管道供水工程

1、管管 道道 供供 水水 工工 程程河北水利电力学院水利工程系河北水利电力学院水利工程系王慧王慧内容纲要： 管道的定义及分类管道的定义及分类 管道水头损失的类型及计算管道水头损失的类型及计算 真空现象真空现象 有压管道中的水击（水锤）有压管道中的水击（水锤） 管道的定义及分类管道的定义及分类一、水流运动的类型一、水流运动的类型1、恒定流与非恒定流恒定流与非恒定流若流场中所有空间点上的一切运动要素都不随时间变化，称为恒定流；否则，称之为非恒定流。恒定流中，一切运动要素只是空间位置坐标的函数而与时间t无关。若水箱中的水位不恒定，管中各点的运动要素随t 变化，为非恒定流；若补水使水箱中的水位恒定，则管

2、中水流可为恒定流。水库水库t0时刻t1时刻2、均匀流与非均匀流、均匀流与非均匀流流线为相互平行的直线？流线为相互平行的直线？均匀流均匀流非均匀流非均匀流均匀流的流线必为相互平行的直线，而非均匀流的流线要么是曲线，要么是不相互平行的直线。问题：直径不变的圆管中的水流是均匀流吗？问题：直径不变的圆管中的水流是均匀流吗？（1）均匀流l流线是流速场的矢量线，是指某一瞬时，在流场中绘出的一条光滑的矢量曲线（或直线），其上所有各点的速度向量都与该线相切。l过水断面是与流线正交的横断面，当流线互相平行时，过水断面为平面，当流线互不平行时，过水断面为曲面。（2）非均匀流渐变流渐变流急变流急变流是否接近是否接近

3、均匀流均匀流？是是否否l流线虽不平行，但夹角较小流线虽有弯曲，但曲率较小l流线间夹角较大；流线弯曲的曲率较大。l流线是近似平行的直线。l流线是曲线或非常的不平行的直线。流线图流线图均匀流均匀流均匀流均匀流非均匀流非均匀流均匀流均匀流非均匀流非均匀流均匀流均匀流非均匀流非均匀流非均匀流非均匀流渐变流渐变流急变流急变流急变流急变流急变流急变流 根据液流在流动过程中有无自由表面，可将其分为有压流与无压流。液体沿流程整个周界都与固体壁面接触，而无自由表面的流动称为有压流。它主要依靠压力作用而流动，其过水断面上任意一点的动水压强一般与大气压强不等。例如，自来水管和水电站的压力管道中的水流，均为有压流。3

4、、有压、有压流与流与无压流无压流 若液体沿流程一部分周界与固体壁面接触，另一部分与空气接触，具有自由表面的流动，称为无压流。它主要是依靠重力作用而流动，因无压流液面与大气相通，故又称为重力流或明渠流。例如，河渠中的水流和未充满管道断面中的水流，均为无压流。有无自由表面有无自由表面 无压流无压流有压流有压流 自由液面是指直接与外界大气相接触的液面，自由液面上各点的相对压强为零。自由液面的确定自由液面的确定p0ABh管道有压管道无压管道有压管恒定流非恒定流二、管道的定义及分类二、管道的定义及分类 输水管道属于有压管道。n有压管道：管道周界上的各点均受到液体压强的作用。有压管中的恒定流：有压管中液体

5、的运动要素不随时间而变。n1.1.简单管道和复杂管道简单管道和复杂管道n 根据管道的组成情况我们把它分为简单管道和复杂管道。 简单管道是指直径和流量沿流程不变的管道； 复杂管道是指由两根以上管道组成的管道系统。复杂管道又可以分为串联管道、并联管道、分叉管道和管网。hhhf1fABCDld,dlf2Q,dlQ2Q1HH112221枝状管网枝状管网 定义呈树状向供水区延伸，一般是管径随所供给用户的减少而变小。 优点长度短、构造简单、投资省。 缺点一段管路停水检修时，其后续管路均要断水。 n环状管网环状管网是各管段首尾相连形成了若干个闭合环形的管网。n优点：优点：从水塔到用户的水流路线有很多条，任一

6、管段出现问题，其他管路可以进行供水补给，供水可靠性高。n缺点：缺点：管路总长度较大，管网布局复杂，造价高，设计计算复杂。一般用于大型给水工程和通风系统。环状管网环状管网 n2. 自由出流和淹没出流自由出流和淹没出流 n 自由出流自由出流是指管道出口水流流入大气之中；n 淹没出流淹没出流是指管道出口在下游水面以下，被水淹没。 n3.3.短管和长管短管和长管 n 短管短管是指管路中水流的沿程水头损失和局部水头损失都不能忽略不计的管道；n 长管长管是指局部水头损失远小于沿程水头损失，在计算中可以忽略的管道，只考虑沿程水头损失。 n需要注意的是：短管和长管不是完全按管道的长短来区分的。将有压管道按长管

