第三章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3.1 3.1 给水排水管网水流特征给水排水管网水流特征流考虑）（给排水管网一般按紊紊流：过渡流层流：流态4000Re4000Re2000:2000Re. 1流态特征流态特征75. 10 . 275. 12 . 2vhDvhDvh水力光滑区较小或管壁较光滑）（管径过渡区较大或管壁较粗糙）（管径）阻力平方区（粗糙管区紊流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。恒定流与非恒定流恒定流与非恒定流恒定流：恒定流：水体在运动过程中，其各点的流速和压力水体在运动过程中，其各点的流速和压力不随时间而变化，而与空间位置有关的流动。不

2、随时间而变化，而与空间位置有关的流动。非恒定流：非恒定流：水体各点的流速和压力不仅与空间位置水体各点的流速和压力不仅与空间位置有关，还随时间而变化的流动。有关，还随时间而变化的流动。满管流动满管流动 1 1）如管道截面在一段距离内不变且不发生转弯，为均匀流，）如管道截面在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，采用管道对水流阻力沿程不变，采用沿程水头损失公式沿程水头损失公式计算；计算； 2 2）当管道在局部分叉、转弯与变截面时，流动为非均匀流，）当管道在局部分叉、转弯与变截面时，流动为非均匀流， 采用采用局部水头损失公式局部水头损失公式计算。计算。非满管流或明渠流非满管

3、流或明渠流 只要长距离截面不变，可以近似为均匀流，按只要长距离截面不变，可以近似为均匀流，按沿程水头损沿程水头损失公式失公式计算。计算。均匀流与非均匀流均匀流与非均匀流非均匀流：非均匀流：液体质点流速的大小和方向沿流程变液体质点流速的大小和方向沿流程变 化，水流参数随时间和空间变化。化，水流参数随时间和空间变化。均匀流：均匀流：液体质点流速的大小和方向沿流程不变。液体质点流速的大小和方向沿流程不变。压力流与重力流压力流与重力流压力流：压力流：水体沿流程整个周界与固体壁面接触，无水体沿流程整个周界与固体壁面接触，无自由液面，满管流动，又称管流。自由液面，满管流动，又称管流。 压力流压力流输水通过

4、封闭的管道进行，水流阻力主要依靠水输水通过封闭的管道进行，水流阻力主要依靠水的压能克服，阻力大小只与管道内壁粗糙程度有关、管道长的压能克服，阻力大小只与管道内壁粗糙程度有关、管道长度和流速有关，与管道埋设深度和坡度无关。度和流速有关，与管道埋设深度和坡度无关。重力流：重力流：水体沿流程一部分与固体壁面接触，另一水体沿流程一部分与固体壁面接触，另一部分与空气接触，具有自由液面。非满管流动，又部分与空气接触，具有自由液面。非满管流动，又称明渠流。称明渠流。 重力流重力流管渠中水面与大气相通，非满流，水流阻力依靠管渠中水面与大气相通，非满流，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。给水多压力流，排水多重力流；给水多压力流，排水多重力流；长距离输水重力流，排水泵站出水管、倒虹管压力流。长距离输水重力流，排水泵站出水管、倒虹管压力流。水流的水头与水头损失水流的水头与水头损失测压管水头测压管水头水头分为水头分为水头损失：水头损失：流体克服流动阻力所消耗的机械能。流体克服流动阻力所消耗的机械能。水头损失分为水头损失分为沿程水头损失沿程水头损失局部水头损失局部水头损失 水头：水头：单位重量的流体所具有的机械能，单位重量的流体所具有的机械能， 用用h h或或H H表示，单位米水柱表示，单位米水柱(mH(mH2 2O)O)。位置水头位置水头Z Z压力水

6、头压力水头P/rP/r流速水头流速水头v v2 2/2g/2g适用于适用于各种紊流，各种紊流，是适用性和计算精度最高的公式。是适用性和计算精度最高的公式。)Re51. 27D. 3e(2lg1)Re53. 38 .14lg(71.17或CReC简简化化为为直直接接计计算算式式（1 1）柯尔勃洛克）柯尔勃洛克- -怀特公式怀特公式e e 管壁当量粗糙度，管壁当量粗糙度，m m。适用适用: :较光滑的圆管满流管紊流较光滑的圆管满流管紊流（给水管道）（给水管道） 代入达西公式代入达西公式q流量，流量，m3/s；Cw海曾海曾-威廉粗糙系数。威廉粗糙系数。（2 2）海曾）海曾- -威廉公式威廉公式适用于

7、适用于明渠流明渠流和和非满流排水管道非满流排水管道计算。计算。系数巴甫洛夫斯基公式粗糙n0.1)n(R0.750.13n2.5式中yBBB代入谢才公式代入谢才公式（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。代入谢才公式代入谢才公式n nM M曼宁公式粗糙系数。曼宁公式粗糙系数。（4 4）曼宁公式）曼宁公式3.2.2 3.2.2 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 2 2）巴甫洛夫斯基公式）巴甫洛夫斯基公式适用范围广，精度高，特别

