第三章 給水排水管網(wǎng)水力學(xué)基礎(chǔ)[課堂課資]

1、第三章第三章 給水排水管網(wǎng)水力學(xué)基礎(chǔ)給水排水管網(wǎng)水力學(xué)基礎(chǔ) 1章節(jié)內(nèi)容 圖圖3 3 雷諾實(shí)驗(yàn)裝置示意圖雷諾實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 顏色水顏色水 t V Q 3.1 給水排水管網(wǎng)水力學(xué)基礎(chǔ)給水排水管網(wǎng)水力學(xué)基礎(chǔ) 雷諾實(shí)驗(yàn)雷諾實(shí)驗(yàn) 2章節(jié)內(nèi)容 3.1 給水排水管網(wǎng)水力學(xué)基礎(chǔ)給水排水管網(wǎng)水力學(xué)基礎(chǔ) 層流層流 過(guò)渡流過(guò)渡流 紊流紊流 v上 v 小 v大 v下 v小 v大 （b）振蕩搖擺的波形色線振蕩搖擺的波形色線 （c）色線破裂擴(kuò)散色線破裂擴(kuò)散 （a）平穩(wěn)而鮮明的細(xì)色線平穩(wěn)而鮮明的細(xì)色線 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 3章節(jié)內(nèi)容 3.1 給水排水管網(wǎng)水力學(xué)基礎(chǔ)給水排水管網(wǎng)水力學(xué)基礎(chǔ) 流態(tài)特征流態(tài)特征 層流層流 Re400

2、0 n過(guò)渡流過(guò)渡流 20004000 給水排水管網(wǎng)水流一般處在給水排水管網(wǎng)水流一般處在紊流流態(tài)紊流流態(tài) 紊流流態(tài)分為三個(gè)阻力特征區(qū)：紊流流態(tài)分為三個(gè)阻力特征區(qū)： n阻力平方區(qū)阻力平方區(qū) 水頭損失與流速平方成正比水頭損失與流速平方成正比 n過(guò)渡區(qū)過(guò)渡區(qū) 水頭損失和流速水頭損失和流速1.752次方成正比次方成正比 n水力光滑管區(qū)水力光滑管區(qū) 水頭損失和流速水頭損失和流速1.75次方成正比次方成正比 給水排水管網(wǎng)水流一般處在給水排水管網(wǎng)水流一般處在阻力平方區(qū)和過(guò)渡區(qū)阻力平方區(qū)和過(guò)渡區(qū) 4章節(jié)內(nèi)容 恒定流與非恒定流恒定流與非恒定流 n給水排水管網(wǎng)中，給水排水管網(wǎng)中，水流水力因素隨時(shí)間變化水流水力因素隨

3、時(shí)間變化， 屬于非恒定流，水力計(jì)算復(fù)雜。屬于非恒定流，水力計(jì)算復(fù)雜。 n在設(shè)計(jì)時(shí)一般只能按恒定流計(jì)算。在設(shè)計(jì)時(shí)一般只能按恒定流計(jì)算。 5章節(jié)內(nèi)容 均勻流與非均勻流均勻流與非均勻流 n非均勻流：非均勻流：水流參數(shù)隨空間變化水流參數(shù)隨空間變化。 滿管流動(dòng)滿管流動(dòng) 1）如果管道截面在一段距離內(nèi)不變且不發(fā)生轉(zhuǎn)彎，）如果管道截面在一段距離內(nèi)不變且不發(fā)生轉(zhuǎn)彎， 為均勻流，管道對(duì)水流阻力沿程不變，采用為均勻流，管道對(duì)水流阻力沿程不變，采用沿程水沿程水 頭損失公式頭損失公式計(jì)算；計(jì)算； 2）當(dāng)管道在局部分叉、轉(zhuǎn)彎與變截面時(shí)，流動(dòng)為）當(dāng)管道在局部分叉、轉(zhuǎn)彎與變截面時(shí)，流動(dòng)為 非均勻流，采用非均勻流，采用局部水頭

