给水排水管网水力学基础

给水排水管网水力学基础3.1给水排水管网水力学基础流态特征水的三种流态：层流

Re<2000紊流

Re>4000过渡流

2000~4000给水排水管网水流一般处在紊流流态紊流流态分为三个阻力特征区：阻力平方区水头损失与流速平方成正比过渡区水头损失和流速1.75~2次方成正比水力光滑管区水头损失和流速1.75次方成正比给水排水管网水流一般处在阻力平方区和过渡区当流速较小时，各流层质点互不混杂，这种型态的流动叫层流。当流速较大时，各流层质点形成涡体互相混掺，这种型态的流动叫做紊流。层流：液体质点作有条不紊的线状运动，水流各层或各微小流束上的质点彼此互不混掺。紊流：液体质点在沿管轴方向运动过程中互相混掺。恒定流与非恒定流给水排水管网中，水流水力因素随时间变化，属于非恒定流，水力计算复杂。在设计时一般只能按恒定流计算。按运动要素是否随时间变化表征液体运动的物理量，如流速、加速度、动水压强等恒定流非恒定流水库水库t0时刻t1时刻均匀匀流流与与非非均均匀匀流流非均均匀匀流流：：水流流参参数数随随空空间间变变化化。满管管流流动动1）如如果果管管道道截截面面在在一一段段距距离离内内不不变变且且不不发发生生转转弯弯，，为为均均匀匀流流，，管管道道对对水水流流阻阻力力沿沿程程不不变变，，采采用用沿程程水水头头损损失失公公式式计算算；；2）当当管管道道在在局局部部分分叉叉、、转转弯弯与与变变截截面面时时，，流流动动为为非非均均匀匀流流，，采采用用局部部水水头头损损失失公公式式计算算。。非满满管管流流或或渠渠流流，，只只要要长长距距离离截截面面不不变变，，可可以以近近似似为为均均匀匀流流。。均匀匀流流均匀匀流流非均均匀匀流流均匀匀流流非均均匀匀流流均匀匀流流非均均匀匀流流非均均匀匀流流渐变变流流急变变流流急变变流流急变变流流压力力流流与与重重力力流流压力力流流输水水通通过过封封闭闭的的管管道道进进行行，，水水流流阻阻力力主主要要依依靠靠水水的的压压能能克克服服，，阻力力大大小小只只与与管管道道内内壁壁粗粗糙糙程程度度有有关关、、管管道道长长度度和和流流速速有有关关，，与与管管道道埋埋设设深深度度和和坡坡度度无无关关。重力力流流管渠渠中中水水面面与与大大气气相相通通，，非非满满流流，，水水流流阻阻力力依依靠靠水水的的位位能能克克服服，，形形成成水水面面沿沿水水流流方方向向降降低低。。给水水多多压压力力流流，，排排水水多多重重力力流流；；长距距离离输输水水重重力力流流，，排排水水泵泵站站出出水水管管、、倒倒虹虹管管压压力力流流。。水流流的的水水头头与与水水头头损损失失水头头：：单单位位重重量量的的流流体体所所具具有有的的机机械械能能，，用用h或H表示示，，单单位位米米水水柱柱(mH2O)。位置置水水头头Z压力力水水头头P/r测压压管管水水头头流速速水水头头v2/2g水头头损损失失流体体克克服服流流动动阻阻力力所所消消耗耗的的机机械械能能称称为为水水头头损损失失。。当流流体体受受固固定定边边界界限限制制做做均均匀匀流流动动时时，，流流动动阻阻力力中中只只有有沿沿程程不不变变的的切切应应力力，，称称为为沿沿程程阻阻力力。。由由沿沿程程阻阻力力引引起起的的水水头头损损失失成成为为沿程程水水头头损损失失。。当流流体体的的固固定定边边界界发发生生突突然然变变化化，，引引起起流流速速分分布布或或方方向向发发生生变变化化，，从从而而集集中中发发生生在在较较短短范范围围的的阻阻力力称称为为局局部部阻阻力力。。由由局局部部阻阻力力引引起起的的水水头头损损失失成成为为局部部水水头头损损失失。3.2管渠渠水水头头损损失失计计算算谢才才公公式式hf———沿程程水水头头损损失失，，m；v———过水水断断面面平平均均流流速速，，m/s；C———谢才才系系数数；；R———过水水断断面面水水力力半半径径，，m，圆圆管管流流R=0.25D；l———管渠渠长长度度，，m。