第二讲 第一章 建筑给排水

1、第一章 建筑给排水1 流体动力学的基本知识2 建筑给水系统3 建筑排水系统1.质量密度和重力密度2.流体的黏滞性3.流体的压缩性和热胀性1.1流体的主要力学性质1 1 流体动力学的基本知识流体动力学的基本知识1.11.1流体的主要力学性质流体的主要力学性质1.21.2描述流体运动的几个有关概念描述流体运动的几个有关概念1.31.3流体运动的分类流体运动的分类1.41.4恒定流连续性方程恒定流连续性方程1.51.5恒定总流能量方程恒定总流能量方程1.61.6流动阻力和流动损失流动阻力和流动损失1.1.质量密度和重力密度质量密度和重力密度在描述固体物质的惯性和重力特性时，通常用物体的质量和重力，而

2、流体因为没有固定的体积，在描述其惯性大小和重力大小时，用单位体积的质量和单位体积的重力来表示，即质量密度()和重力密度()。（1）质量密度定义式为：M/V(kg/m3)式中：M流体的质量(kg)；V 流体的体积(m3)。（2）重力密度定义式为G/V(N/m3) (1.2)式中：G流体的重力(N)；V 流体的体积(m3)。由上两式可知流体的重力密度由上两式可知流体的重力密度= =质量密度质量密度重力加速度重力加速度G/VMg/Vgg重力加速度，通常为9.8m/s22.2.流体的黏滞性流体的黏滞性 流体流动时，流体内部各质点间或流层间因相对运动而产生内摩擦力以反抗流体质点间相对运动的性质，称作流体

3、的黏滞性。管段中断面流速分布如图1.1所示。 图1.1平板间的速度分布根据牛顿摩擦定律，可得到流体黏滞力的表达式为（3）流体粘滞力：TAdu/dy式中：流体的黏滞系数； A 流层间的接触面积； du/dy 流速梯度，表示流速沿垂直于流速方向的变化率。单位面积上的内摩擦力为切应力，以表示（4）切应力：T/Adu/dy3.3.流体的压缩性和热胀性流体的压缩性和热胀性（1）液体的压缩性通常用压缩系数来表示，液体的压缩性很小，通过计算，水的压力再增加一个标准大气压时，其体积只缩小了1/20 000。因此，在实际工程中，可认为可认为液体流体的密度在整个流动过程中是不变的，即认为是不液体流体的密度在整个流

4、动过程中是不变的，即认为是不可压缩流体。可压缩流体。（2）流体的膨胀性通常用膨胀系数来表示。不同的流体随着温度的变化，其体积都有所变化，因此在实际工程中，要考虑受热体积膨胀带来的危害。小结（1）在实际工程中，首先我们把流体视作连续介质；（2）其次，在一些问题的研究中，流体可以看做无黏性流体，即忽略流体的黏滞性影响；（3）再次，把流体看做不可压缩流体。1.2描述流体运动的几个有关概念1.流线和迹线 流线是同一时刻连续流体质点的流动方向线；迹线是同一质点在连续时间内的流动轨迹线。流线是为了形象化的描述流体的运动而引入的概念。在实际工程中，我们通常关心的是流体在某一固定断面或固定空间的运动状况，而不

5、关心其来龙去脉 ，因此我们主要来研究流线。 流线可以反映流体流动的一些性质，如图1.2所示。通过流场中的每一个点都可以绘一条流线，所以流线布满整个流场。流线绘出后，流体的流动状况就一目了然。某点的流速方向就是流线在该点的切线方向；流线的疏密可以反映流速的大小，流线越疏，流速越小，流线越密，流速越大；流线不能相交，也不能是折线，只能是一条光滑的曲线或直线。图1.2流线2.2.流量流量 流体流动时，单位时间内通过过流断面的流体体积称为流体的体流体流动时，单位时间内通过过流断面的流体体积称为流体的体积流量。一般用积流量。一般用Q Q来表示，单位为来表示，单位为m m3 3/s/s或或L/sL/s。流

