給水排水管網(wǎng)水力學基礎

1、第三章第三章 給水排水管網(wǎng)水力學基礎給水排水管網(wǎng)水力學基礎目錄3.1 給水排水管網(wǎng)流動特征給水排水管網(wǎng)流動特征流態(tài)特征流態(tài)特征水的三種流態(tài)水的三種流態(tài) 層流層流 Re4000 過渡流過渡流 Re 20004000其中Re 稱為雷諾數(shù) V V管內(nèi)平均流速（管內(nèi)平均流速（m/s)m/s) D D管徑（管徑（m)m) 水的運動粘滯系數(shù)（水的運動粘滯系數(shù)（m2/s)m2/s)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)VDRe紊流流態(tài)紊流流態(tài)分為分為三個阻力特征區(qū)三個阻力特征區(qū)： 阻力平方區(qū)阻力平方區(qū) 水頭損失與水頭損失與流速平方流速平方成正比成正比 過渡區(qū)過渡區(qū) 水頭損失和水頭損

2、失和流速流速1.752次方次方成正比成正比 水力光滑管區(qū)水力光滑管區(qū) 水頭損失和水頭損失和流速流速1.75次方次方成正比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)阻力平方區(qū)和和過渡區(qū)過渡區(qū)恒定流與非恒定流恒定流與非恒定流 恒定流：流體的恒定流：流體的流動參數(shù)流動參數(shù)隨時間隨時間不不發(fā)生變化發(fā)生變化 非恒定流：流體的非恒定流：流體的流動參數(shù)流動參數(shù)隨時間隨時間發(fā)生變化發(fā)生變化 給水排水管網(wǎng)中，給水排水管網(wǎng)中，水流水力因素隨時間變化水流水力因素隨時間變化，屬于，屬于非恒定流，水力計算復雜。非恒定流，水力計算復雜。 在設計時一般只能按在設計時一般只能按恒定流恒定流計算。計算。

3、均勻流與非均勻流均勻流與非均勻流 均勻流：水流參數(shù)均勻流：水流參數(shù)隨空間隨空間不發(fā)生變化不發(fā)生變化 非均勻流：非均勻流：水流參數(shù)水流參數(shù)隨空間隨空間發(fā)生變化發(fā)生變化。 滿管流動滿管流動 1）如果）如果管道截面管道截面在在一段距離內(nèi)不變且不發(fā)生轉(zhuǎn)彎一段距離內(nèi)不變且不發(fā)生轉(zhuǎn)彎，為均勻流，管道對水流阻力沿程不變，采用為均勻流，管道對水流阻力沿程不變，采用沿程水沿程水頭損失公式頭損失公式計算；計算； 2）當管道在）當管道在局部分叉、轉(zhuǎn)彎與變截面局部分叉、轉(zhuǎn)彎與變截面時，流動為時，流動為非均勻流，采用非均勻流，采用局部水頭損失公式局部水頭損失公式計算。計算。 非滿管流或渠流，只要長距離截面不變，可以非滿

4、管流或渠流，只要長距離截面不變，可以近似近似為均勻流為均勻流。急變流緩變流非均勻流壓力流與重力流壓力流與重力流 壓力流壓力流 輸水通過輸水通過封閉封閉的管道進行，的管道進行，水流阻力水流阻力主要依靠主要依靠水的壓能水的壓能克服，克服，沿程阻力大小只與沿程阻力大小只與管道內(nèi)壁粗糙程度管道內(nèi)壁粗糙程度、管道長度管道長度和和流速流速有關，有關，與管道與管道埋設深度埋設深度和和坡度坡度無關無關。 重力流重力流 管渠中管渠中水面水面與與大氣相通大氣相通，非滿流，非滿流，水流阻力水流阻力依靠依靠水的位能水的位能克克服，形成水面沿水流方向降低。服，形成水面沿水流方向降低。 給水多壓力流，排水多重力流給水多壓

