第 4章 多相流管网水力特征与
水力计算
4.1 液气两相流管网水力特征与水力计算
工程背景：
? 建筑排水管网
? 空调凝结水管网
? 蒸汽供暖管网
4.1.1 液气两相流管网水力特征
4.1.1.1 建筑内部排水流动特点及水封
（ 1）流动特点
? 气、液、固均存在，固较少，视为液气两相流。
? 水量、气压时变幅度大。
? 流速随空间变化剧烈 。横支管进入立管，流速
激
增，水汽混合；立管进入横总管，流速急降，水
气分离。
（ 2）水封
? 水封
? 水封位置
? 水封高度
? 水封破坏
4.1.1.2 横管内水流状态
（ 1）能量
g
v
h
g
vK
e 22
22
0 ??
（ 2）状态 图 4-1-1 横管内水流状态示意图1-水膜状高速水流； 2-气体
（ 3）管内压力
1）横支管内压力变化
2）横干管内压力变化
更为剧烈。特别注意对
建筑 下部几层横支管 的
影响，要与横干管保持
一定的垂直距离。
4.1.1.3 立管中水流状态
排水立管上接各层排水横支管，下接横干管或排出管，
立管内水流呈竖直下落流动状态，水流能量转换和管内压
力变化剧烈 。
（ 1）排水立管水流特点
1）断续的非均匀流
2）水气两相流
3）管内压力变化
图 4-1-3 排水管内压力分布示意图
（ 2）排水立管中水流流动状态
1）附壁螺旋流
排水量较小，立管中心气流仍旧正常，气压较稳定。这种状态历时很短 。
2）水膜流
有一定厚度的带有横向隔膜的附壁环状流。随水流下降流速的增加，水膜所
受管壁摩擦力增加。当水膜受向上的管壁摩擦力与重力达到平衡时，下降速
度和厚度不再发生变化，这时的流速叫终限流速（ vt）。从横支管水流入口
至终限流速形成处的高度叫终限长度（ lt）。横向隔膜不稳定, 形成与破坏
交替进行 。 在水膜流阶段，立管内气压有波动，但其变化不会破坏水封。
3）水塞流
随排水量继续增加，水膜厚度不断增加，隔膜下部压力不能冲破水膜，最后
形成较稳定的水塞。水塞向下运动，管内气体压力波动剧烈，水封破坏，整
个排水系统不能正常使用。
? 这 3个阶段流动状态的形成与管径和排水量有
关。也就是与水流充满立管断面的大小有关。
? 排水立管内的水流状态应为水膜流。实验表明，
在设有专用通气立管的排水系统中：
水塞流。
水膜流；
附壁螺旋流；
,
3
1
,
3
1
~
4
1
,
4
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a
a
a
W
W
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j
t
（ 3）水膜流运动的力学分析
? 水膜区以水为主的水气两相流，忽略气；
? 气核区以气为主的气水两相流，忽略水。
? 经分析推导，得出：
5
2
10
1
175.1
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???
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4.1.1.4 排水管在水膜流时的通水能力
4
10
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W
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4.1.1.5 影响立管内压力波动的因素及防止措施
(1) 影响排水 立管内部压力 的因素
确保立管内通水能力和防止水封破坏是建筑内部排
水系统中两个最重要的问题，这两个问题都与立管内压
力有关。最大负压：
2)1(
2
1
t
j
vK
d
lP ??? ?????
（ 2）稳定立管压力增大通水能力的措施
? 减小 终限流速
? 减小水舌 阻力系数 K
4.1.2 建筑排水管网的水力计算
4.1.2.1 横管的水力计算
1、设计规定
（ 1）充满度
（ 2）自净流速
（ 3）管道坡度
（ 4）最小管径
2,横管水力计算方法
? 对于横干管和连接多个卫生用水器具的横
支管，应逐段计算各管段的排水设计秒流
量，通过水力计算来确定各管段的管径和
坡度。建筑内部横向管道按明渠均匀流公
式计算 。
s/m
1
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2
1
3
2
3
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n
v
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水力计算表见, 建筑给水排水工程, （第四版）附录 6-1和 6-2
L / s 12.0 m a xqNq Pu ?? ?