4、損失公式局部水頭損失公式計(jì)算。計(jì)算。 非滿管流或渠流，只要長(zhǎng)距離截面不變，可以近似非滿管流或渠流，只要長(zhǎng)距離截面不變，可以近似 為均勻流。為均勻流。 6章節(jié)內(nèi)容 壓力流與重力流壓力流與重力流 n壓力流壓力流輸水通過(guò)封閉的管道進(jìn)行，水流阻力主要依輸水通過(guò)封閉的管道進(jìn)行，水流阻力主要依 靠水的壓能克服，靠水的壓能克服，阻力大小只與管道內(nèi)壁粗糙程度阻力大小只與管道內(nèi)壁粗糙程度 有關(guān)、管道長(zhǎng)度和流速有關(guān)，與管道埋設(shè)深度和坡有關(guān)、管道長(zhǎng)度和流速有關(guān)，與管道埋設(shè)深度和坡 度無(wú)關(guān)度無(wú)關(guān)。 n重力流重力流管渠中水面與大氣相通，非滿流，水流阻力管渠中水面與大氣相通，非滿流，水流阻力 依靠水的位能克服，形成水面沿

5、水流方向降低。依靠水的位能克服，形成水面沿水流方向降低。 n給水多壓力流，排水多重力流；給水多壓力流，排水多重力流； n長(zhǎng)距離輸水重力流，排水泵站出水管、倒虹管壓力長(zhǎng)距離輸水重力流，排水泵站出水管、倒虹管壓力 流。流。 7章節(jié)內(nèi)容 水流的水頭與水頭損失水流的水頭與水頭損失 水頭：?jiǎn)挝恢亓康牧黧w所具有的機(jī)械能，水頭：?jiǎn)挝恢亓康牧黧w所具有的機(jī)械能， 用用h或或H表示，單位米水柱表示，單位米水柱(mH2O)。 n位置水頭位置水頭Z n壓力水頭壓力水頭P/r 測(cè)壓管水頭測(cè)壓管水頭 n流速水頭流速水頭v2/2g 8章節(jié)內(nèi)容 水頭損失水頭損失 n流體克服流動(dòng)阻力所消耗的機(jī)械能稱為水頭損失。流體克服流動(dòng)阻力

6、所消耗的機(jī)械能稱為水頭損失。 n當(dāng)流體受固定邊界限制做均勻流動(dòng)時(shí)，流動(dòng)阻力中當(dāng)流體受固定邊界限制做均勻流動(dòng)時(shí)，流動(dòng)阻力中 只有沿程不變的切應(yīng)力，稱為沿程阻力。由沿程阻只有沿程不變的切應(yīng)力，稱為沿程阻力。由沿程阻 力引起的水頭損失成為力引起的水頭損失成為沿程水頭損失。沿程水頭損失。 n當(dāng)流體的固定邊界發(fā)生突然變化，引起流速分布或當(dāng)流體的固定邊界發(fā)生突然變化，引起流速分布或 方向發(fā)生變化，從而集中發(fā)生在較短范圍的阻力稱方向發(fā)生變化，從而集中發(fā)生在較短范圍的阻力稱 為局部阻力。由局部阻力引起的水頭損失成為為局部阻力。由局部阻力引起的水頭損失成為局部局部 水頭損失水頭損失。 9章節(jié)內(nèi)容 3.2 管渠水

7、頭損失計(jì)算管渠水頭損失計(jì)算 謝才公式謝才公式 hf沿程水頭損失，沿程水頭損失，m； v過(guò)水?dāng)嗝嫫骄魉?，過(guò)水?dāng)嗝嫫骄魉?，m/s； C謝才系數(shù)；謝才系數(shù)； R過(guò)水?dāng)嗝嫠Π霃?，過(guò)水?dāng)嗝嫠Π霃?，m，圓管流，圓管流R=0.25D； l管渠長(zhǎng)度，管渠長(zhǎng)度，m。 l RC v hf 2 2 3.2.1 沿程水頭損失計(jì)算沿程水頭損失計(jì)算 10章節(jié)內(nèi)容 沿程水頭損失計(jì)算沿程水頭損失計(jì)算 對(duì)于圓管滿流，對(duì)于圓管滿流，達(dá)西公式達(dá)西公式： D管段直徑，管段直徑，m； g 重力加速度，重力加速度，m/s 2； 沿程阻力系數(shù)，沿程阻力系數(shù)， =8g/C2 g v D l h f 2 2 11章節(jié)內(nèi)容 謝才系數(shù)或沿

