草坪灌溉与排水 第四章

1、 l教学内容： l第一节 灌溉水力学基础 l第二节 水头损失的概念及分类 l第三节 水头损失的计算 l第四节 灌溉管网水力设计 第四章第四章 管道水力学原理管道水力学原理 l教学要求：教学要求： l1、了解、了解灌溉水力学基础 知识 l2、掌握、掌握水头损失的概念及分类 l3、能够进行、能够进行水头损失的计算 l4、掌握、掌握灌溉管网水力设计 第一节第一节 灌溉水力学基础灌溉水力学基础 l水力学是研究液体特性（静止和运动状态）的一门学水力学是研究液体特性（静止和运动状态）的一门学 科。依据水力学知识设计的管网，可以大大减少灌溉科。依据水力学知识设计的管网，可以大大减少灌溉 系统的投资和在运行过

2、程中的维护保养费用。通过控系统的投资和在运行过程中的维护保养费用。通过控 制水的流速，可以减少水流在管网系统中的压力水头制水的流速，可以减少水流在管网系统中的压力水头 耗损。而不符合水力学特性的设计，会使喷灌系统的耗损。而不符合水力学特性的设计，会使喷灌系统的 灌水质量降低、工程费用偏大和浪费水资源，并有可灌水质量降低、工程费用偏大和浪费水资源，并有可 能使管受力过大能使管受力过大,甚至导致管道破裂。因此管网水力学甚至导致管道破裂。因此管网水力学 分析对于减少工程造价、提高灌溉效率和灌溉质量等分析对于减少工程造价、提高灌溉效率和灌溉质量等 都具有很重要的作用。都具有很重要的作用。 l一一 静水

3、压力静水压力 l静水压力是指水不流动的封闭系统中水的压力。一条充静水压力是指水不流动的封闭系统中水的压力。一条充 满水的管子，阀门全部关闭，系统中的压力即静水压力，满水的管子，阀门全部关闭，系统中的压力即静水压力， 静水压力是一个系统所能获得的最大的压力。静水压力是一个系统所能获得的最大的压力。 l1 升水重升水重1 kg，即水的比重为，即水的比重为1000 kg/m3。在重力作用下，。在重力作用下， 水总是由高处流向低处，一个重要的概念就是水压力（也水总是由高处流向低处，一个重要的概念就是水压力（也 称水头），它是指水对单位面积上作用力的大小。称水头），它是指水对单位面积上作用力的大小。 l

4、式中，式中，P水压力（水压力（kPa）；）；F作用力（作用力（N N=mg g=9.8N/kg）；）；A面积（面积（m2）。）。 l其计其计算公式如下算公式如下: l这种水压力是由被测点以上水的重量所产生的。假这种水压力是由被测点以上水的重量所产生的。假 设有设有10cm2的面积，该面积上作用力的大小，简单地的面积，该面积上作用力的大小，简单地 说就是它上面的水柱的重量。水柱重量越大，作用力说就是它上面的水柱的重量。水柱重量越大，作用力 越大，水压力也就越大。底面积为越大，水压力也就越大。底面积为0.01m2的柱状容器的柱状容器 充充0.3米高的水后，容器底部水压力为：米高的水后，容器底部水压

5、力为： lP=W/A=(1000kg/m3*0.3 m) / (0.01 m2)=30000 kg/m2 = 294000 N/ m2 = 294 kPa 因此，水压力还可用因此，水压力还可用“水头高度水头高度”或简称或简称“水头水头” 来表示。压力与水头之间的相互转换关系为：来表示。压力与水头之间的相互转换关系为：1m水头水头 =10kPa。 l l二二 动水压力动水压力 l动水压力，即水流流动状态下管道内的水压力，磨动水压力，即水流流动状态下管道内的水压力，磨 擦损失和高程变化都会使系统内的动水压力变化。擦损失和高程变化都会使系统内的动水压力变化。 l水在管道中流动时，水与管壁由于摩擦而产

6、生压力损水在管道中流动时，水与管壁由于摩擦而产生压力损 失，另外，连接件、阀门、水表和逆止阀等对水的流失，另外，连接件、阀门、水表和逆止阀等对水的流 动都有阻力，这些阻力也会产生压力损失，使管道内动都有阻力，这些阻力也会产生压力损失，使管道内 水压力减低。水压力减低。 l通过管道系统的水流大小影响摩擦损失的大小，即通通过管道系统的水流大小影响摩擦损失的大小，即通 过系统的水流越多，流速越大，压力损失越大。另外过系统的水流越多，流速越大，压力损失越大。另外 管道的大小尺寸也影响压力损失。压力损失或水头损管道的大小尺寸也影响压力损失。压力损失或水头损 失可以根据经验公式计算，也可以查表得到。失可以