7、计算，可以简化计算过程。但在不能判断局部水头损失远小于沿程水头损失之前，按短管计算不会产生较大的误差。 管道水头损失的类型及计算管道水头损失的类型及计算水头损失水头损失沿程水头损失沿程水头损失局部水头损失局部水头损失边界不同边界不同当液体作均匀流时，沿程不变的切应力。当液体作均匀流时，沿程不变的切应力。沿程阻力沿水流沿程阻力沿水流长度均匀分布长度均匀分布 沿程水头损失形成条件：沿程水头损失形成条件： 固体边界沿程不变，发生均匀流。固体边界沿程不变，发生均匀流。 工程中，长直管道和长直渠道内的液流工程中，长直管道和长直渠道内的液流沿程阻力沿程阻力:沿程水头损失沿程水头损失: 与流程长度与流程长度

8、成正比成正比fh一、沿程水头损失一、沿程水头损失: 水流克服沿程阻力作功而引起的水流克服沿程阻力作功而引起的水头损失，水头损失， 用用 表示。表示。fh二二 、局部水头损失、局部水头损失由于固体由于固体边界急剧改变边界急剧改变而产生的阻力，而产生的阻力，（主要由漩涡碰撞摩擦造成）（主要由漩涡碰撞摩擦造成） 由局部阻力引起的局部范围之内的能量损由局部阻力引起的局部范围之内的能量损失，用失，用 表示表示 mh局部阻力局部阻力：局部水头损失：局部水头损失：局部损失形成条件：局部损失形成条件： 固体边界急剧改变，形成急变流固体边界急剧改变，形成急变流水头损失产生原因水头损失产生原因 外因：固体边界影响

9、外因：固体边界影响内因：液体具有粘滞性内因：液体具有粘滞性 （决定作用）（决定作用）某一流段的总水头损失：某一流段的总水头损失：mfwhhhH123三、沿程损失计算公式（达西公式）三、沿程损失计算公式（达西公式）沿程阻力系数沿程阻力系数断面湿周断面湿周过水断面面积过水断面面积水力半径28gC沿程阻力系数沿程阻力系数式中，式中，C C谢才系数，单位为谢才系数，单位为m m1/21/2/s/s。谢才系数的经验公式：谢才系数的经验公式：1 、曼宁公式、曼宁公式2、 巴甫洛夫斯基公式巴甫洛夫斯基公式11yCRn161CRn适用范围适用范围:管道及较小渠道，管道及较小渠道，n0.020，R0.5m n粗

10、糙系数，简称糙率。综合反映壁面对水流粗糙系数，简称糙率。综合反映壁面对水流阻滞作用，查规范或水力学手册。阻滞作用，查规范或水力学手册。适用范围；适用范围；0.1mR3m， 0.011n0.04。 )10. 0(75. 013. 05 . 2nRny四、局部水头损失的计算公式四、局部水头损失的计算公式 gvhm22局部损失计算公式局部损失计算公式局部阻力系数，查规范或水力学手册。局部阻力系数，查规范或水力学手册。AQvvAvdAudAQAA计算流量、流速计算流量、流速能量方程、连续性方程能量方程、连续性方程whgvpzgvpz2222222211110012z112z22211AvAvQ 真空现

11、象真空现象绝对压强：绝对压强：以设想没有大气存在的绝对真空状态作为零点计量的压强，用pabs表示。相对压强：相对压强：以当地大气压强作为零点计量的压强用p表示（可正可负可正可负）。二者关系：二者关系：相差一个当地大气压pa。p abs=p+pa 或 p = p abs-pa pa绝对真空绝对真空绝对压强相对压强一、一、 绝对压强、相对压强、真空值、真空度绝对压强、相对压强、真空值、真空度真空值：真空值：真空程度大小的度量，即该点绝对压强小于当地大气压强pa 的数值，用 pv 表示。absavppp真空：真空：液体中某点的绝对压强小于小于当地大气压强时，称该点存在真空。真空也称负压。pa绝对真空

12、pabspv 0abspmhv10时，达到理论最大真空度，时，达到理论最大真空度，此时的真空称为完全真空，完全真空不会存在。此时的真空称为完全真空，完全真空不会存在。答：当答：当思考：真空度理论最大值为多大？真空度真空度：真空值的液柱高表示,即AphA点的绝对压强 A点的相对压强 实际工程中，建筑物多暴露于大气实际工程中，建筑物多暴露于大气，如无如无特殊说明，后面所讨论压强均为特殊说明，后面所讨论压强均为相对压强。hppaAabshA敞口容器压强计算敞口容器压强计算10rhppA10hppAabs若p0为相对压强若p0为绝对压强P0pah1AaAabsprhpp10aAphpp10A点相对压强