8、程阻力系數(shù)的確定謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)的確定 （1）舍維列夫公式）舍維列夫公式 適用于舊鑄鐵管和舊鋼管滿管紊流適用于舊鑄鐵管和舊鋼管滿管紊流，水溫，水溫10 度，常用于給水管道水力計(jì)算。度，常用于給水管道水力計(jì)算。 smv vD smv D g /2 . 1) 867. 0 1 ( 001824. 0 /2 . 1 00214. 0 3 . 0 3 . 0 3 . 0 12章節(jié)內(nèi)容 （2）海曾）海曾-威廉公式威廉公式 適用于較光滑的圓管滿流管紊流計(jì)算適用于較光滑的圓管滿流管紊流計(jì)算，主，主 要用于給水管道水力計(jì)算。要用于給水管道水力計(jì)算。 q流量，流量，m3/s； Cw海曾海曾-威廉粗糙系數(shù)。

9、威廉粗糙系數(shù)。 148. 0 852. 1 13. 0 16.13 qC gD w 謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)的確定謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)的確定 13章節(jié)內(nèi)容 （3）柯?tīng)柌蹇耍┛聽(tīng)柌蹇?懷特公式懷特公式 適用于各種紊流，是適用性和計(jì)算精度最適用于各種紊流，是適用性和計(jì)算精度最 高的公式之一高的公式之一。 e 管壁當(dāng)量粗糙度，管壁當(dāng)量粗糙度，m。常用管材的。常用管材的 e見(jiàn)教材見(jiàn)教材P51表表3.1 ) Re 462. 4 7D. 3 e (2lg 1 ) Re 462. 4 8 .14 lg(71.17 875. 0 875. 0 或 R e C 謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)的確定謝才系數(shù)或沿程阻力

10、系數(shù)的確定 14章節(jié)內(nèi)容 （4）巴甫洛夫斯基公式）巴甫洛夫斯基公式 適用于明渠流和非滿流排水管道計(jì)算適用于明渠流和非滿流排水管道計(jì)算。 BB B y2.5 n0.130.75 R( n0.1) n y B R C n 式中 巴甫洛夫斯基公式粗糙系數(shù) 謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)的確定謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)的確定 15章節(jié)內(nèi)容 （5）曼寧公式）曼寧公式 巴甫洛夫斯基公式中巴甫洛夫斯基公式中y=1/6時(shí)的特例，適時(shí)的特例，適 用于明渠或較粗糙的管道計(jì)算。用于明渠或較粗糙的管道計(jì)算。 nM曼寧公式粗糙系數(shù)。曼寧公式粗糙系數(shù)。 M n R C 6 謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)的確定謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)的確定 1

11、6章節(jié)內(nèi)容 沿程水頭損失計(jì)算公式的比較與選用沿程水頭損失計(jì)算公式的比較與選用 n柯?tīng)柌蹇丝聽(tīng)柌蹇?懷特公式懷特公式具有較高的精度具有較高的精度; n巴甫洛夫斯基公式巴甫洛夫斯基公式具有較寬的適用范圍，具有較寬的適用范圍， 1.0e 5.0mm; n曼寧公式曼寧公式適用于較粗糙的管道適用于較粗糙的管道, 0.5e 4.0mm; n海曾海曾-威廉公式威廉公式適用于較光滑的管道適用于較光滑的管道,e 0.25mm; n舍維列夫公式舍維列夫公式適用于適用于1.0e 1.5mm. 17章節(jié)內(nèi)容 局部水頭損失計(jì)算局部水頭損失計(jì)算 局部阻力系數(shù)。 ；局部水頭損失， m 2 2 m m h g v h 局

12、部阻力設(shè)施局部阻力設(shè)施 全開(kāi)閘閥0.1990。彎頭0.9 50%開(kāi)啟閘閥2.0645。彎頭0.4 截止閥35.5三通轉(zhuǎn)彎1.5 全開(kāi)蝶閥0.24三流直流0.1 18章節(jié)內(nèi)容 水頭損失公式的指數(shù)形式水頭損失公式的指數(shù)形式 n沿程水頭損失計(jì)算公式的指數(shù)形式：沿程水頭損失計(jì)算公式的指數(shù)形式： m f n ff m n f D kl ss mnk qshl D kq h f , , 摩阻系數(shù) 指數(shù)公式參數(shù) 或 19章節(jié)內(nèi)容 局部水頭損失公式的指數(shù)形式：局部水頭損失公式的指數(shù)形式： 參數(shù)海曾威廉公式曼寧公式舍維列夫公式 K10.67/Cw1.85210.29nM20.001798 n1.8522.01.

