第五章管道11

1、有压管中的恒定流：有压管中的恒定流：有压流有压流无压流无压流7.5简单管道简单管道复杂管道复杂管道长管长管短管短管自由出流自由出流淹没出流淹没出流简单管道简单管道串联管道串联管道并联管道并联管道水头损失以沿程水头损失为主，局部水头损失和流速水头在水头损失以沿程水头损失为主，局部水头损失和流速水头在总损失中所占比重很小，计算时可以忽略的管道总损失中所占比重很小，计算时可以忽略的管道局部损失及流速水头在总损失中占有相当的比重，计算时不局部损失及流速水头在总损失中占有相当的比重，计算时不能忽略的管道能忽略的管道gvHC2120物理意义：除了克服阻力外，全部能量都转化为动能。物理意义：除了克服阻力外，

2、全部能量都转化为动能。特例特例:自由液面：自由液面：pC=pa，液面恒定：，液面恒定：vo=0HzzHCA0收缩断面流速（收缩断面流速（0 0=1=1）002211gHgHvC孔口的流速系数孔口的流速系数，=0.970.98。是粘性流体与理想流是粘性流体与理想流 体速度的比值。体速度的比值。 二、薄壁锐缘小孔口的恒定出流二、薄壁锐缘小孔口的恒定出流 列断面列断面0000与收缩断面与收缩断面cccc的能量方程的能量方程： (c=1)01. 自由式自由式出流出流wcccoahgvpgvpH2022200agag孔口流量：孔口流量：0022gHAgHAAvAvQCCC面积收缩系数AACdc=0.8d

3、，则，则=0.64，又，又=0.970.98，则，则62. 061. 0流量系数0物理意义：克服阻力后物理意义：克服阻力后,仍恢复为势能仍恢复为势能特例：特例：p1= p2=pa，v1 v2 0HzzH210收缩断面流速：收缩断面流速：0012211gHgHvC孔口流量：孔口流量：与自由出流一致，且与自由出流一致，且不分大小孔口不分大小孔口H0与孔口位置无关与孔口位置无关 202022222111whgvHgvHaa0022gHAgHAAvAvQCCC(液面恒定液面恒定)2. 淹没式淹没式出流出流(hw由两部分组成由两部分组成)P97P97例题例题5-15-1应用：孔板流量计应用：孔板流量计g

4、pgvvgppzzH222212121002gHAQ注意：注意：A孔口面积，孔口面积，也可查表也可查表三、薄壁大孔口出流三、薄壁大孔口出流 )(2322232231H12HHgbdhghbQH 如果用孔口中心压强水头如果用孔口中心压强水头H H作为孔口作用水头，即将孔口断作为孔口作用水头，即将孔口断面各点的压强水头视为相等，按小孔口计算的流量为面各点的压强水头视为相等，按小孔口计算的流量为gHbdQ2表表5-15-1 大孔口的流量系数大孔口的流量系数 d/H0.1dl)43(特征：特征：agvHB2120流速：流速：002211gHgHvB流量：流量：0022gHAgHAAvQB82. 0与孔

5、口比较与孔口比较:由于真空的抽吸作用，流量增加由于真空的抽吸作用，流量增加0.82/0.62=1.32倍倍对锐缘进口的管嘴，对锐缘进口的管嘴，=0.5，82. 05 . 011,22002022200gvgvgvHaa62. 061. 0流量系数0nnannnn注意：注意：管嘴正常使用条件管嘴正常使用条件（防止气蚀）（防止气蚀）列列C-C、B-B断面能量方程断面能量方程wBBCChgvgpgvgp2222gvhBw22AvAvBCC连续性方程连续性方程A取取AAC21102gHvB82. 0aBpp 解得解得C-C断面真空值断面真空值075. 0HgppCa允许真空值允许真空值 mhv7mH.

6、 975. 070H0的极限值的极限值管嘴正常使用条件之一管嘴正常使用条件之一管嘴正常使用条件之二管嘴正常使用条件之二dl)43(二、管嘴的种类二、管嘴的种类（a a）圆柱外伸管嘴；）圆柱外伸管嘴；（b b）圆柱内伸管嘴；）圆柱内伸管嘴；（c c）外伸圆锥收缩型管嘴；）外伸圆锥收缩型管嘴；（d d）外伸圆锥扩张型管嘴；）外伸圆锥扩张型管嘴；（e e）外伸流线型管嘴）外伸流线型管嘴表表5-3 管嘴水力特性管嘴水力特性例：水箱中用一带薄壁孔口的板隔开，孔口及两出流例：水箱中用一带薄壁孔口的板隔开，孔口及两出流管嘴直径均为管嘴直径均为d=100mm，为保证水位不变，流入水箱，为保证水位不变，流入水箱