7、根据经验公式计算，也可以查表得到。 l水流通过管道的速度快，除摩擦损失大外，大的水流水流通过管道的速度快，除摩擦损失大外，大的水流 速度还会引起一些其他问题。因此管道中的流速不能速度还会引起一些其他问题。因此管道中的流速不能 过大，根据经验，喷灌管道中可接受的最大流速为过大，根据经验，喷灌管道中可接受的最大流速为1.5 m/s。流速超过。流速超过1.5m/s时，其压力损失会急剧增大。时，其压力损失会急剧增大。 l三三 管道摩擦损失管道摩擦损失 l影响管道摩擦损失的因素影响管道摩擦损失的因素 l流量流量 l管道的直径与局部变化管道的直径与局部变化 l管道长度管道长度 l管道材质管道材质 第二节第

8、二节 水头损失的概念及分类水头损失的概念及分类 水压力水压力P P在给水管上任意点安装压力表，所测得的读在给水管上任意点安装压力表，所测得的读 数，即为该点的水压力值，（数，即为该点的水压力值，（kg/cmkg/cm2 2或或N N、KNKN、mHmH2 2O O）。）。 为了便于计算，也把水压称为为了便于计算，也把水压称为“水柱高水柱高”，力学上又，力学上又 称称“水头水头”，其单位换算关系为，其单位换算关系为1kg/cm1kg/cm2 2=10m=10m水头水头 =100Kpa=100Kpa。 水头损失水头损失水流经过管道过程中机械能的损失水流经过管道过程中机械能的损失 。 其值可用压力表

9、测得的两点压力差来确定。其值可用压力表测得的两点压力差来确定。 理想液体：理想液体： 运动时没有相对运动，流速是均匀分布，无流速运动时没有相对运动，流速是均匀分布，无流速 梯度和粘性切应力，因而，也不存在能量损失梯度和粘性切应力，因而，也不存在能量损失 。 流线流线流速分布流速分布 u(y) 实际液体实际液体: 其有粘性，过水断面上流速分布不均匀。因此，相邻液其有粘性，过水断面上流速分布不均匀。因此，相邻液 层间有相对运动，两流层间存在内摩擦力。液体运动中，要层间有相对运动，两流层间存在内摩擦力。液体运动中，要 克服摩擦阻力（水流阻力）做功，消耗一部分液流机械能，克服摩擦阻力（水流阻力）做功，

10、消耗一部分液流机械能， 转化为热能而散失。转化为热能而散失。 流速分布流速分布 切应力分布切应力分布 u y 水头损失产生的原因水头损失产生的原因 产生水头损失的根源是实际液体本身具有产生水头损失的根源是实际液体本身具有粘滞性粘滞性， 而固体边界的几何条件（轮廓形状和大小）对水头损失而固体边界的几何条件（轮廓形状和大小）对水头损失 也有很大的影响。也有很大的影响。 流体在受到外部流体在受到外部剪切力剪切力作用时发生变形作用时发生变形(流动流动)，内部，内部 相应要产生对变形的抵抗，并以内摩擦的形式表现出来。相应要产生对变形的抵抗，并以内摩擦的形式表现出来。 所有流体在有相对运动时都要产生内摩擦

11、力，这是流体所有流体在有相对运动时都要产生内摩擦力，这是流体 的一种固有物理属性，称为流体的的一种固有物理属性，称为流体的粘滞性粘滞性或或粘性粘性。 用单位重量液体的能量损失用单位重量液体的能量损失 hw 表示水流的能量损失表示水流的能量损失 水头损失（依据边界条件以及作用范围）水头损失（依据边界条件以及作用范围） 水头损失水头损失 沿程损失沿程损失 hf 局部损失局部损失 hj jfw hhh 沿程水头损失沿程水头损失hf hf s 在在平直的固体边界平直的固体边界水道中，单位重量的液体从水道中，单位重量的液体从 一个断面流至另一个断面的机械能损失。一个断面流至另一个断面的机械能损失。 这种

12、水头这种水头 损失随沿程长度增加而增加，称损失随沿程长度增加而增加，称沿程水头损失。沿程水头损失。 发生在管道均匀流的直线段。发生在管道均匀流的直线段。 当液体运动时，由于局部边界形状和大小的当液体运动时，由于局部边界形状和大小的 改变、局部障碍，液体产生漩涡，使得液体在局改变、局部障碍，液体产生漩涡，使得液体在局 部范围内产生了较大的能量损失，这种能量损失部范围内产生了较大的能量损失，这种能量损失 称作称作局部水头损失局部水头损失。 发生在水流边界突然发生变化的流段。发生在水流边界突然发生变化的流段。 局部水头损失局部水头损失 突然管道缩小突然管道缩小 漩涡区漩涡区 管道中的闸门局部开启管道