5、力流，排水多重力流例如：明渠、暗渠、一般是重力流，排水泵站出水管、例如：明渠、暗渠、一般是重力流，排水泵站出水管、倒虹管倒虹管是壓力流。是壓力流。 水流的水頭與水頭損失水流的水頭與水頭損失水頭：水頭：單位單位重量重量的流體所具有的的流體所具有的機械能機械能，用，用h或或H表示，單位米水柱表示，單位米水柱(mH2O)。位置水頭位置水頭Z壓力水頭壓力水頭Pa/ 測壓管水頭測壓管水頭 流速水頭流速水頭v2/2g 總水頭總水頭 = g水頭損失水頭損失 水頭損失水頭損失： 流體流體克服流動阻力克服流動阻力所消耗的所消耗的機械能機械能稱為稱為水頭損失水頭損失。 沿程水頭損失沿程水頭損失 水頭損失水頭損失

6、局部水頭損失局部水頭損失 沿程沿程水頭損失水頭損失：當流體受固定邊界限制做均勻流動時，當流體受固定邊界限制做均勻流動時，流動阻力中只有沿程不變的切應力，稱為沿程阻力，由此產(chǎn)流動阻力中只有沿程不變的切應力，稱為沿程阻力，由此產(chǎn)生的水頭損失。生的水頭損失。 局部局部水頭損失水頭損失：當流體的當流體的固定邊界固定邊界發(fā)生突然變化，引起發(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為局部阻力，因此產(chǎn)生的水頭損失。稱為局部阻力，因此產(chǎn)生的水頭損失。3.2 管渠水頭損失計算管渠水頭損失計算謝才公式謝才公式hf沿程水頭損失，沿程水

7、頭損失，m；v過水斷面平均流速，過水斷面平均流速，m/s；C謝才系數(shù)；謝才系數(shù)；R過水斷面水力半徑，過水斷面水力半徑，m，圓管，圓管滿流滿流R=0.25D；L L 管渠長度，管渠長度，m。lRCvhf223.2.1 沿程水頭損失計算沿程水頭損失計算沿程水頭損失計算沿程水頭損失計算對于對于圓管圓管滿流滿流，達西公式達西公式：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/C2gvDlhf22謝才系數(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（1）海曾）海曾-威廉公式威廉公式 適用于適用于較光滑較光滑的的圓管滿流管圓管滿流管紊流

8、紊流計算計算，主要用，主要用于給水管道水力計算。于給水管道水力計算。 q流量，流量，m3/s； Cw海曾海曾-威廉威廉粗糙系數(shù)。粗糙系數(shù)。148. 0852. 113. 016.13qCgDw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（2）柯爾勃洛克）柯爾勃洛克-懷特公式懷特公式 適用于適用于各種紊流各種紊流，是，是適用性適用性和和計算精度計算精度最高的最高的公式之一公式之一。 e 管壁當量粗糙度，管壁當量粗糙度，m。)Re462. 47D. 3e(2lg1)Re462. 48 .14lg(71.17875. 0875. 0或ReC水力半徑水力半徑管道直徑管道直徑謝才系數(shù)或沿程阻

9、力系數(shù)的確定謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)的確定（3）巴甫洛夫斯基公式）巴甫洛夫斯基公式 適用于適用于明渠流明渠流和和非滿流非滿流排水管道排水管道計算計算。曼寧粗糙系數(shù)式中BBBn) 1 . 0n(R75. 013. 0n5 . 2yBynRC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（4）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時的特例，適用于時的特例，適用于明渠明渠或或較粗糙較粗糙的管道計算。的管道計算。 nM曼寧公式粗糙系數(shù)。曼寧公式粗糙系數(shù)。MnRC6沿程水頭損失計算公式的比較與選用沿程水頭損失計算公式的比較與選用 柯爾勃洛克柯爾勃洛克-懷特公式懷特公式