7、左边的流量左边的流量Q=80L/s，求两管嘴出流的流量，求两管嘴出流的流量q1、q2。2解：设孔口的流量为解：设孔口的流量为q212hhgAq62. 0对管嘴对管嘴1112ghAq82. 012222ghAq82. 02连续性方程连续性方程21qqQ2qq 解得解得sLq/501sLq/302OHV0011测压管水头线的定性分析测压管水头线的定性分析22VgpgV00202Vg22Vg2211V00V下022Vg2211V00V下022VgwaahgvpgvpH202220agag,2200gvHHa ,210gHdlva .2402gHdAvQc ,1adlc0,20222220vhgvpg

8、vpHwaaagag,2200gvHHa ,210gHdlv .2402gHdAvQc ,1dlc校核输水校核输水能力能力设计水塔设计水塔或选泵或选泵设计管路系统设计管路系统画总水头线、测画总水头线、测压管水头线压管水头线应用：应用：ZZs 虹吸管是一种压力管，顶部弯虹吸管是一种压力管，顶部弯曲且其高程高于上游供水水面。其曲且其高程高于上游供水水面。其顶部的真空值一般不大于顶部的真空值一般不大于7 78m8m水水柱高。虹吸管柱高。虹吸管安装高度安装高度Z Zs s越大，顶越大，顶部真空值越大。部真空值越大。 虹吸管的优点在于能跨越高地，虹吸管的优点在于能跨越高地，减少挖方。减少挖方。 虹吸管长

9、度一般不长，故按短虹吸管长度一般不长，故按短管计算。管计算。1122 通过水泵转轮转动的通过水泵转轮转动的作用，在水泵进口端形成真空，作用，在水泵进口端形成真空，使水流在池面大气压作用下沿使水流在池面大气压作用下沿吸水管上升，流经水泵时从水吸水管上升，流经水泵时从水泵获得新的能量，从而输入压泵获得新的能量，从而输入压力管，再流入水塔。力管，再流入水塔。安装高度安装高度提水高度提水高度安装高度安装高度ZZs吸水管吸水管压水管压水管水泵向单位重量液体所提供的机械能，称为水泵的扬程twwHZhh吸水管压水管1.虹吸管虹吸管2.水泵水泵P104P104例题例题5-25-2，3 3，4 4 5-4 5-

10、4 长管的水力计算长管的水力计算（条件：（条件：L/d1000） 局部损失（包括速度水头）不计，损失线性下降，总水头局部损失（包括速度水头）不计，损失线性下降，总水头线与测压管水头线重合。线与测压管水头线重合。包括：简单管路、串联、并联、沿程均匀泄流管路和管网。包括：简单管路、串联、并联、沿程均匀泄流管路和管网。单位长阻抗单位长阻抗比阻比阻S0gdS5208s2/m620lQSH 一一.简单管道简单管道gvhHw2222222gAQdlgvdlhhfw忽略忽略hj和速度水头和速度水头;161Rn28Cg d0.00201S 0.014,n d0.00174S 0.013,n d0.00148S

11、 0.012,n 5.3305.3305.330当当当 22RCvJ 642520CdS谢才公式谢才公式P64P64对于对于钢筋混凝土管道钢筋混凝土管道，通常采用谢才公，通常采用谢才公 式来计算水力坡度式来计算水力坡度. .式中式中 RR水力半径；水力半径； CC谢才系数，谢才系数，C=C=用满宁公式代入后，得到：用满宁公式代入后，得到：式中，管径式中，管径d d的单位为的单位为m m。计算比阻计算比阻S S0 0的公式：的公式： 式中式中K K表示修正系数，即表示修正系数，即K Kv3.0867.01852.0v 001736. 0001736. 0867. 0108523 . 53 . 5

12、3 . 00jjdKdvS2.2.舍维列夫公式舍维列夫公式对于对于旧钢管、旧铸铁管旧钢管、旧铸铁管通常采用舍维列夫公式，见第四章通常采用舍维列夫公式，见第四章P63P63，当当 1.2m1.2m/s/s（过渡区），（过渡区），表表5-45-4 舍维列夫公式的修正系数舍维列夫公式的修正系数K K当当smv/2 . 1（粗糙区）（粗糙区） 001736. 03 . 50jdS 串联长管的计算，如管道长度串联长管的计算，如管道长度l已知已知H H、d d，求，求Q Q。已知已知Q Q、d d，求，求H H。已知已知H H、Q Q，求，求d d。例题：例题：5-55-5，5-65-6，5-75-7已知

