【土木建筑】第4章 多相流管網(wǎng)水力特征與水力計算

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1、第4章 多相流管網(wǎng)水力特征與水力計算 4.1 液氣兩相流管網(wǎng)水力特征與水力計算 工程背景：建筑排水管網(wǎng) 空調(diào)凝結(jié)水管網(wǎng) 蒸汽供暖管網(wǎng)4.1.1 液氣兩相流管網(wǎng)水力特征 4.1.1.1 建筑內(nèi)部排水流動特點及水封（1）流動特點 氣、液、固均存在，固體物較少，可視為液氣兩相流。水量、氣壓隨時間變化幅度大。流速隨空間變化劇烈。橫支管進入立管，流速激增，水、氣混合；立管進入橫總管，流速急降，水、氣分離。（2）水封 水封 水封位置 水封高度 水封破壞4.1.1.2 橫管內(nèi)水流狀態(tài)（1）能量gvhgvKe22220（2）狀態(tài)圖4-1-1 橫管內(nèi)水流狀態(tài)示意圖1-水膜狀高速水流；2-氣體V0豎直下落末端水流

2、速度；he橫管斷面水深；vhe水深時的水流速度；K與連接形式有關(guān)的能量損失系數(shù)；（3）管內(nèi)壓力 1）橫支管內(nèi)壓力變化2）橫干管內(nèi)壓力變化 更為劇烈。特別注意對建筑下部幾層橫支管的影響，要與橫干管保持一定的垂直距離。4.1.1.3 立管中水流狀態(tài) 排水立管上接各層排水橫支管，下接橫干管或排出管，立管內(nèi)水流呈豎直下落流動狀態(tài)，水流能量轉(zhuǎn)換和管內(nèi)壓力變化劇烈。（1）排水立管水流特點 1）斷續(xù)的非均勻流 2）水氣兩相流 3）管內(nèi)壓力變化 圖4-1-3 排水管內(nèi)壓力分布示意圖（2）排水立管中水流流動狀態(tài) 1）附壁螺旋流。排水量較小，立管中心氣流仍舊正常，氣壓較穩(wěn)定。這種狀態(tài)歷時很短。2）水膜流。有一定厚

3、度的帶有橫向隔膜的附壁環(huán)狀流。隨水流下降流速的增加，水膜所受管壁摩擦力增加。當水膜受向上的管壁摩擦力與重力達到平衡時，下降速度和厚度不再發(fā)生變化，這時的流速叫終限流速（vt）。從橫支管水流入口至終限流速形成處的高度叫終限長度（lt）。橫向隔膜不穩(wěn)定，形成與破壞交替進行。在水膜流階段，立管內(nèi)氣壓有波動，但其變化不會破壞水封。3）水塞流。隨排水量繼續(xù)增加，水膜厚度不斷增加，隔膜下部壓力不能沖破水膜，最后形成較穩(wěn)定的水塞。水塞向下運動，管內(nèi)氣體壓力波動劇烈，水封破壞，整個排水系統(tǒng)不能正常使用。這3個階段流動狀態(tài)的形成與管徑和排水量有關(guān)。也就是與水流充滿立管斷面的大小有關(guān)。排水立管內(nèi)的水流狀態(tài)應(yīng)為水膜

4、流。實驗表明，在設(shè)有專用通氣立管的排水系統(tǒng)中：水塞流。水膜流；附壁螺旋流；,31,3141,41aaaWWajt（3）水膜流運動的力學(xué)分析 n水膜區(qū)以水為主的水氣兩相流，忽略氣；n氣核區(qū)以氣為主的氣水兩相流，忽略水。n經(jīng)分析推導(dǎo)，得出：52101175.1jptdQKvmmKdQKlpjpt管壁的當量粗糙高度，:)()1(44.0521014.1.1.4 排水管在水膜流時的通水能力 41011012jjtjttdWvWvWQ38356110365.0jpdKQ工作高度：橫支管與立管連接處至排除管中心的距離。4.1.1.5 影響立管內(nèi)壓力波動的因素及防止措施(1)影響排水立管內(nèi)部壓力的因素 確保