8、适适用范围广，精度高，特别适用于较粗糙的管道和较大范围流态，用于较粗糙的管道和较大范围流态，1.0e5.0mm1.0e5.0mm；计算繁琐，需用计算机计算。计算繁琐，需用计算机计算。3 3）曼宁公式）曼宁公式特别适用于较粗糙的非满管流和明渠均特别适用于较粗糙的非满管流和明渠均匀流，匀流，0.5e4.0mm0.5e4.0mm；4 4）海曾威廉公式）海曾威廉公式特别适用于较光滑的管道，即给特别适用于较光滑的管道，即给水管网。水管网。 1 1）柯尔勃洛克）柯尔勃洛克- -怀特公式怀特公式适用范围广，精度高，计适用范围广，精度高，计算繁琐，需用计算机计算。算繁琐，需用计算机计算。3.2.3 3.2.3

9、 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，mmh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0.13.2.4 3.2.4 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沿程水头损失计算公式的指数形式：计算公式的指数形式： mfDklssmnkf,摩阻系数指数公式参数参数海曾威廉公式曼宁公式K10.67/Cw1.85210.29nM2n1.8522.0m4.875.333沿程水头损失指数公式参数沿程水头损失指数公式参数局部阻力系数ms局部水头损失局部水头损失公式的

10、指数形式：公式的指数形式：沿程水头损失沿程水头损失与与局部水头损失局部水头损失之和：之和：式中式中 SgSg管道阻力系数；管道阻力系数；fmgsss方法方法： 首先根据已知资料，计算出流量首先根据已知资料，计算出流量Q，根据，根据Q值可初步确定值可初步确定管径管径D；然后，根据；然后，根据Q、D值，求值，求I、h/D、v值。在这三个未知值。在这三个未知数中，还需知道一个参数，才能求得另外两个，此时可以在数中，还需知道一个参数，才能求得另外两个，此时可以在三个参数中先假设一个值，比如流速为最小流速，或是坡度三个参数中先假设一个值，比如流速为最小流速，或是坡度为最小坡度，或是充满度满足一定要求等，

11、之后进行查表或为最小坡度，或是充满度满足一定要求等，之后进行查表或查图，就可得出其余两个未知数；最后要进行校核，若得出查图，就可得出其余两个未知数；最后要进行校核，若得出的两个参数满足其规定的要求，则计算完成，若不满足要求的两个参数满足其规定的要求，则计算完成，若不满足要求，则需调整假设值，甚至管径，则需调整假设值，甚至管径D，重新进行计算。，重新进行计算。 水力计算图适用于水力计算图适用于混凝土混凝土及及钢筋混凝土管道钢筋混凝土管道，其粗糙系，其粗糙系数数 n n0.0140.014。每张图适用于一个指定的管径。我国。每张图适用于一个指定的管径。我国室外排室外排水设计规范水设计规范和和给水排

12、水设计手册给水排水设计手册推荐此法。推荐此法。非满流管渠水力计算简化法一例例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满度流速流量例例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）根据充满

13、度）根据充满度h/Dh/D，查表，查表3.73.7得得A/AA/A0 0，然后用下式计算流速，然后用下式计算流速v v。 充满度充满度h/Dh/D 流速流速v v已知已知求求流量流量q q管径管径D D水力坡度水力坡度I I1 1）先由下式计算）先由下式计算q/q0q/q0，反查表，反查表3.73.7的充满度的充满度h/Dh/D；例例1 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/sq=100L/s，根据地形，根据地形条件可以采用水力坡度为条件可以采用水力坡度为I=7%I=7%，初拟采用管径，初拟采用管径D=400mmD=400mm的钢筋混凝土管，粗糙系数的钢筋混凝土管，

14、粗糙系数n nM M=0.014=0.014，求其充，求其充满度满度h/Dh/D和流速和流速v v。例例2 2 已知已知D=400mm,D=400mm,充满度充满度h/D=0.57,i0.007,h/D=0.57,i0.007,求求i i。例例3 3 已知钢筋混凝土排水管已知钢筋混凝土排水管n=0.013n=0.013，设计流，设计流量量q=100L/sq=100L/s，充满度，充满度h/D=0.65h/D=0.65，最大水力坡度，最大水力坡度为为I=7%I=7%，求最小管径，求最小管径D D。3.4 3.4 管道的水力等效简化管道的水力等效简化 多条管道串联或并联，等效为单条管道；多条管道串联或并联，等效为单条管道；管道沿线分散出流或入流，等效为集中出流或入流；管道沿线分散出流或入流，等效为集中出流或入流；泵站多台水泵并联工作可以等效为单台水泵。泵站多台水泵并联工作可以等效为单台水泵。采用水力等效原理，将局部管网简化成简单的形式。采用水力等效原理，将局部管网简化成简单的形式。l1 l2 lNd1 d2 dNmNimiiNimiinmndllddlkqdlk