流体在管道中的流动

引　子

在实际工程和生活中，采用管道输水、输油和送气是非常普遍的。如城乡居民使用的自来水管道，热能、水力发电厂内的技术供水、供油、供气管道系统，水利水电工程中的压力隧洞和压力管道，还有人体内部输送血液、气体及其他体液的血管、气管，等等，都是常见的输送流体的管道。因此讨论流体在管道内作定常流的分析和计算问题是具有普遍实用意义的。

我们在生活中使用自来水系统时，可以感到在高处(楼房高层)有水使用，在低处(楼房底层)也有水使用。可以感到有的地方水压大，打开水龙头出水量大;有的地方水压小，打开水龙头出水量小。还可以感到直径粗的水管流速较小，能量损失也较小，直径较细的水管流速较大，能量损失也较大。从第5章可知管道内反映流体压强的压强水头和反映流体所处高低的位置水头，以及反映流体速度的流速水头都属于能量的范畴，这三者在流动过程中是可以相互转换的，并且还伴有能量损失。可见流体在管道内的流动分析，其实质就是能量输入、能量转换和能量确定。

有句老话“人往高处走，水往低处流”，后一句话对管道流动是不合适的。生活和工程中有许多例子可以说明管道中的流体不仅可以沿管道向低处流，还可以沿管道向高处流;不仅有压强高处的流体沿管道向压强低处流，还有压强低处的流体沿管道向压强高处流;不仅有流速高处的流体沿管道向流速低处流，还有流速低处的流体沿管道向流速高处流。由于实际流体在管道流动中存在着能量损失，在管道中的流体只是由能量高处的向能量低处的流动。

流体完全充满着管道全部横截面的流动，称为管流。这时，由于管道内完全不存在自由液面，并且管壁处处受水流压强的作用，因此，管流也称为有压流。若管流中的所有流动参数均不随时间变化，则称为有压管道中的定常流。当流体没有完全充满管道全部横截面，管道中存在与大气相通的自由液面时，尽管有流体在管道中流动，但此时已不再是管流，而是无压流，属于明渠流的范畴。本章将要讨论有压管道中的定常流，管道内的无压流动将在第8章明渠流动中讨论。

由前面章节的讨论可知，进行有压管道定常流的分析和计算，所依据的基本原理是一维总流的连续方程和能量方程，主要的工作量在于对沿程水头损失和局部水头损失的计算。为方便计算，可以根据这两种损失在管道系统所占的比重，将管道系统分为长管和短管两种类别:所谓长管是指管道的水头损失是以沿程水头损失为主，局部水头损失和流速水头与沿程水头损失的百分比小于5%，计算时可以忽略局部水头损失和流速水头的管道系统;而所谓短管是指局部水头损失和流速水头在总损失中占较大的比例，计算时不可忽略的管道系统。

根据管道的布置，可以将管道系统分为简单管道和复杂管道。简单管道是指管径不变的单根管道;复杂管道是指由两根以上管道组成的管道系统。根据组合情况，复杂管道可以分为串联管道、并联管道以及树枝状和环状管网。

有压管道定常流的水力计算问题主要有以下几种情况:

(1)给定管道系统的布置、管径及系统作用水头，计算和校核输送流量;

(2)已知管道系统所需的输送流量，确定管径;

(3)根据管道系统的流量和管径，求系统所必须的作用水头;

(4)由设定的管道尺寸和输送的流量，分析沿管道各截面的动水压强的变化情况。