13、中的闸门局部开启 漩涡区漩涡区 产生漩涡的局部范围产生漩涡的局部范围 局部水头损失局部水头损失 沿程水头损失沿程水头损失 hf s 发生发生 边界边界 平直的固体边界水道中平直的固体边界水道中 大小大小 与漩涡尺度、强度与漩涡尺度、强度, 边界形边界形 状等因素相关状等因素相关 耗能耗能 方式方式通过液体粘性将其能量耗散通过液体粘性将其能量耗散 外在外在 原因原因 液体运动的摩擦阻力液体运动的摩擦阻力 边界层分离或形状阻力边界层分离或形状阻力 水头损失水头损失 沿程损失沿程损失 hf 局部损失局部损失 hj jfw hhh 液体在以下管道时的沿程损失包括四段：液体在以下管道时的沿程损失包括四段

14、： hf 1hf 2 hf 3 hf 4 液体经过时的局部损失包括五段：液体经过时的局部损失包括五段： 进口、突然放大、突然缩小、弯管和闸门。进口、突然放大、突然缩小、弯管和闸门。 进口进口突然放大突然放大突然缩小突然缩小 弯管弯管 闸门闸门 第三节第三节 水头损失的计算水头损失的计算 l水头损失的计算水头损失的计算 l总水头损失：总水头损失： l式中，式中， 全流程中各沿程水头损失的总和全流程中各沿程水头损失的总和 l l 全流程中各边界突变点局部水全流程中各边界突变点局部水 头损失的总和头损失的总和 wfj hhh f h j h l灌溉中管道沿程水头损失的理论公式：灌溉中管道沿程水头损失

15、的理论公式： l（达西（达西-威斯巴赫公式）威斯巴赫公式） l式中，式中，f沿程阻力系数（又称沿程水头损失系数与沿程阻力系数（又称沿程水头损失系数与 流态和管壁粗糙程度有关）流态和管壁粗糙程度有关） l L管道长度（指同一管径的管段）管道长度（指同一管径的管段） l D管道内径管道内径 l 流速水头（具有长度单位）流速水头（具有长度单位） 2 2 f L v hf Dg 2 2 v g l灌溉中管道沿程水头损失的灌溉中管道沿程水头损失的经验公式经验公式 l式中，式中，hf沿程水头损失，沿程水头损失，m； l f摩阻系数，摩阻系数，查表得到查表得到； l L管长，管长，m； l Q流量，流量，m

16、3/h； l d管内径，管内径，mm； l m流量指数，流量指数，查表得到查表得到； l b管径指数，管径指数，查表得到查表得到。 l上述：上述：f, m, b 值可从有关表中查得。值可从有关表中查得。 m f b LQ hf d l局部水头损失计算局部水头损失计算：公式：公式 l式中式中 hj局部水头损失，局部水头损失， m； lk局部阻力系数；局部阻力系数； l 流速水头；流速水头； lv管道流速管道流速,m/s； lg重力加速度，重力加速度，9.81 m/s2 l可按沿程水头损失的可按沿程水头损失的10计计。 2 2 j v hk g 2 2 v g 各种管材的各种管材的 f、m 及及

17、b 值表值表 管材管材 fmb 混凝土管、钢筋混凝土管混凝土管、钢筋混凝土管 n=0.013 n=0.014 n=0.015 n=0.017 1.312106 1.516106 1.749106 2.240106 2 2 2 2 5.33 5.33 5.33 5.33 钢管、铸铁管钢管、铸铁管 硬塑料管硬塑料管 铝管、铝合金管铝管、铝合金管 石棉水泥管石棉水泥管 6.25105 0.948105 0.816105 0.455105 1.9 1.77 1.74 1.85 5.1 4.77 4.74 4.89 注：注：n 为粗糙系数。为粗糙系数。 l对于对于硬质塑料管道硬质塑料管道（PVC），目前

18、常用的计算），目前常用的计算 公式如下：公式如下： 第四节第四节 灌溉管网灌溉管网水力水力设计设计 l一一 灌溉支管水力设计灌溉支管水力设计 l喷灌支管是指带有喷头的最末一级管道，并且是多口喷灌支管是指带有喷头的最末一级管道，并且是多口 出流管。出流管。 l1、多口管沿程水头损失的计算、多口管沿程水头损失的计算 l 一般计算方法：一般计算方法： wfjfiji HHHhh l 简易计算方法：喷灌支管的特点：每隔固定间距，就有一简易计算方法：喷灌支管的特点：每隔固定间距，就有一 个喷头分流，每个喷头分流量或喷头出水量近似相等。个喷头分流，每个喷头分流量或喷头出水量近似相等。 l这种等间距、等流量