13、A点绝对压强A点相对压强A点绝对压强密闭容器压强计算密闭容器压强计算二、管道中存在的真空现象二、管道中存在的真空现象1.虹吸管 虹吸管是一种压力输水管道，顶部弯曲且其高程虹吸管是一种压力输水管道，顶部弯曲且其高程高于上游供水水面。在虹吸管内造成真空，使水流则高于上游供水水面。在虹吸管内造成真空，使水流则能通过虹吸管最高处引向其他处。能通过虹吸管最高处引向其他处。 虹吸管的优点在于能跨越高地，减少挖方。虹吸管的优点在于能跨越高地，减少挖方。 虹吸管长度一般不长，故按照短管计算。虹吸管长度一般不长，故按照短管计算。pa1122zzs虹吸管顶部虹吸管顶部 虹吸管顶部的真空的理论值不能大于最大真空值（

14、10mH2O）。 当虹吸管内压强接近该温度下的汽化压强时，液体将产生汽化，破坏水流连续性，可能产生空蚀破坏，故一般虹吸管中的真空值78mH O。 2水泵的水力计算：水泵的水力计算：吸水管和压力水管 吸水管: 短管 压力水管:长管2.水泵工作原理：工作原理：首先向涡室灌水，电动机带动叶轮旋转，首先向涡室灌水，电动机带动叶轮旋转，由于离心力作用，水被抛出去进入压水管，室内空由于离心力作用，水被抛出去进入压水管，室内空气随之带走，使水泵进口处形成真空，气随之带走，使水泵进口处形成真空，使水流在池使水流在池面大气压强的作用下沿吸水管上升，面大气压强的作用下沿吸水管上升，通过吸水管将通过吸水管将水吸进涡

15、室。水吸进涡室。流经水泵时从水泵获得新的能量，进流经水泵时从水泵获得新的能量，进入压力管，再流入水塔。入压力管，再流入水塔。 图中阴影部分为真空区。当管内存在较大的负压时，其水流处于不稳定状态，且有可能产生空蚀破坏，因此应采用必要措施改变管内的受压情况。较有效的方法就是降低管线的高度，以提高管道中的压强，避免管道中产生负压。3 3、调整管道布置避免产生负压、调整管道布置避免产生负压 有压管道中的水击（水锤）有压管道中的水击（水锤） 水击是有压管道中的非恒定流现象。水击是有压管道中的非恒定流现象。在压力管道中，由于液体流速的急剧改变，从而造成瞬时压力显著、反复、迅速变化的现象，称为水击，也称水锤

16、。 当压力管道上阀门突然关闭或水轮机、水泵突然停止运转时，管中流速迅速减小，压强急剧升高，这种以压强急剧升高为特征的水击，称为正水击。正水击的破坏性很大。 当压力管道上阀门突然打开时，管中流速迅速加大，压强急剧减小，这种以压强急剧降低为特征的一、一、水击的定义在压力管道中发生水击现象的原因通常有以下几种情况：（1）因阀门急速开启而引起水击。在这种情况下，若管路内有气囊，则会增强水击作用，一般在向管路充水时引起此类水击事故的情况较多。二、二、水击现象产生的原因水击，称为负水击。负水击时的压强降低，可能使管中发生不利的真空。（2）水泵紧急启动、紧急停车，使出口压力产生急变时容易引起水击。（3）沿管

17、流来的细杆等异物挡在阀门上而使阀门突然闭塞时。（4）急速关闭球形阀、给水栓等亦会发生水击。 因此，水击现象的实质是由于管道内因此，水击现象的实质是由于管道内水体流速的水体流速的改变改变，导致水体的动量发生急剧改变而引起作用力，导致水体的动量发生急剧改变而引起作用力变化的结果。变化的结果。 水击现象发生时，压力升高值可能为正常压力的好多倍，使管壁材料承受很大应力；压力的反复变化，会引起管道和设备的振动，严重时会造成管道、管道附件及设备的损坏。 水击具有破坏性1、开关阀门过快引起的水锤（1） 延长开阀和关阀时间。（2） 离心泵和混凝泵应在阀门半闭15%-30%时而不是全关时停泵。2、泵引起的水锤（

18、1） 排除管道内的空气，使管道内充满水后再开启水泵，凡是长距离输水管道的高起部位都应设自动排气阀。三、三、水击（水锤）的类型（2） 停泵水锤主要因出水管止回阀关闭过快引起，因此，取消止回阀可以消除停水泵水锤的危害，并且可以减少水头损失，节约电耗；目前经过一些大城市的实验，认为一级泵房可以取消，二级泵房不宜取消；取消止回阀时应进行停水锤压力计算，为减少和消除水锤，目前常在大口径管道上安装微阻缓闭止回阀。采用缓冲止回阀、微闭蝶阀安装在大口径的水泵出水管上，可有效的消除停泵水锤，但因阀门动作时有一定的水量倒流，吸水井须有溢流管。紧靠止回阀并在其下游安装水锤消除器。 防止水击危害一般采取以下几种措施：（1）安装水击消除阀。 消除阀安装在管道上，当产生水击时，压力达到一定数值，则阀门自动打开，将一部分水从管道中放出，以达到降低水