6、体的流量一般是指体。流体的流量一般是指体积流量。要计算流量的大小，我们假设流体在管道内流动，任意取出积流量。要计算流量的大小，我们假设流体在管道内流动，任意取出一过流断面，断面上的流速分布如图一过流断面，断面上的流速分布如图1.31.3所示。所示。 断面平均流速断面平均流速Q=Q=v vA AQQ体积流量体积流量vv平均流速平均流速AA过流断面面积过流断面面积流体运动有不同的分类方法，下面分别介绍。1.根据流动的流体的周界与固体壁面的接触情况来划分(1)压力流 流体在压差作用下流动时，整个流体的周界与固体壁面都接触，流体无自由表面，这种流动称作压力流。如室内给水系统的水在管道中的流动，空调工程

7、中的空气在风管道中的流动，供热工程中热水或蒸汽在管道中的流动等，都是压力流。1.3流体运动的分类压力流有三个特点：1)流体充满整个管道。2)不能形成自由表面。3)流体对管壁有一定的压力。(2)无压流 无压流又称为重力流，流体流动时，流体的部分周界与固体壁面相接触，另一部分周界与空气相接触，这种流动称作无压流。如室内排水系统中污水在管道中的流动，水渠中的水在水渠里的流动等都是无压流。无压流有两个特点： 1)液体流体没有充满管道，所以在室内排水中引入了充满度的概念，即污水在管道中的深度h与管径D的比值称做管道的充满度，充满度的大小在排水系统设计中是很重要的参数。 2)液体流体在管道或水渠中能够形成

8、自由表面。压力流和无压流的图解如图压力流和无压流的图解如图( (a a) )( (c c) )所示。所示。压力流、无压流图解2.2.根据流体流动时压力、流速等运动要素随时间是否变化来划分根据流体流动时压力、流速等运动要素随时间是否变化来划分(1)(1)恒定流恒定流要定义恒定流和非恒定流的概念，我们以打开水龙头的过程为例：打开之前，水处于静止状态，称为静止平衡，打开后的短暂时间内，水从喷口流出，流速从零迅速增加到某一流速，在这个过程中，流速时刻在发生变化，称为运动的不平衡状态，当达到某一流速后，即维持不变，此时称为运动的平衡状态。处于运动平衡状态的流体，各点的流速不随时间变化，由流速决定的压强、

9、黏性力和惯性力也不随时间变化，这种流动称为恒定流。(2)非恒定流处于运动不平衡状态的流体，它的各点的流速随着时间变化，各点的压强、黏性力、惯性力也随着速度的变化而变化，这种流动称为非恒定流。在实际工程中所接触的流体流动，都可以视作恒定流动，在实际工程中所接触的流体流动，都可以视作恒定流动，给分析和计算带来很大方便。 恒定流连续性方程是由质量守恒定律质量守恒定律得出的，质量守恒定律告诉我们，同一流体的质量在运动过程中不生不灭，即流体运动到任何地方，其质量是恒定不变的。 如图所示，在恒定流条件下，可以考虑以下几点：恒定流连续方程图解1.4恒定流连续性方程1 1)由于是恒定流，流体的各点的流速不随时

10、间发生变化。2 2)流体是连续介质，中间不会形成空隙。3 3)流体不能从研究对象流体的侧壁流入或流出。在恒定流的管道上取- -和- -两个过流断面，根据质量守恒定律，通过断面- -的质量流量等于通过断面- -的质量流量，假设断面- -处的断面面积为A A1 1，流体的密度为1 1，流入的流体体积流量为Q Q1 1；假定断面- -处的断面面积为A A2 2，流体的密度为2 2，流出的流体体积流量为Q Q2 2，即1 1Q Q1 12 2Q Q2 2 若在管道上取n n个过流断面，则式可写成1 1Q Q1 12 2Q Q2 2 n nQ Qn n 由前面学习可知，在设备工程中的流体都可视作不可压缩

11、流体，即各个过流断面上的流体密度不变，为常数。因此，流体的连续性方程可以写成Q1Q2Qn (1.13)因为QvA，代入上式得v1A1v2 A2vnAn (1.14)从上式可以得出v1v2vn1/A11/A21/An (1.15) 从连续性方程可以看出，连续性方程确立了总流各过流断面平均流速沿流向的变化规律，只要总流的流量已知或任意断面的流速只要总流的流量已知或任意断面的流速已知，则其他断面的流速即可算出。已知，则其他断面的流速即可算出。 【例1.1】如图1.6所示管段。d12.5cm，d25cm，d310cm。当流量为4 L/s时，求各管段的平均流速。图1.6【解】根据连续性方程【解】根据连续