4.1.2.2 立管水力计算
? 排水立管按通气方式分为普通伸顶通气、
专用通气立管通气、特制配件伸顶通气和
无通气四种情况。
? 四种情况的排水立管最大允许通水能力见
表 4-1-9，设计时先计算立管的设计秒流量，
然后查 表 4-1-9确定管径。
4.1.2.3 通气管道计算
? 按工程实际情况，查取有关手册、参考资
料确定。
自学 【 例 4-1】
?参考书：
,建筑给水排水工程, （第四版）
4.1.3 空调凝结水管路系统的设计
? 各种空调设备（例如风机盘管机组，柜式
空调机，新风机组，组合式空调箱等）在
运行过程中产生凝结水。
? 较之建筑排水管网，凝结水管网内的流动
稳定性要好得多，气压波动很小。
? 设计要点：管材；坡度；水封；通气；保
温；冲洗的可能性。
通常，可以根据机组的冷负荷 Q（ kW）
按下列数据近似选定冷凝水管的公称直径：
Q≤7kW时, DN=20mm
Q=7.1～ 17.6kW时, DN=25mm
Q=17.7～ 100kW时, DN=32mm
Q=101～ 176kW时, DN=40mm
Q=177～ 598kW时, DN=50mm
Q=599～ 1055kW时, DN=80mm
Q=1056～ 1512kW时, DN100mm
Q=1513～ 12462kW时, DN=125m
Q＞ 12462kW时, DN=150mm
4.2 汽液两相流管网水力特征与水力计算
4.2.1 汽液两相流管网水力特征与保障正常流
动的技术措施
? 汽、液相的相互转变：
蒸汽－－凝水；凝结水－－二次汽化。形成流动阻碍。
? 水击产生及防止
蒸汽管路中的凝水不能顺利排走，遇到阻碍，在高速下（ >20m/s)
与管壁、管件撞击。
尽量汽、水同向流，逆向流时采用低流速；及时排除凝水。
? 系统引入和排除空气
停止运行时，引入空气以排除凝水；开始运行，排除空气。
? 凝结水回收
重力回水
余压回水
机械回水
? 二次蒸汽利用
4.2.2 室内低压蒸汽供暖管网水力计算
（ 1）蒸汽管路
? 资用动力
锅炉出口（或建筑物采暖管网入口）蒸汽压力。
? 密度：常数。
? 计算方法
压损平均法－－平均比摩阻
?
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l
PPR )( 0g
m
?
P0一般取 2000Pa； Pg较大时,Rm可能很大，可能导
致流速过大。这时，控制比摩阻 <100Pa/m。
? 计算次序
最不利管路－－其他管路
? 流速限制
汽水同向,<30m/s
汽水逆向,<20m/s
实际采用更低。
? 蒸汽供暖管网的“周期性”和“自调
节性”
原因：疏水器的作用
（ 2）凝水管路
? 干凝水管路
非满管流。按负担的热负荷查表确定管
径。前提：坡度 0.005。
? 湿凝水管路
按负担的热负荷查表确定管径。
计算表参考, 供热工程, （第三版 ）
4.2.3 室内高压蒸汽供暖管网水力计算
（ 1）蒸汽管道：
? 压损平均法
?? l
PR ?25.0
m
? 假定流速法
汽、水同向流动时 <80m/s
汽、水逆向流动时 <60m/s
推荐采用 15～ 40m/s（小管径取低值）
? 限制平均比摩阻法
高压蒸汽供暖的干管的总压降不应超过凝水干管总压
降的 1.2～ 1.5倍
（ 2）凝水管道
? 散热设备 —— 疏水器
非满管流的，保证坡降 I>0.005，查表选用
管径。
疏水器以后：余压回水，在室外凝水管网中
介绍。
? 计算公式：同室外供热管网。
? 注意：密度变化。
? 采用图表计算要注意修正：密度；粗糙度。
4.2.4 室外蒸汽管网的水力计算
4.2.5 凝结水管网的水力计算方法
? 管段 A— B
散热设备 — 疏水器。非满管流。前面已在“室内高压蒸
汽供暖管网水力计算”中介绍。
? 管段 B— C
乳状混合物的两相流。
要计算混合物的密度。按（ 4-2-13）（ 4-2-14）。
1）疏水器 — 二次蒸发箱
2）疏水器 — 凝结水箱（沿图中绿色管道路径）
对于 1），距离较短，按余压凝水管道计算表计算、修正；
对于 2），按室外热水管网水力计算表计算、修正。
局部阻力按百分数估计。
? 管段 C— D
饱和凝水。按资用动力确定平均比摩阻，
利用室外供热计算表确定管径。
? 管段 D— E
凝水泵输送凝水，满管流。按流速
1~2m/s，用室外供热计算表确定管径并计算阻
力、确定水泵所需扬程。注意修正。
4.3 气固两相流管网水力特征与水力计算
4.3.1 气固两相流水力特征
（ 1）物料的沉降速度和悬浮速度
） （ 1343 )(4 11 ????
