第三章給水排水管網(wǎng)水力學(xué)基礎(chǔ)

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)3.1 3.1 給水排水管網(wǎng)水流特征給水排水管網(wǎng)水流特征流考慮）（給排水管網(wǎng)一般按紊紊流：過(guò)渡流層流：流態(tài)4000Re4000Re2000:2000Re. 1流態(tài)特征流態(tài)特征75. 10 . 275. 12 . 2vhDvhDvh水力光滑區(qū)較小或管壁較光滑）（管徑過(guò)渡區(qū)較大或管壁較粗糙）（管徑）阻力平方區(qū)（粗糙管區(qū)紊流在設(shè)計(jì)時(shí)一般只能按在設(shè)計(jì)時(shí)一般只能按恒定流恒定流計(jì)算。計(jì)算。恒定流與非恒定流恒定流與非恒定流恒定流：恒定流：水體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其各點(diǎn)的流速和壓力水體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其各點(diǎn)的流速和壓力不隨時(shí)間而變化，而與空間位置有關(guān)的流動(dòng)。不

2、隨時(shí)間而變化，而與空間位置有關(guān)的流動(dòng)。非恒定流：非恒定流：水體各點(diǎn)的流速和壓力不僅與空間位置水體各點(diǎn)的流速和壓力不僅與空間位置有關(guān)，還隨時(shí)間而變化的流動(dòng)。有關(guān)，還隨時(shí)間而變化的流動(dòng)。滿管流動(dòng)滿管流動(dòng) 1 1）如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，）如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，采用管道對(duì)水流阻力沿程不變，采用沿程水頭損失公式沿程水頭損失公式計(jì)算；計(jì)算； 2 2）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，）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， 采用采用局部水頭損失公式局部水頭損失公式計(jì)算。計(jì)算。非滿管流或明渠流非滿管

3、流或明渠流 只要長(zhǎng)距離截面不變，可以近似為均勻流，按只要長(zhǎng)距離截面不變，可以近似為均勻流，按沿程水頭損沿程水頭損失公式失公式計(jì)算。計(jì)算。均勻流與非均勻流均勻流與非均勻流非均勻流：非均勻流：液體質(zhì)點(diǎn)流速的大小和方向沿流程變液體質(zhì)點(diǎn)流速的大小和方向沿流程變 化，水流參數(shù)隨時(shí)間和空間變化?；鲄?shù)隨時(shí)間和空間變化。均勻流：均勻流：液體質(zhì)點(diǎn)流速的大小和方向沿流程不變。液體質(zhì)點(diǎn)流速的大小和方向沿流程不變。壓力流與重力流壓力流與重力流壓力流：壓力流：水體沿流程整個(gè)周界與固體壁面接觸，無(wú)水體沿流程整個(gè)周界與固體壁面接觸，無(wú)自由液面，滿管流動(dòng)，又稱管流。自由液面，滿管流動(dòng)，又稱管流。 壓力流壓力流輸水通過(guò)

4、封閉的管道進(jìn)行，水流阻力主要依靠水輸水通過(guò)封閉的管道進(jìn)行，水流阻力主要依靠水的壓能克服，阻力大小只與管道內(nèi)壁粗糙程度有關(guān)、管道長(zhǎng)的壓能克服，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)深度和坡度無(wú)關(guān)。度和流速有關(guān)，與管道埋設(shè)深度和坡度無(wú)關(guān)。重力流：重力流：水體沿流程一部分與固體壁面接觸，另一水體沿流程一部分與固體壁面接觸，另一部分與空氣接觸，具有自由液面。非滿管流動(dòng)，又部分與空氣接觸，具有自由液面。非滿管流動(dòng)，又稱明渠流。稱明渠流。 重力流重力流管渠中水面與大氣相通，非滿流，水流阻力依靠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，形成水面沿水流方向降低。水的位

5、能克服，形成水面沿水流方向降低。給水多壓力流，排水多重力流；給水多壓力流，排水多重力流；長(zhǎng)距離輸水重力流，排水泵站出水管、倒虹管壓力流。長(zhǎng)距離輸水重力流，排水泵站出水管、倒虹管壓力流。水流的水頭與水頭損失水流的水頭與水頭損失測(cè)壓管水頭測(cè)壓管水頭水頭分為水頭分為水頭損失：水頭損失：流體克服流動(dòng)阻力所消耗的機(jī)械能。流體克服流動(dòng)阻力所消耗的機(jī)械能。水頭損失分為水頭損失分為沿程水頭損失沿程水頭損失局部水頭損失局部水頭損失 水頭：水頭：?jiǎn)挝恢亓康牧黧w所具有的機(jī)械能，單位重量的流體所具有的機(jī)械能， 用用h h或或H H表示，單位米水柱表示，單位米水柱(mH(mH2 2O)O)。位置水頭位置水頭Z Z壓力水