12、性方程Q Qv v1 1 A A1 1 v v2 2 A A2 2 v v3 3A A3 3 v v1 1Q Q / /A A1 1 815cm/s815cm/s8.15m/s8.15m/s同理可得同理可得v v2 22 2. .04m/s04m/sv v3 30 0. .51m/s51m/s以上所列连续性方程，不但只限于两断面之间，还可推广到任意空间，在以上所列连续性方程，不但只限于两断面之间，还可推广到任意空间，在管道的三通处，无论分流还是合流，质量守恒定律仍然成立，即分流时管道的三通处，无论分流还是合流，质量守恒定律仍然成立，即分流时Q QQ Q1 1 Q Q2 2 合流时合流时Q Q1

13、 1 Q Q2 2 Q Q 21222222111122whgvpzgvpz21pp、能量守恒及其转化规律是物质运动的一个普遍规律。能量守恒及其转化规律是物质运动的一个普遍规律。17381738年荷兰科学家年荷兰科学家达达伯努里研究结果：伯努里研究结果：（一）（一）恒定总流实际液体能量方程恒定总流实际液体能量方程式中：式中：z z1 1、 z z2 2过流断面过流断面1-11-1、2-22-2单位重量液体位能，也称位置水头；单位重量液体位能，也称位置水头； gvgv22222211、过流断面过流断面1-1、2-2单位重量液体压能，也称压强水头；单位重量液体压能，也称压强水头；过流断面过流断面1

14、-1、2-2单位重量液体动能，也称流速水头；单位重量液体动能，也称流速水头； hwhw1-21-2单位重量液体通过流段单位重量液体通过流段1-21-2的平均能量损失，也称水头损失。的平均能量损失，也称水头损失。 公式（公式（1-171-17）中的）中的动能修正系数。为用断面平均流速动能修正系数。为用断面平均流速v v代替质点流速代替质点流速u u计算动能所计算动能所造成误差的修正。一般造成误差的修正。一般=1.051.1=1.051.1，为计算方便。常取，为计算方便。常取=1.0=1.0。1.5恒定总流能量方程练习题 水流过一段转弯变径管水流过一段转弯变径管, ,如图所示如图所示, ,已知小管

15、直径已知小管直径200mm200mm，截面压力，截面压力70kPa70kPa，大管直径，大管直径400mm400mm，压力，压力40kPa40kPa，流速，流速=1m/s=1m/s。两截面中心高度差。两截面中心高度差1m1m，求管中流量及水流方向。，求管中流量及水流方向。（2） 实际上，流体在管道内流动，由于流体本身存在黏滞力，以及管道的内壁面有一定的粗糙度，流体在流动是由流动阻力存在，也就是流体在流动过程中要消耗一部分能量来克服这种流动阻力，这样必然使得这部分能量变成热能而损失掉，这就是流动损失。流体在流动过程中，主要有两种阻力：一种是沿程阻力，一种是局部阻力。因此，流体在流动过程中由于流动

16、阻力的存在而造成的能量损失相应的有两种，一种是沿程损失；一种是局部损失。1.沿程阻力和沿程损失 由于流体具有黏滞性且管壁的表面不光滑，流体在运动过程中会产生内摩擦力和管壁造成的摩擦力，从而使一部分能量以热能的形式散发形成能量损失。在边界条件不发生变化的管段上，流动阻力只有沿程不变的摩擦力或切应力，称为沿程阻力；克服沿程阻力而造成的能量损失，称为沿程损失。1.6流动阻力和流动损失2.局部阻力和局部损失 流体在流动过程中，当流经如三通、弯头、阀门等管道中管件和附件时，对流体形成局部障碍，流体的流动状况发生急剧变化。在边界条件发生急剧变化的区域，由于出现了漩涡区和速度分布的改组，则形成集中的阻力，这