R
f C
gdv
?
??
粉状物料与粒状物料，根据不同的雷诺数，可得不同
的计算公式。
若气体处于静止状态，则 vf是颗粒的沉降速度；若颗粒
处于悬浮状态，则 vf是使颗粒处于悬浮状态的竖直向上的气
流速度，称为颗粒的悬浮速度。
（ 2） 气固两相流中物料的运动状态
? 竖直管道中，要使物料悬浮，所需速度比
理论悬浮速度大得多；
? 水平管中，气流速度不是使物料悬浮的直
接动力，所需速度更大。
? 输料管内气固两相流的运动状态，随气流
速度和料气比的不同而改变：分别呈 悬浮
流, 底密流, 疏密流, 停滞流, 部分
流, 柱塞流 状态。
（ 3）气固两相流的阻力特征
c点是临界状态
点，此时颗粒群
刚处于完全悬浮
状态，阻力最小。
临界状态的流速
称为临界流速。
图 4-3-3 两相流阻力与流速的关系
（ 4） 气固两相流管网的主要参数
1） 料气比,单位时间内通过管道的物料量与空气
量的比值。根据经验，一般低压吸送式系统
μ 1=1～ 4，低压送式系统 μ 1=1～ 10，循环式系
统 μ 1=1左右，高真空吸送式系统 μ 1=20～ 70。
?? ??? L
G
G
G 11
1
2） 输送风速,可以按悬浮速度的某一倍数来定，
一般取 2.4～ 4.0倍，对大密度粘结性物料取 5～ 10
倍。输送风速也可按临界风速来定，例如砂子等粒
状物料，其输送风速为临界风速的 1.2～ 2.0倍。通
常参考经验数据，如表 4-3-1。
3）物料速度和速比：气流必须用一部分能
量使物料颗粒悬浮，然后再推动颗粒运动，
因此，物料速度 v1小于输送风速 v。物料速
度与输送风速之比称为速比。
vv
v 5.79.01 ??
4.3.2 气固两相流管网水力计算
? 两相流的阻力看作是单相气流的阻力与物料颗
粒引起的附加阻力之和。
? 分别计算：
1）喉管或吸嘴的阻力
2）物料的加速阻力
3）物料的悬浮阻力
4）物料的提升阻力
5）管道的摩擦阻力
6）弯管阻力
7）分离器阻力
8）其他部件的阻力
水力计算
4.1 液气两相流管网水力特征与水力计算
工程背景：
? 建筑排水管网
? 空调凝结水管网
? 蒸汽供暖管网
4.1.1 液气两相流管网水力特征
4.1.1.1 建筑内部排水流动特点及水封
（ 1）流动特点
? 气、液、固均存在，固较少，视为液气两相流。
? 水量、气压时变幅度大。
? 流速随空间变化剧烈 。横支管进入立管，流速
激
增，水汽混合；立管进入横总管，流速急降，水
气分离。
（ 2）水封
? 水封
? 水封位置
? 水封高度
? 水封破坏
4.1.1.2 横管内水流状态
（ 1）能量
g
v
h
g
vK
e 22
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0 ??