3.2.1沿程程水水头头损损失失计计算算沿程程水水头头损损失失计计算算对于于圆圆管管满满流流，，达西西公公式式：D————管段段直直径径，，m；g————重力力加加速速度度，，m/s2；λ————沿程程阻阻力力系系数数，，λ=8g/C2沿程程阻阻力力系系数数的的变变化化规规律律尼古古拉拉兹兹实实验验或Lg（100λ）lgRe层流时,水力光滑壁面,称为紊流光滑区水力粗糙壁面,称为紊流粗糙区过渡粗糙壁面,称为率流过渡粗糙区谢才才系系数数或或沿沿程程阻阻力力系系数数的的确确定定（1）舍舍维维列列夫夫公公式式适用于于旧铸铸铁管管和旧旧钢管管满管管紊流流，水温温10度，常常用于于给水水管道道水力力计算算。谢才系系数或或沿程程阻力力系数数的确确定（2）海曾曾-威廉公公式适用于于较光光滑的的圆管管满流流管紊紊流计计算，主要要用于于给水水管道道水力力计算算。q——流量，，m3/s；Cw——海曾-威廉粗粗糙系系数。。谢才系系数或或沿程程阻力力系数数的确确定（3）柯尔尔勃洛洛克-怀特公公式适用于于各种种紊流流，是是适用用性和和计算算精度度最高高的公公式之之一。e——管壁当当量粗粗糙度度，m。谢才系系数或或沿程程阻力力系数数的确确定（4）巴甫甫洛夫夫斯基基公式式适用于于明渠渠流和和非满满流排排水管管道计计算。谢才系系数或或沿程程阻力力系数数的确确定（5）曼宁宁公式式巴甫洛洛夫斯斯基公公式中中y=1/6时的特特例，，适用用于明明渠或或较粗粗糙的的管道道计算算。nM——曼宁公公式粗粗糙系系数。。沿程水水头损损失计计算公公式的的比较较与选选用柯尔勃勃洛克克-怀特公公式具有较较高的的精度度;巴甫洛洛夫斯斯基公公式具有较较宽的的适用用范围围，1.0≤e≤≤5.0mm;曼宁公公式适用于于较粗粗糙的的管道道,0.5≤e≤≤4.0mm;海曾-威廉公公式适用于于较光光滑的的管道道,e≤≤0.25mm;舍维列列夫公公式适用于于1.0≤e≤≤1.5mm.局部水水头损损失计计算局部阻力设施ξ局部阻力设施ξ全开闸阀0.1990。弯头0.950%开启闸阀2.0645。弯头0.4截止阀3~5.5三通转弯1.5全开蝶阀0.24三流直流0.1水头损损失公公式的的指数数形式式沿程水水头损损失计计算公公式的的指数数形式式：参数海曾威廉公式曼宁公式舍维列夫公式K10.67/Cw1.85210.29nM20.001798n1.8522.01.911m4.875.3335.123局部水水头损损失公公式的的指数数形式式：沿程水水头损损失与与局部部水头头损失失之和和：式中Sg——管道阻阻力系系数；；3.3非满流流管渠渠水力力计算算排水管管网和和长距距离输输水工工程常常采用用非满满管流流。非满管管流水水力计计算的的目的的：确定管管段流流量、、流速速、断断面尺尺寸、、充满满度和和坡度度之间间的关关系。。3.3.1非满流流管渠渠水力力计算算公式式充满度度h/D——指设计计流量量下，，管道道内的的有效效水深深与管管径的的比值值。过水断断面A=A（D，h/D）水力半半径R=R(D,h/D)采用谢谢才公公式计计算水水头损损失，，将曼曼宁公公式代代人并并转换换：由流量量和流流速关关系得得：hD5个水力力参数数q、D、h、I、v,已知其其中3个才能能求出出另一一个，，水力力计算算很复复杂。。――非满流流管渠渠水力力计算算基本本公式式污水管管道按按不满满流设设计的的原因因（1）流量量时刻刻变化化，很很难确确定计计算，，而且且雨水水、地地下水水可能能通过过检查查井盖盖或管管道接接口渗渗入污污水管管道。。因此此，要要保留留一部部分管管道断断面，，为未未预见见的水水量留留有余余地，，避免免污水水移出出，妨妨碍环环境卫卫生，，同时时使渗渗入的的地下下水顺顺利流流泻。。（2）污水水管道道内沉沉积的的污泥泥可能能分解解出一一些有有害气气体。。此外外，污污水中中如含含有汽汽油、、苯、、石油油等易易燃液液体时时，可可能形形成爆爆炸性性气体体。故故需要要留出出适当当的空空间，，以利利于管管道的的通风风，排排除有有害气气体。。