17、种阻力称为局部阻力；克服局部阻力而造成的能量损失，称为局部损失。3.能量损失的计算公式（1）沿程损失 hf=LvLv2 2/(d2g)/(d2g) （2）局部损失 hj=u2/(2g)式中：L管长(m)； d 管径(m)； g 重力加速度(m/s)； v 断面平均流速(m/s) (对局部损失来讲，为局部阻力损失过后的流速)； 沿程阻力系数； 局部阻力系数。 流体流动过程中的总的能量损失，等于各计算管段的沿程损失与局部损失之和， hhfhj根据水头损失水头损失算出供水水压供水水压=P1+P2+P3+P4P1最不利点与引入管起点的高差； P2计算管路的沿程压力损失和局部压力损 失之和； P3水流通

18、过水表时的压力损失； P4 最不利点的最小工作压力。2 建筑给水系统2.1建筑室外给水系统2.2建筑室内给水系统建筑给水系统分室外与室内给水系统，其任务是经济合理地将水从城其任务是经济合理地将水从城市（室外）给水管网安全可靠、经济合理地输送到室内各用水点，并市（室外）给水管网安全可靠、经济合理地输送到室内各用水点，并且满足用水点对水质、水量和水压等且满足用水点对水质、水量和水压等 方面的要求。方面的要求。给水系统按其用途不同划分为： 生活给水系统 生产给水系统 消防给水系统2.1 建筑室外给水系统地面水位水源的给水系统地面水位水源的给水系统取水工程、净水工程、泵站、输配水工取水工程、净水工程、

19、泵站、输配水工程等程等地下水为水源的给水系统地下水为水源的给水系统取水构筑物（如井群、渗渠等）、净水取水构筑物（如井群、渗渠等）、净水工程（主要设施有清水池及消毒设备）、泵站、输配水工程等工程（主要设施有清水池及消毒设备）、泵站、输配水工程等一、水源及取水工程给水水源可分为两大类，一类为地表水，如江水、河水、湖水、水库水及海水等。另一类为地下水，如井水、泉室、喀斯特溶洞水等。取水工程要解决的是从天然水源中取（集）水的方法以及取水构筑物的构造形式等问题。水源的种类决定着取水构筑物的构造形式及净水工程的组成。地表水取水构筑的形式很多，常见的有河床固定式、岸边缆车、浮船地表水取水构筑的形式很多，常见

20、的有河床固定式、岸边缆车、浮船活动式取水构筑物以及在山区仅有山溪小河的地方取水，常用低坝、活动式取水构筑物以及在山区仅有山溪小河的地方取水，常用低坝、底栏栅等取水构筑物。底栏栅等取水构筑物。地下水取水构筑物的形式与地下水埋深、含水层厚度等水文地质条件地下水取水构筑物的形式与地下水埋深、含水层厚度等水文地质条件有关。管井用于取水量大、含水层厚大于有关。管井用于取水量大、含水层厚大于5m5m而底板埋藏深度大于而底板埋藏深度大于15m15m的情况；大口井用于含水层厚度在的情况；大口井用于含水层厚度在5m5m左右，其底板埋深小于左右，其底板埋深小于15m15m的情的情况；渗渠用于含水层厚度小于况；渗渠

21、用于含水层厚度小于5m5m的情况。泉室适用于有泉水露层厚度的情况。泉室适用于有泉水露层厚度小于小于5m5m的情况。的情况。二、水处理二、水处理水源水中往往含有各种杂质，如地下水常含有各种矿物盐类，地表水水源水中往往含有各种杂质，如地下水常含有各种矿物盐类，地表水含有泥砂、水草腐植质、溶解性气体、各种盐类、细菌及病原菌等。含有泥砂、水草腐植质、溶解性气体、各种盐类、细菌及病原菌等。由于用户对水质都有一定的要求，故未经处理的水不能直接送往用户。由于用户对水质都有一定的要求，故未经处理的水不能直接送往用户。水处理的任务就是解决水的净化问题。水处理的任务就是解决水的净化问题。水处理方法和净化程度应根据

22、水源的水质和用户对水质的要求而定。水处理方法和净化程度应根据水源的水质和用户对水质的要求而定。生活用水净化须符合我国现行的生活用水净化须符合我国现行的生活饮用水卫生标准生活饮用水卫生标准。工业用水应按照生产工艺对水质的具体要求来确定相应的水质标准及工业用水应按照生产工艺对水质的具体要求来确定相应的水质标准及净化工艺。净化工艺。城市自来水厂只满足生活饮用水的水质标准。对水质有特殊要求的工业企业应单独建造生产给水系统。当用水量不大且允许自城市给水管网取水时，亦可用自来水为水源再行进一步的处理。地表水的水处理工艺流程应根据水质和用户对水质的要求确定。一般以供给饮用水为目的工艺流程，主要包括沉淀、过滤