10、具有較高的精度具有較高的精度; 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; 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; 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;局部水頭損失計算局部水頭損失計算局部阻力系數(shù)。；局部水頭損失，m22mmhgvh局部阻力設施局部阻力設施全開閘閥0.1990。彎頭0.950%開啟閘閥2.0645。彎頭0.4截止閥35.5三通轉(zhuǎn)彎1.5全開蝶閥0.24三流直流0.1水頭損失公式的指數(shù)形式水頭損失公式的指數(shù)形式 沿程水頭損失計算公式的沿程水頭損

11、失計算公式的指數(shù)指數(shù)形式：形式： mfnffmnfDklssmnkqshlDkqhf,摩阻系數(shù)指數(shù)公式參數(shù)或參數(shù)海曾威廉公式曼寧公式K10.67/Cw1.85210.29nM2n1.8522.0m4.875.333局部阻力系數(shù)mnmsqshm局部水頭損失公式的局部水頭損失公式的指數(shù)指數(shù)形式：形式：gvhm22？3.3 非滿流管渠水力計算非滿流管渠水力計算排水管網(wǎng)排水管網(wǎng)和和長距離輸水長距離輸水工程常采用工程常采用非滿管流非滿管流。非滿管流非滿管流水力計算水力計算目的是確定目的是確定3.3.1 非滿流管渠水力計算公式非滿流管渠水力計算公式 充滿度充滿度h/D指設計流量下，管道內(nèi)的指設計流量下，管

12、道內(nèi)的有效水深有效水深與與管徑管徑的的比值比值。 過水斷面過水斷面A=A（D，h/D） 水力半徑水力半徑R=R(D,h/D) 采用謝才公式計算水頭損失，將曼寧公式代入并轉(zhuǎn)換：采用謝才公式計算水頭損失，將曼寧公式代入并轉(zhuǎn)換： 由流量和流速關系得：由流量和流速關系得：21321IRnvmhD21321IARnqm水力坡度水力坡度2132)/,(1IDhDRnvm2132)/,()/,D(1IDhDRDhAnqm5個水力參數(shù)個水力參數(shù)q、D、h、I、v, 已知其中已知其中3個個就可以求出就可以求出另一個。另一個。非滿流水力計算簡化方法非滿流水力計算簡化方法 （1）水力計算圖表）水力計算圖表 （2）借

13、助借助滿流滿流水力計算公式水力計算公式并通過一定的并通過一定的比比例變換例變換進行計算進行計算充滿度流量坡度流速（1）水力計算圖表）水力計算圖表缺缺點點精精度度低低，通通用用性性差差。(2)比例變換法比例變換法 假設有一條假設有一條滿流管渠滿流管渠與與待計算待計算的的非滿流管渠非滿流管渠具有具有相相同同的的管徑管徑D和和水力坡度水力坡度I，那么其過水斷面面積為，那么其過水斷面面積為A0，水力半徑為水力半徑為R0，通過流量為，通過流量為qo，流速為，流速為vo?？梢宰C明：可以證明：A/ A0 、R/ R0 、q/ qo 、v/ vo只和只和充滿度充滿度有關。有關。非滿流管渠水力計算方法非滿流管渠

14、水力計算方法 一、已知一、已知流量流量q、管徑、管徑D和水力坡度和水力坡度I，求，求充充 滿度滿度h/Dh/D和和流速流速v v。 1）先由下式計算）先由下式計算q/q0，反查，反查表表1的充滿度的充滿度h/D；5 .0667.22138350020213200208.344410IDqnIDqnqqDRDAIRAnqqqMMM管渠的粗糙系數(shù)管渠的粗糙系數(shù)2）根據(jù)充滿度）根據(jù)充滿度h/D，查，查表表1得得A/A0，然后用下式計算流速，然后用下式計算流速v。)/(273. 1)/(44020220AADqAADqvDvqAA式式1式式2表1例例3.1已知某污水管道設計流量為已知某污水管道設計流量