13、911 m4.875.3335.123 局部阻力系數(shù) m n m s qsh m 水頭損失公式的指數(shù)形式水頭損失公式的指數(shù)形式 20章節(jié)內(nèi)容 3.3 非滿流管渠水力計(jì)算非滿流管渠水力計(jì)算 排水管網(wǎng)和長(zhǎng)距離輸水工程常采用非滿管流。排水管網(wǎng)和長(zhǎng)距離輸水工程常采用非滿管流。 非滿管流水力計(jì)算的目的：非滿管流水力計(jì)算的目的： 確定管段流量、流速、斷面尺寸、充滿度和坡度確定管段流量、流速、斷面尺寸、充滿度和坡度 之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。 21章節(jié)內(nèi)容 3.3.1 非滿流管渠水力計(jì)算公式非滿流管渠水力計(jì)算公式 充滿度充滿度h/D指設(shè)計(jì)流量下，管道內(nèi)的有效水深與指設(shè)計(jì)流量下，管道內(nèi)的有效水深與 管徑的比值。

14、管徑的比值。 過(guò)水?dāng)嗝孢^(guò)水?dāng)嗝鍭=A（D，h/D） 水力半徑水力半徑R=R(D,h/D) 采用謝才公式計(jì)算水頭損失，將曼寧公式代人并轉(zhuǎn)采用謝才公式計(jì)算水頭損失，將曼寧公式代人并轉(zhuǎn) 換：換： 由流量和流速關(guān)系得：由流量和流速關(guān)系得： 2 1 3 2 1 IR n v m h D 2 1 3 2 1 IAR n q m 22章節(jié)內(nèi)容 2 1 3 2 )/,( 1 IDhDR n v m 2 1 3 2 )/,()/,D( 1 IDhDRDhA n q m 5個(gè)水力參數(shù)個(gè)水力參數(shù)q、D、h、I、v, 已知其中已知其中3個(gè)才能求出另個(gè)才能求出另 一個(gè)，水力計(jì)算很復(fù)雜。一個(gè)，水力計(jì)算很復(fù)雜。 23章節(jié)內(nèi)

15、容 非滿流水力計(jì)算簡(jiǎn)化方法非滿流水力計(jì)算簡(jiǎn)化方法 n（1）水力計(jì)算圖表）水力計(jì)算圖表 n（2）借助滿流水力計(jì)算公式借助滿流水力計(jì)算公式并通過(guò)一定并通過(guò)一定 的比例變換進(jìn)行計(jì)算的比例變換進(jìn)行計(jì)算 24章節(jié)內(nèi)容 充滿度 流量 坡 度 流速 （1）水力計(jì)算圖表）水力計(jì)算圖表 精精 度度 低，低， 通通 用用 性性 差。差。 25章節(jié)內(nèi)容 (2)比例變換法比例變換法 n假設(shè)有一條滿流管渠與待計(jì)算的非滿流管渠具假設(shè)有一條滿流管渠與待計(jì)算的非滿流管渠具 有相同的管徑有相同的管徑D和水力坡度和水力坡度I，其過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，其過(guò)水?dāng)嗝婷娣e 為為A0，水力半徑為，水力半徑為R0，通過(guò)流量為，通過(guò)流量為qo，流速為

16、，流速為 vo，可以證明：，可以證明： nA/ A0 、R/ R0 、q/ qo 、v/ vo只和充滿度有關(guān)。只和充滿度有關(guān)。 n見(jiàn)教材見(jiàn)教材P57圖圖3.3， 表表3.7 26章節(jié)內(nèi)容 非滿流管渠水力計(jì)算方法非滿流管渠水力計(jì)算方法 一、已知流量一、已知流量q、管徑、管徑D和水力坡度和水力坡度I，求充，求充 滿度滿度h/D和流速和流速v。 1）先由下式計(jì)算）先由下式計(jì)算q/q0，反查表，反查表3.7的充滿度的充滿度h/D； 5 . 0667. 2 2 1 3 8 3 5 0 0 2 0 2 1 3 2 0 0 208. 34 441 0 ID qn ID qn q q D R D A IRA