23、及消毒沉淀、过滤及消毒三个部分。沉淀的目的在于除去水中的悬浮物质及胶体物质。由于细小的悬浮杂质沉淀甚慢，胶体物质不能自然沉淀，所以在原水进入沉淀池之前需投加混凝剂，以加速悬浮杂质的沉淀并达到除去胶体物质的目的。沉淀池的形式很多，常用的有平流式、竖流式、辐流式，以及斜板和斜管式的上向流、同向流沉淀池等，各类澄清池的使用也很普遍。经沉淀后的水，浑浊度应不超过经沉淀后的水，浑浊度应不超过20mg/L20mg/L。为达到饮用水水质标准所规。为达到饮用水水质标准所规定的浊度要求（即定的浊度要求（即5 mg/L5 mg/L）尚须进行过滤。常用的滤池有普通快滤池、）尚须进行过滤。常用的滤池有普通快滤池、虹吸

24、滤池及无阀滤池等。虹吸滤池及无阀滤池等。以地下水为生活饮用水源时，其水质能满足以地下水为生活饮用水源时，其水质能满足生活饮用水卫生标准生活饮用水卫生标准时时一般只需消毒一般只需消毒即可。只有当水中锰、铁含量超标时应考虑除铁除锰。即可。只有当水中锰、铁含量超标时应考虑除铁除锰。在地表水处理过程中虽然大部分细菌被除去，但由于地表水的细菌含在地表水处理过程中虽然大部分细菌被除去，但由于地表水的细菌含量较高，残留于处理水中的细菌仍为数甚多，并可能有病原菌传播疾量较高，残留于处理水中的细菌仍为数甚多，并可能有病原菌传播疾病，故必须进行消毒处理。病，故必须进行消毒处理。消毒的目的：一是消灭水中的细菌和病原

25、菌；二是保证净化后的水在消毒的目的：一是消灭水中的细菌和病原菌；二是保证净化后的水在输送到用户之前不致被再次污染。输送到用户之前不致被再次污染。消毒的方法有物理法和化学法，物消毒的方法有物理法和化学法，物理法有紫外线、超声波、加热法等；化学法有加氯、臭氧法等。理法有紫外线、超声波、加热法等；化学法有加氯、臭氧法等。图图2 25 5为以地表水为水源为以地表水为水源的某自来水厂平面布置图。的某自来水厂平面布置图。它是由生产构筑物、辅助它是由生产构筑物、辅助构筑物和合理的道路布置构筑物和合理的道路布置等组成。生产构筑物指澄等组成。生产构筑物指澄清池、虹吸滤池、清水池清池、虹吸滤池、清水池及泵站等。辅

26、助构筑物指及泵站等。辅助构筑物指机修间、办公室、化验室、机修间、办公室、化验室、库房等。库房等。三、输配水工程输配水工程是解决如何把净化后的水输送到用水地区并分配到各用水点。输配水工程通常包括输水管道、配水管网、加压泵站、调节构筑物等。允许间断供水的给水工程、多水源供水的给水工程或设有安全贮水池，可以只设一条输水管；不允许间断供水的给水工程一般应设两条或两条以上的输水管。输水管最好沿现有道路或规划道路敷设，并应尽量避免穿越河谷、山脊、沼泽、重要铁道及洪水泛滥淹没的地区。配水管网的任务是将输水管送来的水分配到用户。它是根据用水地区的地形及最大用户分布情况并结合城市规划来进行布置。配水干管的配水干管的路线应通过用水量较大的地区，并以最短的距离向最大用户供水路线应通过用水量较大的地区，并以最短的距离向最大用户供水。在城市规划设计中应把最大用户置于管网之始端，以减少配水管的管径最大用户置于管网之始端，以减少配水管的管径而降低工程造价而降低工程造价。配水管网应均匀地布置在整个用水地区，其形式有环状与枝状环状与枝状两种。为了减少初期的建设投资，新建居民区或工业区可做成枝状管网，