13、时，利用长管计算的基本公式已知时，利用长管计算的基本公式, ,可以解决以下可以解决以下三类问题：三类问题：一定，管壁材料一定，管壁材料二二. .复复 杂杂 管管 道道1.1.串联管道串联管道几段不同管径的简单管路依次连接几段不同管径的简单管路依次连接类比电路类比电路iQQ iifilSQhH02如如20iiifiQlShHHUQI,适用于流量变化的管路适用于流量变化的管路,或或充分利用作用水头充分利用作用水头P111 例例5-82.2.并联管道并联管道两根以上的管道，两端都接在公共点上两根以上的管道，两端都接在公共点上特点：增加流量；提高供水可靠性特点：增加流量；提高供水可靠性 iQQ流体的自

14、调性，阻力平衡流体的自调性，阻力平衡ffffhhhh432244042330322202QlSQlSQlS必须满足连续性条件必须满足连续性条件 能量关系能量关系: :质量关系质量关系:P112 例例5-9，1020clQSHqlQQc55. 020031lQSH 给水工程中，有的配水管和冲洗管，要求流量沿着管子泄给水工程中，有的配水管和冲洗管，要求流量沿着管子泄出，若单位长度上泄出的流量均为出，若单位长度上泄出的流量均为q q（q q称为途泄流量称为途泄流量），则这），则这种管路称为沿程均匀泄流管路。种管路称为沿程均匀泄流管路。 Q-Q-转输流量转输流量。3、沿程均匀泄流管路、沿程均匀泄流管路

15、假设：将这种沿程均匀泄流看成是连续的假设：将这种沿程均匀泄流看成是连续的 dxQSdhMf20QM=Q+qx 312220lqQqlQlShHf近似近似当转输流量当转输流量Q=0Q=0时时 Q计算流量计算流量 P114 例例5-115-5 5-5 管管 网网 计计 算算两种形式：枝状管网、环状管网两种形式：枝状管网、环状管网枝状管网枝状管网常用于中、小城市或山区管网系统；常用于中、小城市或山区管网系统；环状管网环状管网常用于大、中城市的管网系统。常用于大、中城市的管网系统。 管网内各管段的管径是根据流量管网内各管段的管径是根据流量Q Q和速度和速度 来决定的来决定的. . .13.14vQvQ

16、d确定管径时，应该作综合评价确定管径时，应该作综合评价 ，采用采用经济流速经济流速.经济流速经济流速在选用时应使得给水的总成本（包括铺设水管的在选用时应使得给水的总成本（包括铺设水管的建筑费、泵站建筑费、水塔建筑费及抽水经常运转费之总和）建筑费、泵站建筑费、水塔建筑费及抽水经常运转费之总和）最小的流速。最小的流速。一般的中、小直径的管路大致为：一般的中、小直径的管路大致为： ,400100mmd d当直径当直径当直径当直径 400mm400mm，经济流速，经济流速v=1.01.4m/s。经济流速经济流速v v=0.61.0m/s；1.1.枝状管网的水力计算（两类）枝状管网的水力计算（两类）（1

17、 1）新建给水系统的设计新建给水系统的设计a.a.由由连续性方程确定连续性方程确定节点流量节点流量b.b.由流量确定各管段管径由流量确定各管段管径ve经济流速经济流速（规范要求）（规范要求）0iQeivQd4已知管网沿线的地形资料、各管段长度、管材、各供水点的流已知管网沿线的地形资料、各管段长度、管材、各供水点的流量和要求的自由水头（各用水器具要求的最小工作压强水头），量和要求的自由水头（各用水器具要求的最小工作压强水头），要求确定各管段管径和水塔水面高度及水泵扬程。要求确定各管段管径和水塔水面高度及水泵扬程。 c.c.由由控制线控制线确定作用水头确定作用水头d.d.阻力平衡，调整支管管径阻力

18、平衡，调整支管管径. . 0tzftzzHhH式中式中 H Hz z控制点的自由水头；控制点的自由水头； z z0 0控制点地形标高；控制点地形标高； z zt t水塔处的地形标高；水塔处的地形标高； h hf f从水塔到管网控制点的总水头损失。从水塔到管网控制点的总水头损失。 不是整个管网的总水头损失不是整个管网的总水头损失充分利用能量充分利用能量能量方程能量方程a.a.由连续性方程确定节点流量由连续性方程确定节点流量0iQb.b.由控制线确定水力坡度由控制线确定水力坡度扩建给水系统的设计扩建给水系统的设计已知管网沿线地形、各管段长度、管已知管网沿线地形、各管段长度、管材及各供水点需要的流量

