给水排水管网水力学基础

1、第三章第三章 给水排水管网水力学基础给水排水管网水力学基础目录3.1 给水排水管网流动特征给水排水管网流动特征流态特征流态特征水的三种流态水的三种流态 层流层流 Re4000 过渡流过渡流 Re 20004000其中Re 称为雷诺数 V V管内平均流速（管内平均流速（m/s)m/s) D D管径（管径（m)m) 水的运动粘滞系数（水的运动粘滞系数（m2/s)m2/s)给水排水管网水流一般处在给水排水管网水流一般处在紊流流态紊流流态VDRe紊流流态紊流流态分为分为三个阻力特征区三个阻力特征区： 阻力平方区阻力平方区 水头损失与水头损失与流速平方流速平方成正比成正比 过渡区过渡区 水头损失和水头损

2、失和流速流速1.752次方次方成正比成正比 水力光滑管区水力光滑管区 水头损失和水头损失和流速流速1.75次方次方成正比成正比给水排水管网水流一般处在给水排水管网水流一般处在阻力平方区阻力平方区和和过渡区过渡区恒定流与非恒定流恒定流与非恒定流 恒定流：流体的恒定流：流体的流动参数流动参数随时间随时间不不发生变化发生变化 非恒定流：流体的非恒定流：流体的流动参数流动参数随时间随时间发生变化发生变化 给水排水管网中，给水排水管网中，水流水力因素随时间变化水流水力因素随时间变化，属于，属于非恒定流，水力计算复杂。非恒定流，水力计算复杂。 在设计时一般只能按在设计时一般只能按恒定流恒定流计算。计算。

3、均匀流与非均匀流均匀流与非均匀流 均匀流：水流参数均匀流：水流参数随空间随空间不发生变化不发生变化 非均匀流：非均匀流：水流参数水流参数随空间随空间发生变化发生变化。 满管流动满管流动 1）如果）如果管道截面管道截面在在一段距离内不变且不发生转弯一段距离内不变且不发生转弯，为均匀流，管道对水流阻力沿程不变，采用为均匀流，管道对水流阻力沿程不变，采用沿程水沿程水头损失公式头损失公式计算；计算； 2）当管道在）当管道在局部分叉、转弯与变截面局部分叉、转弯与变截面时，流动为时，流动为非均匀流，采用非均匀流，采用局部水头损失公式局部水头损失公式计算。计算。 非满管流或渠流，只要长距离截面不变，可以非满

4、管流或渠流，只要长距离截面不变，可以近似近似为均匀流为均匀流。急变流缓变流非均匀流压力流与重力流压力流与重力流 压力流压力流 输水通过输水通过封闭封闭的管道进行，的管道进行，水流阻力水流阻力主要依靠主要依靠水的压能水的压能克服，克服，沿程阻力大小只与沿程阻力大小只与管道内壁粗糙程度管道内壁粗糙程度、管道长度管道长度和和流速流速有关，有关，与管道与管道埋设深度埋设深度和和坡度坡度无关无关。 重力流重力流 管渠中管渠中水面水面与与大气相通大气相通，非满流，非满流，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。 给水多压力流，排水多重力流给水多压

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、倒虹管倒虹管是压力流。是压力流。 水流的水头与水头损失水流的水头与水头损失水头：水头：单位单位重量重量的流体所具有的的流体所具有的机械能机械能，用，用h或或H表示，单位米水柱表示，单位米水柱(mH2O)。位置水头位置水头Z压力水头压力水头Pa/ 测压管水头测压管水头 流速水头流速水头v2/2g 总水头总水头 = g水头损失水头损失 水头损失水头损失： 流体流体克服流动阻力克服流动阻力所消耗的所消耗的机械能机械能称为称为水头损失水头损失。 沿程水头损失沿程水头损失 水头损失水头损失

6、局部水头损失局部水头损失 沿程沿程水头损失水头损失：当流体受固定边界限制做均匀流动时，当流体受固定边界限制做均匀流动时，流动阻力中只有沿程不变的切应力，称为沿程阻力，由此产流动阻力中只有沿程不变的切应力，称为沿程阻力，由此产生的水头损失。生的水头损失。 局部局部水头损失水头损失：当流体的当流体的固定边界固定边界发生突然变化，引起发生突然变化，引起流速分布或方向发生变化，从而集中发生在较短范围的阻力流速分布或方向发生变化，从而集中发生在较短范围的阻力称为局部阻力，因此产生的水头损失。称为局部阻力，因此产生的水头损失。3.2 管渠水头损失计算管渠水头损失计算谢才公式谢才公式hf沿程水头损失，沿程水

7、头损失，m；v过水断面平均流速，过水断面平均流速，m/s；C谢才系数；谢才系数；R过水断面水力半径，过水断面水力半径，m，圆管，圆管满流满流R=0.25D；L L 管渠长度，管渠长度，m。lRCvhf223.2.1 沿程水头损失计算沿程水头损失计算沿程水头损失计算沿程水头损失计算对于对于圆管圆管满流满流，达西公式达西公式：D管段直径，管段直径，m；g 重力加速度，重力加速度，m/s 2；沿程阻力系数，沿程阻力系数， =8g/C2gvDlhf22谢才系数谢才系数或沿程阻力系数的确定谢才系数或沿程阻力系数的确定（1）海曾）海曾-威廉公式威廉公式 适用于适用于较光滑较光滑的的圆管满流管圆管满流管紊流