（ 2）状态 图 4-1-1 横管内水流状态示意图1-水膜状高速水流； 2-气体
（ 3）管内压力
1）横支管内压力变化
2）横干管内压力变化
更为剧烈。特别注意对
建筑 下部几层横支管 的
影响，要与横干管保持
一定的垂直距离。
4.1.1.3 立管中水流状态
排水立管上接各层排水横支管，下接横干管或排出管，
立管内水流呈竖直下落流动状态，水流能量转换和管内压
力变化剧烈 。
（ 1）排水立管水流特点
1）断续的非均匀流
2）水气两相流
3）管内压力变化
图 4-1-3 排水管内压力分布示意图
（ 2）排水立管中水流流动状态
1）附壁螺旋流
排水量较小，立管中心气流仍旧正常，气压较稳定。这种状态历时很短 。
2）水膜流
有一定厚度的带有横向隔膜的附壁环状流。随水流下降流速的增加，水膜所
受管壁摩擦力增加。当水膜受向上的管壁摩擦力与重力达到平衡时，下降速
度和厚度不再发生变化，这时的流速叫终限流速（ vt）。从横支管水流入口
至终限流速形成处的高度叫终限长度（ lt）。横向隔膜不稳定, 形成与破坏
交替进行 。 在水膜流阶段，立管内气压有波动，但其变化不会破坏水封。
3）水塞流
随排水量继续增加，水膜厚度不断增加，隔膜下部压力不能冲破水膜，最后
形成较稳定的水塞。水塞向下运动，管内气体压力波动剧烈，水封破坏，整
个排水系统不能正常使用。
? 这 3个阶段流动状态的形成与管径和排水量有
关。也就是与水流充满立管断面的大小有关。
? 排水立管内的水流状态应为水膜流。实验表明，
在设有专用通气立管的排水系统中：
水塞流。
水膜流；
附壁螺旋流；
,
3
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（ 3）水膜流运动的力学分析
? 水膜区以水为主的水气两相流，忽略气；
? 气核区以气为主的气水两相流，忽略水。
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4.1.1.4 排水管在水膜流时的通水能力
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4.1.1.5 影响立管内压力波动的因素及防止措施
(1) 影响排水 立管内部压力 的因素
确保立管内通水能力和防止水封破坏是建筑内部排
水系统中两个最重要的问题，这两个问题都与立管内压
力有关。最大负压：
2)1(
2
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（ 2）稳定立管压力增大通水能力的措施
? 减小 终限流速
? 减小水舌 阻力系数 K
4.1.2 建筑排水管网的水力计算
4.1.2.1 横管的水力计算
1、设计规定
（ 1）充满度
（ 2）自净流速
（ 3）管道坡度
（ 4）最小管径
2,横管水力计算方法
? 对于横干管和连接多个卫生用水器具的横
支管，应逐段计算各管段的排水设计秒流
量，通过水力计算来确定各管段的管径和
坡度。建筑内部横向管道按明渠均匀流公
式计算 。
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1
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水力计算表见, 建筑给水排水工程, （第四版）附录 6-1和 6-2
L / s 12.0 m a xqNq Pu ?? ?
4.1.2.2 立管水力计算
? 排水立管按通气方式分为普通伸顶通气、
专用通气立管通气、特制配件伸顶通气和
无通气四种情况。
? 四种情况的排水立管最大允许通水能力见
表 4-1-9，设计时先计算立管的设计秒流量，
然后查 表 4-1-9确定管径。
4.1.2.3 通气管道计算
? 按工程实际情况，查取有关手册、参考资
料确定。
自学 【 例 4-1】
?参考书：
,建筑给水排水工程, （第四版）
4.1.3 空调凝结水管路系统的设计
? 各种空调设备（例如风机盘管机组，柜式
空调机，新风机组，组合式空调箱等）在
运行过程中产生凝结水。
? 较之建筑排水管网，凝结水管网内的流动
稳定性要好得多，气压波动很小。
? 设计要点：管材；坡度；水封；通气；保
温；冲洗的可能性。
通常，可以根据机组的冷负荷 Q（ kW）
按下列数据近似选定冷凝水管的公称直径：
Q≤7kW时, DN=20mm
Q=7.1～ 17.6kW时, DN=25mm
Q=17.7～ 100kW时, DN=32mm
Q=101～ 176kW时, DN=40mm
Q=177～ 598kW时, DN=50mm
Q=599～ 1055kW时, DN=80mm
Q=1056～ 1512kW时, DN100mm
Q=1513～ 12462kW时, DN=125m
Q＞ 12462kW时, DN=150mm
4.2 汽液两相流管网水力特征与水力计算
4.2.1 汽液两相流管网水力特征与保障正常流
动的技术措施
? 汽、液相的相互转变：
蒸汽－－凝水；凝结水－－二次汽化。形成流动阻碍。
? 水击产生及防止
蒸汽管路中的凝水不能顺利排走，遇到阻碍，在高速下（ >20m/s)
与管壁、管件撞击。
尽量汽、水同向流，逆向流时采用低流速；及时排除凝水。
? 系统引入和排除空气
停止运行时，引入空气以排除凝水；开始运行，排除空气。
? 凝结水回收
重力回水
余压回水
机械回水
? 二次蒸汽利用
4.2.2 室内低压蒸汽供暖管网水力计算
（ 1）蒸汽管路
? 资用动力
锅炉出口（或建筑物采暖管网入口）蒸汽压力。
? 密度：常数。
? 计算方法
压损平均法－－平均比摩阻
?