17、n q q q MM M )/( 273. 1 )/( 4 4 0 2 0 22 0 AAD q AAD q v D v q A A 2）根據(jù)充滿度）根據(jù)充滿度h/D，查表，查表3.7得得A/A0，然后用下式計(jì)算流速，然后用下式計(jì)算流速v。 27章節(jié)內(nèi)容 例例3.1已知某污水管道設(shè)計(jì)流量為已知某污水管道設(shè)計(jì)流量為q=100L/s，根據(jù)地，根據(jù)地 形條件可以采用水力坡度為形條件可以采用水力坡度為I=7%，初擬采用管徑，初擬采用管徑 D=400mm的鋼筋混凝土管，粗糙系數(shù)的鋼筋混凝土管，粗糙系數(shù)nM=0.014，求，求 其充滿度其充滿度h/D和流速和流速v。 解解 用粗糙度系數(shù)、管徑和水力坡度帶入

18、式用粗糙度系數(shù)、管徑和水力坡度帶入式3.32計(jì)算：計(jì)算： 反查表反查表3.7的充滿度的充滿度h/D=56.9%，相應(yīng)，相應(yīng)A/AO=0.587， 由式由式3.33計(jì)算：計(jì)算： 618. 0 007. 04 . 0 1 . 0014. 0208. 3208. 3 5 . 0667. 25 . 0667. 2 0 ID qn q q M 36. 1 587. 04 . 0 1 . 0273. 1 )/( 273. 1 2 0 2 AAD q v 28章節(jié)內(nèi)容 非滿流管渠水力計(jì)算方法非滿流管渠水力計(jì)算方法 n其他組合情況其他組合情況p55 29章節(jié)內(nèi)容 3.4 管道的水力等效簡(jiǎn)化管道的水力等效簡(jiǎn)化

19、采用水力等效的原理，將局部管網(wǎng)簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)單采用水力等效的原理，將局部管網(wǎng)簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)單 的形式。的形式。 n多條管道串聯(lián)或并聯(lián)，等效為單條管道；多條管道串聯(lián)或并聯(lián)，等效為單條管道； n管道沿線分散出流或入流，等效為集中出流或管道沿線分散出流或入流，等效為集中出流或 入流；入流； n泵站多臺(tái)水泵并聯(lián)工作可以等效為單臺(tái)水泵。泵站多臺(tái)水泵并聯(lián)工作可以等效為單臺(tái)水泵。 30章節(jié)內(nèi)容 l1 l2 lN d1 d2 dN m N i m i i N i m i i n m n d l l d d lkq d lkq 1 1 1 經(jīng)變換有： 1、串聯(lián)管道的簡(jiǎn)化、串聯(lián)管道的簡(jiǎn)化 l 根據(jù)水力等效的原則：根據(jù)水力等效

20、的原則： 31章節(jié)內(nèi)容 2、并聯(lián)管道的簡(jiǎn)化、并聯(lián)管道的簡(jiǎn)化 將它們等效為一條直徑為將它們等效為一條直徑為d，長(zhǎng)度為，長(zhǎng)度為l的管道，輸送流量的管道，輸送流量 q=q1+q2+qN。 根據(jù)水力等效的原則：根據(jù)水力等效的原則： m n N i n m i m N n N m n m n m n dd d lkq d lkq d lkq d lkq 1 2 2 1 1 經(jīng)變換： d1 q1 d2 q2 dN qN q 32章節(jié)內(nèi)容 任一管段的流量：任一管段的流量：沿線流量，轉(zhuǎn)輸流量沿線流量，轉(zhuǎn)輸流量。 tl qq t q lqq sl 3、沿線均勻出流簡(jiǎn)化、沿線均勻出流簡(jiǎn)化 33章節(jié)內(nèi)容 假設(shè)沿線出流均勻，則管道內(nèi)任意斷面假設(shè)