6、頭壓力水頭P/rP/r流速水頭流速水頭v v2 2/2g/2g適用于適用于各種紊流，各種紊流，是適用性和計(jì)算精度最高的公式。是適用性和計(jì)算精度最高的公式。)Re51. 27D. 3e(2lg1)Re53. 38 .14lg(71.17或CReC簡(jiǎn)簡(jiǎn)化化為為直直接接計(jì)計(jì)算算式式（1 1）柯?tīng)柌蹇耍┛聽(tīng)柌蹇? -懷特公式懷特公式e e 管壁當(dāng)量粗糙度，管壁當(dāng)量粗糙度，m m。適用適用: :較光滑的圓管滿流管紊流較光滑的圓管滿流管紊流（給水管道）（給水管道） 代入達(dá)西公式代入達(dá)西公式q流量，流量，m3/s；Cw海曾海曾-威廉粗糙系數(shù)。威廉粗糙系數(shù)。（2 2）海曾）海曾- -威廉公式威廉公式適用于

7、適用于明渠流明渠流和和非滿流排水管道非滿流排水管道計(jì)算。計(jì)算。系數(shù)巴甫洛夫斯基公式粗糙n0.1)n(R0.750.13n2.5式中yBBB代入謝才公式代入謝才公式（3 3）巴甫洛夫斯基公式）巴甫洛夫斯基公式 巴甫洛夫斯基公式中巴甫洛夫斯基公式中y=1/6y=1/6時(shí)的特例，適用于時(shí)的特例，適用于明渠明渠或或較粗糙較粗糙的管道計(jì)算。的管道計(jì)算。代入謝才公式代入謝才公式n nM M曼寧公式粗糙系數(shù)。曼寧公式粗糙系數(shù)。（4 4）曼寧公式）曼寧公式3.2.2 3.2.2 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 2 2）巴甫洛夫斯基公式）巴甫洛夫斯基公式適用范圍廣，精度高，特別

8、適適用范圍廣，精度高，特別適用于較粗糙的管道和較大范圍流態(tài)，用于較粗糙的管道和較大范圍流態(tài)，1.0e5.0mm1.0e5.0mm；計(jì)算繁瑣，需用計(jì)算機(jī)計(jì)算。計(jì)算繁瑣，需用計(jì)算機(jī)計(jì)算。3 3）曼寧公式）曼寧公式特別適用于較粗糙的非滿管流和明渠均特別適用于較粗糙的非滿管流和明渠均勻流，勻流，0.5e4.0mm0.5e4.0mm；4 4）海曾威廉公式）海曾威廉公式特別適用于較光滑的管道，即給特別適用于較光滑的管道，即給水管網(wǎng)。水管網(wǎng)。 1 1）柯?tīng)柌蹇耍┛聽(tīng)柌蹇? -懷特公式懷特公式適用范圍廣，精度高，計(jì)適用范圍廣，精度高，計(jì)算繁瑣，需用計(jì)算機(jī)計(jì)算。算繁瑣，需用計(jì)算機(jī)計(jì)算。3.2.3 3.2.3

9、 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，mmh局部阻力設(shè)施局部阻力設(shè)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0.13.2.4 3.2.4 水頭損失公式的指數(shù)形式水頭損失公式的指數(shù)形式沿程水頭損失沿程水頭損失計(jì)算公式的指數(shù)形式：計(jì)算公式的指數(shù)形式： mfDklssmnkf,摩阻系數(shù)指數(shù)公式參數(shù)參數(shù)海曾威廉公式曼寧公式K10.67/Cw1.85210.29nM2n1.8522.0m4.875.333沿程水頭損失指數(shù)公式參數(shù)沿程水頭損失指數(shù)公式參數(shù)局部阻力系數(shù)ms局部水頭損失局部水頭損失公式的