8、紊流计算计算，主要用，主要用于给水管道水力计算。于给水管道水力计算。 q流量，流量，m3/s； Cw海曾海曾-威廉威廉粗糙系数。粗糙系数。148. 0852. 113. 016.13qCgDw谢才系数或沿程阻力系数的确定谢才系数或沿程阻力系数的确定（2）柯尔勃洛克）柯尔勃洛克-怀特公式怀特公式 适用于适用于各种紊流各种紊流，是，是适用性适用性和和计算精度计算精度最高的最高的公式之一公式之一。 e 管壁当量粗糙度，管壁当量粗糙度，m。)Re462. 47D. 3e(2lg1)Re462. 48 .14lg(71.17875. 0875. 0或ReC水力半径水力半径管道直径管道直径谢才系数或沿程阻

9、力系数的确定谢才系数或沿程阻力系数的确定（3）巴甫洛夫斯基公式）巴甫洛夫斯基公式 适用于适用于明渠流明渠流和和非满流非满流排水管道排水管道计算计算。曼宁粗糙系数式中BBBn) 1 . 0n(R75. 013. 0n5 . 2yBynRC谢才系数或沿程阻力系数的确定谢才系数或沿程阻力系数的确定（4）曼宁公式）曼宁公式 巴甫洛夫斯基公式中巴甫洛夫斯基公式中y=1/6时的特例，适用于时的特例，适用于明渠明渠或或较粗糙较粗糙的管道计算。的管道计算。 nM曼宁公式粗糙系数。曼宁公式粗糙系数。MnRC6沿程水头损失计算公式的比较与选用沿程水头损失计算公式的比较与选用 柯尔勃洛克柯尔勃洛克-怀特公式怀特公式

10、具有较高的精度具有较高的精度; 巴甫洛夫斯基公式巴甫洛夫斯基公式具有较宽的适用范围，具有较宽的适用范围，1.0e 5.0mm; 曼宁公式曼宁公式适用于较粗糙的管道适用于较粗糙的管道, 0.5e 4.0mm; 海曾海曾-威廉公式威廉公式适用于较光滑的管道适用于较光滑的管道,e 0.25mm;局部水头损失计算局部水头损失计算局部阻力系数。；局部水头损失，m22mmhgvh局部阻力设施局部阻力设施全开闸阀0.1990。弯头0.950%开启闸阀2.0645。弯头0.4截止阀35.5三通转弯1.5全开蝶阀0.24三流直流0.1水头损失公式的指数形式水头损失公式的指数形式 沿程水头损失计算公式的沿程水头损

11、失计算公式的指数指数形式：形式： mfnffmnfDklssmnkqshlDkqhf,摩阻系数指数公式参数或参数海曾威廉公式曼宁公式K10.67/Cw1.85210.29nM2n1.8522.0m4.875.333局部阻力系数mnmsqshm局部水头损失公式的局部水头损失公式的指数指数形式：形式：gvhm22？3.3 非满流管渠水力计算非满流管渠水力计算排水管网排水管网和和长距离输水长距离输水工程常采用工程常采用非满管流非满管流。非满管流非满管流水力计算水力计算目的是确定目的是确定管段流量管段流量流速流速断面尺寸断面尺寸充满度充满度坡度坡度3.3.1 非满流管渠水力计算公式非满流管渠水力计算公

12、式 充满度充满度h/D指设计流量下，管道内的指设计流量下，管道内的有效水深有效水深与与管径管径的的比值比值。 过水断面过水断面A=A（D，h/D） 水力半径水力半径R=R(D,h/D) 采用谢才公式计算水头损失，将曼宁公式代入并转换：采用谢才公式计算水头损失，将曼宁公式代入并转换： 由流量和流速关系得：由流量和流速关系得：21321IRnvmhD21321IARnqm水力坡度水力坡度2132)/,(1IDhDRnvm2132)/,()/,D(1IDhDRDhAnqm5个水力参数个水力参数q、D、h、I、v, 已知其中已知其中3个个就可以求出就可以求出另一个。另一个。非满流水力计算简化方法非满流

13、水力计算简化方法 （1）水力计算图表）水力计算图表 （2）借助借助满流满流水力计算公式水力计算公式并通过一定的并通过一定的比比例变换例变换进行计算进行计算充满度流量坡度流速（1）水力计算图表）水力计算图表缺缺点点精精度度低低，通通用用性性差差。(2)比例变换法比例变换法 假设有一条假设有一条满流管渠满流管渠与与待计算待计算的的非满流管渠非满流管渠具有具有相相同同的的管径管径D和和水力坡度水力坡度I，那么其过水断面面积为，那么其过水断面面积为A0，水力半径为水力半径为R0，通过流量为，通过流量为qo，流速为，流速为vo。可以证明：可以证明：A/ A0 、R/ R0 、q/ qo 、v/ vo只和

