热，严重时还会导致泵（机）壳、轴承等构件发生 热力变形，因此一般只允许短时间内在零流量下运行。 5-9 简述相似律与比转数的含义和用途，指出两者的区别。 答： 相似律是指： 当几何相似的两台泵 （或风机） 的工况， 满足流量系数相等 （即 表明速度三角形相似），以及雷诺数相等（或处于雷诺自模区）的条件时，它们 的流动过程相似，对应的运行工况称为相似工况。在相似工况下，它们的全压系 数、功率系数与效率彼此相等，性能参数之间存在如下相似换算关系。
全压换算：
刘亮换算：
功率换算： 相似律的用途主要是进行几何相似的泵（或风机）相似工况之间的性能换算；可 以用无因次性能曲线反映一系列进行几何相似的泵（或风机）的性能。 两个几何相似的泵与风机，它们在最高效率点的性能参数 、 、 组成的综合
特性参数 比转数相等。比转数的用途有：
称为比转数，相似泵（或风机）的
比转数反映了某系列泵或风机的性能特点。比转数大，表明其流量大而压头小， 比转数小则表明其流量小而压头大。 比转数反映了某系列泵或风机的结构特点。比转数越大，流量系数越大，叶轮的 出口宽度 b 2 与其直径 D2 之比就越大，比转数越小，流量系数越小，则相应叶轮 的出口宽度 b 2 与其直径 D2 之比就越小。 比转数可以反映性能曲线的变化趋势。低比转数的泵或风机的 坦， 曲线较陡，即机器的轴功率随流量增大上升较快；而 曲线较陡， 随 曲线比较平 曲线则较 增大下降较快， 曲
平坦。 低比转数的泵与风机则与此相反。 上升较缓， 当比转数大到一定程度时， 线甚至随 增大而下降。 比转数可用于泵或风机的相似设计。
曲线会出现 S 形状，
比转数还可用于指导泵与风机的选型。当已知泵或风机所需的流量和压头时， 可 以组合原动机的转速计算需要的比转数，从而初步确定泵或风机的型号。 5-10 无因次性能曲线何以能概括大小不同、工况各异的同一系列泵或风机的性 能？应用无因次性能曲线要注意哪些问题？ 答：同一系列泵或风机是指一系列几何相似的泵或风机。 它们在一定的转速范围 内，如果流量系数 相等，则入口速度三角形相似，即这一系列泵或风机在该
流量系数下的工况是相似工况， （或风机） 各泵 的性能参数满足相似律换算关系，
它们的全压系数 横坐标、 （ 、
、功率系数
、效率 相等，在以流量系数 -
、 为纵坐标的图上，各台泵（或风机）的参数点（
- ）重合。按此对各台泵（或风机）的性能曲线进行无因次 ）、（ ）、（ - ）在以流量系数
化，它们的无因次性能曲线（
为横坐标图上将会重合。因此， 无因此性能曲线能够概括同一系列泵或风机的性 能。 应用无因此性能曲线时应注意， 一是在推导泵与风机的相似律时忽略了一些次要 因素，如内表面粗糙度不完全相似、轮阻损失和泄漏损失不完全相似等，对于同 一系列的泵与风机，如果尺寸大小相差过分悬殊，则会引起较大误差。如 4-72-11NO.5 型和 4-72-11NO.20 型风机，就不能应用相同的无因次性能曲线。 另外， 根据无因次性能曲线查出的是无因次量， 并不能直接使用， 在实际应用时， 应根据泵或风机的实际尺寸、转速，将其换算成有因次量。 5-11 离心式泵或风机相似的条件是什么？什么是相似工况？两台水泵（风机） 达到相似工况的条件是什么？ 答：离心式泵与风机相似的条件是：1）几何相似。即一系列的泵（或风机）的 各过流部件相应的线尺寸（同名尺寸）间的比值相等，相应的角度也相等。2） 动力相似。在泵与风机内部，主要考虑惯性力和粘性力的影响，故要求对应点的 惯性力与粘性力的比值相等，即雷诺数相等。而当雷诺数很大，对应的流动状况 均处于自模区时，则不要求雷诺数相等。3）运动相似。对于几何相似的泵（或 风机） 如果雷诺数相等或流动处于雷诺自模区， ， 则在叶片入口速度三角形相似， 也即流量系数相等时，流动过程相似。当两泵（或风机）的流动过程相似时，对 应的工况为相似工况。在上述条件下，不同的泵（或风机）的工况为相似工况， 性能参数之间满足相似律关系式。 5-12 应用相似律应满足什么条件？“相似风机不论在何种工况下运行，都满足 相似律。”“同一台泵或风机在同一个转速下运转时，各工况（即一条性能曲 线上的多个点）满足相似律”。这些说法是否正确？ 答：应用相似律应满足的条件是泵（或风机）的工况为相似工况。即要求泵（或 风机）几何相似、流动状态的雷诺数相等（或流动均处于雷诺自模区）、流量系 数相等。根据相似律应用的条件，“相似风机不论在何种工况下运行，都满足相 似律”这种说法显然是错误的，“同一台泵或风机在同一个转速下运转时，各工 况（即一条性能曲线上的多个点）满足相似律”的说法也不正确。因为一条性能
第 1 章 流体输配管网的类型与装置 1-1 认真观察1~3个不同类型的流体输配管网，绘制出管网系统轴测图。结合第一章学习的知识，回答以下问题：（1）该管网的作用是什么？（2）该管网中流动的流体是液体还是气体？还是水蒸气？是单一的一种流体还是两种流体…
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