10、指數(shù)形式：公式的指數(shù)形式：沿程水頭損失沿程水頭損失與與局部水頭損失局部水頭損失之和：之和：式中式中 SgSg管道阻力系數(shù)；管道阻力系數(shù)；fmgsss方法方法： 首先根據(jù)已知資料，計(jì)算出流量首先根據(jù)已知資料，計(jì)算出流量Q，根據(jù)，根據(jù)Q值可初步確定值可初步確定管徑管徑D；然后，根據(jù)；然后，根據(jù)Q、D值，求值，求I、h/D、v值。在這三個(gè)未知值。在這三個(gè)未知數(shù)中，還需知道一個(gè)參數(shù)，才能求得另外兩個(gè)，此時(shí)可以在數(shù)中，還需知道一個(gè)參數(shù)，才能求得另外兩個(gè)，此時(shí)可以在三個(gè)參數(shù)中先假設(shè)一個(gè)值，比如流速為最小流速，或是坡度三個(gè)參數(shù)中先假設(shè)一個(gè)值，比如流速為最小流速，或是坡度為最小坡度，或是充滿度滿足一定要求等，

11、之后進(jìn)行查表或?yàn)樽钚∑露龋蚴浅錆M度滿足一定要求等，之后進(jìn)行查表或查圖，就可得出其余兩個(gè)未知數(shù)；最后要進(jìn)行校核，若得出查圖，就可得出其余兩個(gè)未知數(shù)；最后要進(jìn)行校核，若得出的兩個(gè)參數(shù)滿足其規(guī)定的要求，則計(jì)算完成，若不滿足要求的兩個(gè)參數(shù)滿足其規(guī)定的要求，則計(jì)算完成，若不滿足要求，則需調(diào)整假設(shè)值，甚至管徑，則需調(diào)整假設(shè)值，甚至管徑D，重新進(jìn)行計(jì)算。，重新進(jìn)行計(jì)算。 水力計(jì)算圖適用于水力計(jì)算圖適用于混凝土混凝土及及鋼筋混凝土管道鋼筋混凝土管道，其粗糙系，其粗糙系數(shù)數(shù) n n0.0140.014。每張圖適用于一個(gè)指定的管徑。我國(guó)。每張圖適用于一個(gè)指定的管徑。我國(guó)室外排室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范水設(shè)計(jì)規(guī)范和和給水排

12、水設(shè)計(jì)手冊(cè)給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)推薦此法。推薦此法。非滿流管渠水力計(jì)算簡(jiǎn)化法一例例1 1 已知已知n=0.014,D=300mm,I=0.004,Q=30L/s,n=0.014,D=300mm,I=0.004,Q=30L/s,求求v v和和h/Dh/D精精度度低低 通通用用性性差差坡度充滿度流速流量例例1 已知已知n=0.014,D=300mm,I=0.004,Q=30L/s,求求v和和h/D 5 . 0667. 22138350020213200208. 344410IDqnIDqnqqDRDAIRAnqqqMMM)/(273. 1)/(44020220AADqAADqvDvqAA2 2）根據(jù)充滿

13、度）根據(jù)充滿度h/Dh/D，查表，查表3.73.7得得A/AA/A0 0，然后用下式計(jì)算流速，然后用下式計(jì)算流速v v。 充滿度充滿度h/Dh/D 流速流速v v已知已知求求流量流量q q管徑管徑D D水力坡度水力坡度I I1 1）先由下式計(jì)算）先由下式計(jì)算q/q0q/q0，反查表，反查表3.73.7的充滿度的充滿度h/Dh/D；例例1 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/sq=100L/s，根據(jù)地形，根據(jù)地形條件可以采用水力坡度為條件可以采用水力坡度為I=7%I=7%，初擬采用管徑，初擬采用管徑D=400mmD=400mm的鋼筋混凝土管，粗糙系數(shù)的鋼筋混凝土管，

14、粗糙系數(shù)n nM M=0.014=0.014，求其充，求其充滿度滿度h/Dh/D和流速和流速v v。例例2 2 已知已知D=400mm,D=400mm,充滿度充滿度h/D=0.57,i0.007,h/D=0.57,i0.007,求求i i。例例3 3 已知鋼筋混凝土排水管已知鋼筋混凝土排水管n=0.013n=0.013，設(shè)計(jì)流，設(shè)計(jì)流量量q=100L/sq=100L/s，充滿度，充滿度h/D=0.65h/D=0.65，最大水力坡度，最大水力坡度為為I=7%I=7%，求最小管徑，求最小管徑D D。3.4 3.4 管道的水力等效簡(jiǎn)化管道的水力等效簡(jiǎn)化 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；管道沿線分散出流或入流，等效為集中出流或入流；管道沿線分散出流或入流，等效為集中出流或入流；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。采用水力等效原理，將局部管網(wǎng)簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)單的形式。采用水力等效原理，將局部管網(wǎng)簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)單的形式。l1 l2 lNd1 d2 dNmNimiiNimiinmndllddlkqdlk