14、只和充满度充满度有关。有关。非满流管渠水力计算方法非满流管渠水力计算方法 一、已知一、已知流量流量q、管径、管径D和水力坡度和水力坡度I，求，求充充 满度满度h/Dh/D和和流速流速v v。 1）先由下式计算）先由下式计算q/q0，反查，反查表表1的充满度的充满度h/D；5 .0667.22138350020213200208.344410IDqnIDqnqqDRDAIRAnqqqMMM管渠的粗糙系数管渠的粗糙系数2）根据充满度）根据充满度h/D，查，查表表1得得A/A0，然后用下式计算流速，然后用下式计算流速v。)/(273. 1)/(44020220AADqAADqvDvqAA式式1式式2

15、表1例例3.1已知某污水管道设计流量为已知某污水管道设计流量为q=100L/s，根据地，根据地形条件可以采用水力坡度为形条件可以采用水力坡度为I=7%，初拟采用管径，初拟采用管径D=400mm的钢筋混凝土管，粗糙系数的钢筋混凝土管，粗糙系数nM=0.014，求，求其充满度其充满度h/D和流速和流速v。解解 用粗糙度系数、管径和水力坡度带入用粗糙度系数、管径和水力坡度带入式式1计算：计算：反查反查表表1的充满度的充满度h/D=56.9%，相应，相应A/AO=0.587，由，由式式2计算：计算： 618. 0007. 04 . 01 . 0014. 0208. 3208. 35 . 0667. 2

16、5 . 0667. 20IDqnqqM36. 1587. 04 . 01 . 0273. 1)/(273. 1202AADqv3.4 管道的水力等效简化管道的水力等效简化 目的：目的：采用水力等效的原理，将局部管网简化成简单采用水力等效的原理，将局部管网简化成简单的形式。的形式。常用方法：常用方法： 多条管道串联或并联，等效为多条管道串联或并联，等效为单条单条管道；管道； 管道沿线分散出流或入流，等效为管道沿线分散出流或入流，等效为集中集中出流或入流；出流或入流； 泵站多台水泵并联工作可以等效为泵站多台水泵并联工作可以等效为单台水泵单台水泵。等效原则：等效原则：等效管网对象与原来的实际对象具有

17、等效管网对象与原来的实际对象具有相同的水力特性相同的水力特性。l1 l2 lNd1 d2 dNmNimiiNimiinmndllddlkqdlkq111经变换有：1、串联管道的简化、串联管道的简化l 根据水力等效的原则：根据水力等效的原则：2、并联管道的简化、并联管道的简化 将它们等效为一条直径为将它们等效为一条直径为d，长度为，长度为l的管道，输送流量的管道，输送流量q=q1+q2+qN。 根据水力等效的原则：根据水力等效的原则：mnNinmimNnNmnmnmndddlkqdlkqdlkqdlkq12211经变换：d1 q1d2 q2dN qNq任一管段的流量：任一管段的流量：沿线流量，转

18、输流量沿线流量，转输流量。tlqq tqlqqsl3、沿线均匀出流简化、沿线均匀出流简化假设沿线出流均匀，则管道内任意断面假设沿线出流均匀，则管道内任意断面x上的流量上的流量可以表示为：可以表示为：沿程水头损失计算如下：沿程水头损失计算如下：ltxqlxlqqlqdnqqqkdxdqlxlqkhlmntnltlmnltf) 1()()(110tlqq tqxdxL沿程水头损失公式沿程水头损失公式为简化计算，将沿线流量为简化计算，将沿线流量ql分为两个集中流量，分分为两个集中流量，分别转移到管段的别转移到管段的两个节点两个节点。假设转移到假设转移到末端末端的流量为的流量为aql，则通过管道流量为

19、：则通过管道流量为：水头损失为：水头损失为：tlqq tqlqlq1ldaqqkhmnltf)(根据水力等效原则：根据水力等效原则：31/333. 5m, 2)() 1()(211aqqnldaqqklqdnqqqkhltmnltlmntnltf代入上式可以求得：，令5 . 0,577. 0, 0aa4、局部水头损失计算的简化、局部水头损失计算的简化 可将局部水头损失等效于可将局部水头损失等效于一定长度的管道一定长度的管道（称为（称为当当量管量管）的沿程水头损失，从而与沿程水头损失合并）的沿程水头损失，从而与沿程水头损失合并计算。计算。2dd222d2C8gDDllRCv2gvDl2gv局部阻力等效后的长度局部阻力等效后的长度3.5 水泵与泵站水力特性水泵与泵站水力特性nppepqshh3.5.1 水泵水力特性公式及其参数计算水泵水力特性公式及其参数计算 扬程：水泵提供给扬程：水泵提供给单位重量单位重量水的机械能（水的机械能（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扬程扬程的关系，如下式：的关系，如下式：nppepqshh121Q2Q