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P0一般取 2000Pa； Pg较大时,Rm可能很大，可能导
致流速过大。这时，控制比摩阻 <100Pa/m。
? 计算次序
最不利管路－－其他管路
? 流速限制
汽水同向,<30m/s
汽水逆向,<20m/s
实际采用更低。
? 蒸汽供暖管网的“周期性”和“自调
节性”
原因：疏水器的作用
（ 2）凝水管路
? 干凝水管路
非满管流。按负担的热负荷查表确定管
径。前提：坡度 0.005。
? 湿凝水管路
按负担的热负荷查表确定管径。
计算表参考, 供热工程, （第三版 ）
4.2.3 室内高压蒸汽供暖管网水力计算
（ 1）蒸汽管道：
? 压损平均法
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? 假定流速法
汽、水同向流动时 <80m/s
汽、水逆向流动时 <60m/s
推荐采用 15～ 40m/s（小管径取低值）
? 限制平均比摩阻法
高压蒸汽供暖的干管的总压降不应超过凝水干管总压
降的 1.2～ 1.5倍
（ 2）凝水管道
? 散热设备 —— 疏水器
非满管流的，保证坡降 I>0.005，查表选用
管径。
疏水器以后：余压回水，在室外凝水管网中
介绍。
? 计算公式：同室外供热管网。
? 注意：密度变化。
? 采用图表计算要注意修正：密度；粗糙度。
4.2.4 室外蒸汽管网的水力计算
4.2.5 凝结水管网的水力计算方法
? 管段 A— B
散热设备 — 疏水器。非满管流。前面已在“室内高压蒸
汽供暖管网水力计算”中介绍。
? 管段 B— C
乳状混合物的两相流。
要计算混合物的密度。按（ 4-2-13）（ 4-2-14）。
1）疏水器 — 二次蒸发箱
2）疏水器 — 凝结水箱（沿图中绿色管道路径）
对于 1），距离较短，按余压凝水管道计算表计算、修正；
对于 2），按室外热水管网水力计算表计算、修正。
局部阻力按百分数估计。
? 管段 C— D
饱和凝水。按资用动力确定平均比摩阻，
利用室外供热计算表确定管径。
? 管段 D— E
凝水泵输送凝水，满管流。按流速
1~2m/s，用室外供热计算表确定管径并计算阻
力、确定水泵所需扬程。注意修正。
4.3 气固两相流管网水力特征与水力计算
4.3.1 气固两相流水力特征
（ 1）物料的沉降速度和悬浮速度
） （ 1343 )(4 11 ????
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粉状物料与粒状物料，根据不同的雷诺数，可得不同
的计算公式。
若气体处于静止状态，则 vf是颗粒的沉降速度；若颗粒
处于悬浮状态，则 vf是使颗粒处于悬浮状态的竖直向上的气
流速度，称为颗粒的悬浮速度。
（ 2） 气固两相流中物料的运动状态
? 竖直管道中，要使物料悬浮，所需速度比
理论悬浮速度大得多；
? 水平管中，气流速度不是使物料悬浮的直
接动力，所需速度更大。
? 输料管内气固两相流的运动状态，随气流
速度和料气比的不同而改变：分别呈 悬浮
流, 底密流, 疏密流, 停滞流, 部分
流, 柱塞流 状态。
（ 3）气固两相流的阻力特征
c点是临界状态
点，此时颗粒群
刚处于完全悬浮
状态，阻力最小。
临界状态的流速
称为临界流速。
图 4-3-3 两相流阻力与流速的关系
（ 4） 气固两相流管网的主要参数
1） 料气比,单位时间内通过管道的物料量与空气
量的比值。根据经验，一般低压吸送式系统
μ 1=1～ 4，低压送式系统 μ 1=1～ 10，循环式系
统 μ 1=1左右，高真空吸送式系统 μ 1=20～ 70。
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2） 输送风速,可以按悬浮速度的某一倍数来定，
一般取 2.4～ 4.0倍，对大密度粘结性物料取 5～ 10
倍。输送风速也可按临界风速来定，例如砂子等粒
状物料，其输送风速为临界风速的 1.2～ 2.0倍。通
常参考经验数据，如表 4-3-1。
3）物料速度和速比：气流必须用一部分能
量使物料颗粒悬浮，然后再推动颗粒运动，
因此，物料速度 v1小于输送风速 v。物料速
度与输送风速之比称为速比。
vv
v 5.79.01 ??
4.3.2 气固两相流管网水力计算
? 两相流的阻力看作是单相气流的阻力与物料颗
粒引起的附加阻力之和。
? 分别计算：
1）喉管或吸嘴的阻力
2）物料的加速阻力
3）物料的悬浮阻力
4）物料的提升阻力
5）管道的摩擦阻力
6）弯管阻力
7）分离器阻力
8）其他部件的阻力