19、分流的管称为多口出流管，有一种简便这种等间距、等流量分流的管称为多口出流管，有一种简便 计算沿程总水头损失的方法计算沿程总水头损失的方法 l多口管沿程水头损失的计算多口管沿程水头损失的计算 l其方法为：首先根据管首流量计算沿程流量不变时（不考虑其方法为：首先根据管首流量计算沿程流量不变时（不考虑 分流）的水头损失分流）的水头损失hf，然后再乘以一个小于，然后再乘以一个小于1的折减系数的折减系数 （多口系数）（多口系数）F l即得多口管的沿程水头损失：即得多口管的沿程水头损失： ff HF h l多口系数多口系数F计算方法：多口系数计算方法：多口系数F与出流孔数目，孔口与出流孔数目，孔口 位置及

20、流量指数等有关，其计算公式为：位置及流量指数等有关，其计算公式为： l式中：式中：m流量指数（与材质有关）流量指数（与材质有关） lN管上出水口总数（或喷头总数）管上出水口总数（或喷头总数） lX多孔支管首孔位置系数，即支管入口至第一个多孔支管首孔位置系数，即支管入口至第一个 喷头（或孔口）的距离与喷头（或孔口）间距之比；喷头（或孔口）的距离与喷头（或孔口）间距之比； l即：即： F1X=1时的多口系数时的多口系数 1 1 1 N FX F NX 1 2 111 126 m F mNN 多口系数已制成表，不必计算，可直接查取多口系数已制成表，不必计算，可直接查取 l2、支管进口水头计算、支管进

21、口水头计算 l 平均压力或平均流量所处的位置在：距离支管进平均压力或平均流量所处的位置在：距离支管进 口口0.4L处，此处的水头损失为处，此处的水头损失为3/4Hf要求此处的压要求此处的压 喷头的工作压力喷头的工作压力 l 支管进口水头支管进口水头H0H喷头设计压力 喷头设计压力 H竖管高度 竖管高度 3/4Hf l3、20% 规则规则 l 支管设计主要的设计任务是限制喷头间的流量偏差，支管设计主要的设计任务是限制喷头间的流量偏差， 获得满意的均匀度和灌水效率。获得满意的均匀度和灌水效率。 l 一般原则为：控制同一支管上任意两个喷头的喷水量一般原则为：控制同一支管上任意两个喷头的喷水量 之差在

22、之差在10以内。此原则也等同于：控制支管上任意以内。此原则也等同于：控制支管上任意 两个喷头的工作压力水头之差不超过头设计工作压力两个喷头的工作压力水头之差不超过头设计工作压力 水头的水头的20%，此即为，此即为20%规则规则。 l 例题：例题： l已知：喷头流量已知：喷头流量q=3.2m3/h, 喷头个数喷头个数8，喷，喷 头间距头间距18米，竖管高度米，竖管高度1米，喷头工作压米，喷头工作压 力力350kPa，平地，支管采用，平地，支管采用PVC管，试分别管，试分别 计算：计算：1）支管允许的最大压力差；）支管允许的最大压力差；2）当支管）当支管 管径采用管径采用D163mm和和D2=50

23、mm时的支管水时的支管水 头损失和支管进口水头。头损失和支管进口水头。 l解：解： la、当当D50mm时（内径时（内径46mm） l无旁孔出流时的水头损失：无旁孔出流时的水头损失： lhf1=1.1 fLQmdb1.1 0.948105(718+9) (3.28)1.77464.7751.3 m l多孔出流时的水头损失：多孔出流时的水头损失：Hfhf1F51.30.387 19.8 m l支管进口水头：支管进口水头：H0H喷头设计压力 喷头设计压力 H竖管高度 竖管高度 34Hf 35m1m34 19.8 m0=50.85 m lb、当当D63mm时（内径时（内径58mm） l无旁孔出流时的

24、水头损失：无旁孔出流时的水头损失： lhf2=1.1 fLQmdb1.1 0.948105(718+9) (3.28)1.77584.7716.9 m l多孔出流时的水头损失：多孔出流时的水头损失：Hfhf2F19.60.387 6.55 m l支管进口水头：支管进口水头：H0H喷头设计压力 喷头设计压力 H竖管高度 竖管高度 34Hf 35m1m34 6.55 m040.91 m l支管的水力计算往往是一个反复的过程。在喷头选型、支管的水力计算往往是一个反复的过程。在喷头选型、 布置和支管长度确定后，水力计算的基本流程为：布置和支管长度确定后，水力计算的基本流程为：计计 算支管流量算支管流量初设管径初设管径计算水头损失计