5、立管內(nèi)通水能力和防止水封破壞是建筑內(nèi)部排水系統(tǒng)中兩個最重要的問題，這兩個問題都與立管內(nèi)壓力有關(guān)。最大負壓：2)1(21tjvKdlP（2）穩(wěn)定立管壓力增大通水能力的措施 n減小終限流速n減小水舌阻力系數(shù)K4.1.2 建筑排水管網(wǎng)的水力計算 4.1.2.1 橫管的水力計算 1.設(shè)計規(guī)定（1）充滿度規(guī)定最大計算充滿度（2）自凈流速 規(guī)定的最小流速（3）管道坡度 通用坡度，最小坡度（4）最小管徑 防止堵塞的最小管徑2.橫管水力計算方法 對于橫干管和連接多個衛(wèi)生用水器具的橫支管，應(yīng)逐段計算各管段的排水設(shè)計秒流量，通過水力計算來確定各管段的管徑和坡度。建筑內(nèi)部橫向管道按明渠均勻流公式計算。s/m 1s/

6、m 21323IRnvvWqu水力計算表見建筑給水排水工程（第四版）附錄6-1和6-2L/s 12.0maxqNqPu4.1.2.2 立管水力計算 排水立管按通氣方式分為普通伸頂通氣、專用通氣立管通氣、特制配件伸頂通氣和無通氣四種情況。四種情況的排水立管最大允許通水能力見表4-1-9，設(shè)計時先計算立管的設(shè)計秒流量，然后查表4-1-9確定管徑。4.1.2.3 通氣管道計算 按工程實際情況，查取有關(guān)手冊、參考資料確定。自學(xué)【例4-1】參考書：建筑給水排水工程（第四版）4.1.3 空調(diào)凝結(jié)水管路系統(tǒng)的設(shè)計 各種空調(diào)設(shè)備（例如風(fēng)機盤管機組，柜式空調(diào)機，新風(fēng)機組，組合式空調(diào)箱等）在運行過程中產(chǎn)生凝結(jié)水。

7、較之建筑排水管網(wǎng)，凝結(jié)水管網(wǎng)內(nèi)的流動穩(wěn)定性要好得多，氣壓波動小。設(shè)計要點：管材；坡度；水封；通氣；保溫；沖洗的可能性。通常，可以根據(jù)機組的冷負荷Q（kW）按下列數(shù)據(jù)近似選定冷凝水管的公稱直徑：Q7kW時，DN=20mmQ=7.117.6kW時，DN=25mmQ=17.7100kW時，DN=32mmQ=101176kW時，DN=40mmQ=177598kW時，DN=50mmQ=5991055kW時，DN=80mmQ=10561512kW時，DN100mmQ=151312462kW時，DN=125mQ12462kW時，DN=150mm 4.2 汽液兩相流管網(wǎng)水力特征與水力計算 4.2.1 汽液兩相

8、流管網(wǎng)水力特征與保障正常流動的技術(shù)措施汽、液相的相互轉(zhuǎn)變：蒸汽凝水；凝結(jié)水二次汽化。形成流動阻礙。水擊產(chǎn)生及防止蒸汽管路中的凝水不能順利排走，遇到阻礙，在高速下（20m/s)與管壁、管件撞擊。盡量汽、水同向流，逆向流時采用低流速；及時排除凝水。系統(tǒng)中引入和排除空氣停止運行時，引入空氣以排除凝水；開始運行，排除空氣。凝結(jié)水回收 重力回水 余壓回水 機械回水二次蒸汽利用4.2.2 室內(nèi)低壓蒸汽供暖管網(wǎng)水力計算（1）蒸汽管路 資用動力鍋爐出口（或建筑物采暖管網(wǎng)入口）蒸汽壓力。密度：近似為常數(shù)。計算方法壓損平均法平均比摩阻lPPR)(0gmP0一般取2000Pa；Pg較大時，Rm可能很大，可能導(dǎo)致流速

9、過大。這時，控制比摩阻100Pa/m。計算次序最不利管路其他管路流速限制汽水同向：30m/s汽水逆向：=0.005。濕凝水管路按負擔(dān)的熱負荷查表確定管徑。計算表參考供熱工程（第三版）附錄4.2.3 室內(nèi)高壓蒸汽供暖管網(wǎng)水力計算（1）蒸汽管道：壓損平均法：最不利管路的總壓力損失不超過起始壓力的25%。lPR25.0m 假定流速法 汽、水同向流動時 80m/s汽、水逆向流動時 0.005，查表選用管徑。疏水器以后：余壓回水，在室外凝水管網(wǎng)中介紹。計算公式：同室外供熱管網(wǎng)。注意：密度變化。采用圖表計算要注意修正：密度修正；粗糙度修正。4.2.4 室外蒸汽管網(wǎng)的水力計算 4.2.5 凝結(jié)水管網(wǎng)的水力計