19、与自由水头，在水塔已建成的条件下，材及各供水点需要的流量与自由水头，在水塔已建成的条件下，确定扩建管段管径的计算。确定扩建管段管径的计算。（2 2）扩建给水系统的设计）扩建给水系统的设计计算原则是：要充分利用已有的作用水头。计算原则是：要充分利用已有的作用水头。 )(0lHzzHJzttC.C.根据公式根据公式20QSJ 求出求出S S0 0，再查表，选择管径。，再查表，选择管径。 d.d.计算支管管径（串联管路），并进行阻力平衡。计算支管管径（串联管路），并进行阻力平衡。2.2.环状管网的水力计算环状管网的水力计算通常环状管网的布置及各管段的长度通常环状管网的布置及各管段的长度因此，环状管网

20、水力计算的目的仍是确定各管段通过的流量因此，环状管网水力计算的目的仍是确定各管段通过的流量Q Q和和管径管径d d，从而求出各段的水头损失和确定水塔的高度。，从而求出各段的水头损失和确定水塔的高度。 和各节点流出的流量为已知。和各节点流出的流量为已知。管网上管段管网上管段n ng g和环数和环数n nk k以及节点数以及节点数n np p，存在着以下关系，存在着以下关系1pkgnnn而管网中的每一管段均有两个未知数，而管网中的每一管段均有两个未知数，Q Q和和d d，未知数的总数为：，未知数的总数为：122pkgnnn环状管网的水力计算，应遵循以下两条水力准则进行反复运算：环状管网的水力计算，

21、应遵循以下两条水力准则进行反复运算： 1.1.水流的连续性原理水流的连续性原理： Q=0 2.2.能量相等原理能量相等原理： 020iiifQlSh（1 1）节点方程）节点方程（2 2）回路方程）回路方程0iQ02iiiiQlSh校正流量校正流量Q2QQShhiiii展开，略去二阶微量展开，略去二阶微量QQShiii2由由02QQShhhhhiiiiiiiiiiiiiiiiiQhhQQShQShQ2222水击水击在有压管路中流动的液体，由于外界因素（诸如阀门在有压管路中流动的液体，由于外界因素（诸如阀门突然关闭、水泵突然停车等）使其流速发生突然变化（即动量突然关闭、水泵突然停车等）使其流速发生

22、突然变化（即动量发生变化），从而引起压强突然变化（升压和降压交替进行）。发生变化），从而引起压强突然变化（升压和降压交替进行）。有压管道的水击（水锤）可压缩、非恒定流可压缩、非恒定流水击具有破坏性水击危害水击危害水击时所产生的升压，可达原来正常压强的几倍甚水击时所产生的升压，可达原来正常压强的几倍甚至几十倍，而且增压和减压的频率很高，往往会引起管道激烈震至几十倍，而且增压和减压的频率很高，往往会引起管道激烈震动，严重时会造成阀门破坏、管道接头脱落，甚至管道爆裂等重动，严重时会造成阀门破坏、管道接头脱落，甚至管道爆裂等重大事故。大事故。水击的传播过程水击的传播过程第一阶段第一阶段00vppp00

23、水击速度水击速度c在在t=l/c时到达管道口时到达管道口发生水击的原因发生水击的原因 引起管道水流速度突然变化的因素是发生水击的外加条件，引起管道水流速度突然变化的因素是发生水击的外加条件，水流本身具有惯性和压缩性则是发生水击的内在原因。水流本身具有惯性和压缩性则是发生水击的内在原因。 减速增压过程减速增压过程 AAA第二阶段第二阶段00v00ppp在在t=2l/c时到达阀门时到达阀门第三阶段第三阶段00vppp00在在t=3l/c时到达管道口时到达管道口减速减压过程减速减压过程 增速减压过程增速减压过程 AAAAAA第四阶段第四阶段00v00ppp在在t=4l/c时到达阀门时到达阀门增速增压过程增速增压过程 在水击的过程中，管道各断面的流速和压强都随时间周期性的在水击的过程中，管道各断面的流速和压强都随时间周期性的升高和降低，不断地变化。升高和降低，不断地变化。 AAA循环、衰减循环、衰减如果关闭阀门的时间如果关闭阀门的时间T T小于一个相长，即小于一个相长，即T T cl /2 那么最早发出的水击波的反射波在到