15、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用粗糙度系數(shù)、管徑和水力坡度帶入式式1計算：計算：反查反查表表1的充滿度的充滿度h/D=56.9%，相應，相應A/AO=0.587，由，由式式2計算：計算： 618. 0007. 04 . 01 . 0014. 0208. 3208. 35 . 0667. 25 . 0667. 20IDqnqqM36. 1587. 0

16、4 . 01 . 0273. 1)/(273. 1202AADqv3.4 管道的水力等效簡化管道的水力等效簡化 目的：目的：采用水力等效的原理，將局部管網(wǎng)簡化成簡單采用水力等效的原理，將局部管網(wǎng)簡化成簡單的形式。的形式。常用方法：常用方法： 多條管道串聯(lián)或并聯(lián)，等效為多條管道串聯(lián)或并聯(lián)，等效為單條單條管道；管道； 管道沿線分散出流或入流，等效為管道沿線分散出流或入流，等效為集中集中出流或入流；出流或入流； 泵站多臺水泵并聯(lián)工作可以等效為泵站多臺水泵并聯(lián)工作可以等效為單臺水泵單臺水泵。等效原則：等效原則：等效管網(wǎng)對象與原來的實際對象具有等效管網(wǎng)對象與原來的實際對象具有相同的水力特性相同的水力特性

17、。l1 l2 lNd1 d2 dNmNimiiNimiinmndllddlkqdlkq111經(jīng)變換有：1、串聯(lián)管道的簡化、串聯(lián)管道的簡化l 根據(jù)水力等效的原則：根據(jù)水力等效的原則：2、并聯(lián)管道的簡化、并聯(lián)管道的簡化 將它們等效為一條直徑為將它們等效為一條直徑為d，長度為，長度為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：mnNinmimNnNmnmnmndddlkqdlkqdlkqdlkq12211經(jīng)變換：d1 q1d2 q2dN qNq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。tlqq tqlqqsl3、沿線均

18、勻出流簡化、沿線均勻出流簡化假設沿線出流均勻，則管道內(nèi)任意斷面假設沿線出流均勻，則管道內(nèi)任意斷面x上的流量上的流量可以表示為：可以表示為：沿程水頭損失計算如下：沿程水頭損失計算如下：ltxqlxlqqlqdnqqqkdxdqlxlqkhlmntnltlmnltf) 1()()(110tlqq tqxdxL沿程水頭損失公式沿程水頭損失公式為簡化計算，將沿線流量為簡化計算，將沿線流量ql分為兩個集中流量，分分為兩個集中流量，分別轉(zhuǎn)移到管段的別轉(zhuǎn)移到管段的兩個節(jié)點兩個節(jié)點。假設轉(zhuǎn)移到假設轉(zhuǎn)移到末端末端的流量為的流量為aql，則通過管道流量為：則通過管道流量為：水頭損失為：水頭損失為：tlqq tql

19、qlq1ldaqqkhmnltf)(根據(jù)水力等效原則：根據(jù)水力等效原則：31/333. 5m, 2)() 1()(211aqqnldaqqklqdnqqqkhltmnltlmntnltf代入上式可以求得：，令5 . 0,577. 0, 0aa4、局部水頭損失計算的簡化、局部水頭損失計算的簡化 可將局部水頭損失等效于可將局部水頭損失等效于一定長度的管道一定長度的管道（稱為（稱為當當量管量管）的沿程水頭損失，從而與沿程水頭損失合并）的沿程水頭損失，從而與沿程水頭損失合并計算。計算。2dd222d2C8gDDllRCv2gvDl2gv局部阻力等效后的長度局部阻力等效后的長度3.5 水泵與泵站水力特性水泵與泵站水力特性nppepqshh3.5.1 水泵水力特性公式及其參數(shù)計算水泵水力特性公式及其參數(shù)計算 揚程：水泵提供給揚程：水泵提供給單位重量單位重量水的機械能（水的機械能（mH2O）。）。水泵水力特性：表征水泵水力特性：表征水泵流量水泵流量和和揚程揚程的關系，如下式：的關系，如下式：nppepqshh121Q2Q1H2