10、算方法 管段AB散熱設(shè)備疏水器。非滿管流。前面已在“室內(nèi)高壓蒸汽供暖管網(wǎng)水力計算”中介紹。管段BC乳狀混合物的兩相流。要計算混合物的密度。按（4-2-13）（4-2-14）。1）疏水器二次蒸發(fā)箱2）疏水器凝結(jié)水箱（沿圖中蘭色管道路徑）對于1），距離較短，按余壓凝水管道計算表計算、修正；對于2）按室外熱水管網(wǎng)水力計算表計算、修正。局部阻力按百分數(shù)估計。管段CD 飽和凝水。按資用動力確定平均比摩阻，利用室外供熱管道計算表確定管徑。管段DE 凝水泵輸送凝水，滿管流。按流速12m/s，用室外供熱管道計算表確定管徑并計算阻力、確定水泵所需揚程。注意修正。4.3 氣固兩相流管網(wǎng)水力特征與水力計算4.3.1

11、 氣固兩相流水力特征（1）物料的沉降速度和懸浮速度）（1343)(411RfCgdv粉狀物料與粒狀物料，根據(jù)不同的雷諾數(shù)，阻力系數(shù)CR有不同的計算公式。若氣體處于靜止狀態(tài)，則vf是顆粒的沉降速度；若顆粒處于懸浮狀態(tài)，則vf是使顆粒處于懸浮狀態(tài)的豎直向上的氣流速度，稱為顆粒的懸浮速度。（2）氣固兩相流中物料的運動狀態(tài) 實際的豎直管道中，要使物料懸浮，所需速度比理論懸浮速度大得多；水平管中，氣流速度不是使物料懸浮的直接動力，所需速度更大。輸料管內(nèi)氣固兩相流的運動狀態(tài)，隨氣流速度和料氣比的不同而改變：分別呈懸浮懸浮流流、底密流、疏密流、停滯流、部分流、柱塞流狀態(tài)。（3）氣固兩相流的阻力特征 c點是臨

12、界狀態(tài)點，此時顆粒群剛處于完全懸浮狀態(tài)，阻力最小。臨界狀態(tài)的流速稱為臨界流速。圖4-3-3 兩相流阻力與流速的關(guān)系（4）氣固兩相流管網(wǎng)的主要參數(shù) 1）料氣比：單位時間內(nèi)通過管道的物料量與空氣量的比值。根據(jù)經(jīng)驗，一般低壓吸送式系統(tǒng)1=14，低壓壓送式系統(tǒng)1=110，循環(huán)式系統(tǒng)1=1左右，高真空吸送式系統(tǒng)1=2070。LGGG1112）輸送風(fēng)速：可以按懸浮速度的某一倍數(shù)來定，一般取2.44.0倍，對大密度粘結(jié)性物料取510倍。輸送風(fēng)速也可按臨界風(fēng)速來定，例如砂子等粒狀物料，其輸送風(fēng)速為臨界風(fēng)速的1.22.0倍。通常參考經(jīng)驗數(shù)據(jù)，見表4-3-1。3）物料速度和速比：物料速度指管道中顆粒群的最大速度。

13、氣流必須用一部分能量使物料顆粒懸浮，然后再推動顆粒運動，因此，物料速度v1小于輸送風(fēng)速v。物料速度與輸送風(fēng)速之比稱為速比。vvv5.79.014.3.2 氣固兩相流管網(wǎng)水力計算 兩相流的阻力看作是單相氣流的阻力與物料顆粒引起的附加阻力之和。分別計算：1）喉管或吸嘴的阻力 2）物料的加速阻力 3）物料的懸浮阻力 4）物料的提升阻力 5）管道的摩擦阻力 6）彎管阻力 7）分離器阻力 8）其他部件的阻力 討論：1）水力計算在流體輸配管網(wǎng)設(shè)計及運行管理中的作用。2）各種類型工程管網(wǎng)水力計算的共同點與不同之處。3）各種水力計算方法的共同點與不同之處。肚松衯宸&愮鐝D)?$?d悡!餯怉 扈鋹A 嘬貑 d?

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