（3）管道道部分分满流流时，，管道道内水水流速速度在在一定定条件件下比比满流流大一一些。。流速速大，，有利利于冲冲刷淤淤泥。。非满流流水力力计算算简化化方法法（1）水力力计算算图表表（2）借助满满流水水力计计算公公式并通过过一定定的比比例变变换进进行计计算充满度度流量坡度流速（1）水力力计算算图表表精度低低，通通用性性差。。水力计计算图图适用用于混混凝土土及钢钢筋混混凝土土管道道，其其粗糙糙系数数n＝0.014。每张张图适适用于于一个个指定定的管管径。。图上上的纵纵座标标表示示坡度度I，即是是设计计管道道的管管底坡坡度，，横座座标表表示流流量Q，图中中的曲曲线分分别表表示流流量、、坡度度、流流速和和充满满度间间的关关系。。当选选定管管材与与管径径后，，在流流量Q、坡度度I、流速速v、充满满度h/D四个因因素中中，只只要已已知其其中任任意两两个，，就可可由图图查出出另外外两个个。排水管管渠粗粗糙系系数表表管渠类别粗糙系数n管渠类别粗糙系数n石棉水泥管、钢管0.012浆砌砖渠道0.015木槽0.012～0.014浆砌块石渠道0.017陶土管、铸铁管0.013干砌块石渠道0.020～0.025混凝土管、钢筋混凝土管水泥砂浆抹面渠道0.013～0.014土明渠包括（带草皮）0.025～0.030(2)比例变变换法法假设有有一条条满流流管渠渠与待待计算算的非非满流流管渠渠具有有相同同的管管径D和水力力坡度度I，其过过水断断面面面积为为A0，水力力半径径为R0，通过过流量量为qo，流速速为vo，可以以证明明：A/A0、R/R0、q/qo、v/vo只和充充满度度有关关。非满流流管渠渠水力力计算算方法法一、已已知流流量q、管径径D和水力力坡度度I，求充充满度度h/D和流速速1、先由由下式式计算算q/q0，反查查表3.7得充满满度h/D;2、根据据充满满度h/D，查表表3.7得A/A0，然后后用下下式计计算流流速v。例3.1已知某某污水水管道道设计计流量量为q=100L/s，根据据地形形条件件可以以采用用水力力坡度度为I=7%，初拟拟采用用管径径D=400mm的钢筋筋混凝凝土管管，粗粗糙系系数nM=0.014，求其其充满满度h/D和流速速v。解用用粗糙糙度系系数、、管径径和水水力坡坡度带带入式式3.32计算：：反查表表3.7的充满满度h/D=56.9%，相应应A/AO=0.587，由式式3.33计算：：非满流流管渠渠水力力计算算方法法二、已已知流流量q、管径径D和流速速v，求充充满度度h/D和水力力坡度度I求解步步骤：：1、先由由下式式计算算A/A0，反查查表3.7得充满满度h/D2、根据据充满满度h/D，查表表3.7得R/R0，然后后用下下式计计算水水力坡坡度I非满流流管渠渠水力力计算算方法法三、已已知流流量q、管径径D和充满满度h/D，求水水力坡坡度I和流速速v求解步步骤：：1、先根根据充充满度度h/D查表3.7求出q/q0，然后后用下下式计计算水水力坡坡度I2、根据据充满满度h/D查表3.7得A/A0，然后后用下下式求求流速速v。非满流流管渠渠水力力计算算方法法四、已已知流流量q、水力力坡度度I和充满满度h/D，求管管径D和流速速v1、根据据充满满度h/D查表3.7得q/q0，然后后用下下式计计算管管径D2、根据据充满满度h/D查表3.7求出A/A0，然后后用下下式计计算流流速v非满流流管渠渠水力力计算算方法法五、已已知管管径D、充满满度h/D和水力力坡度度I，求流流量q和流速速v1、根据据充满满度h/D查表3.7求出q/q0，然后用用下式计计算流量量q2、根据充充满度h/D查表3.7求出A/A0，然后用用下式计计算流速速v非满流管管渠水力力计算方方法六、已知知管径D、水力坡坡度I和流速v，求流量量q和充满度度h/D1、根据下下式计算算R/R0，由表3.7反查得h/D2、根据充充满度h/D查表3.7求出A/A0，然后用用下式计计算流量量q例题见教教材p573.4管道的水水力等效效简化采用水力力等效的的原理，，将局部部管网简简化成简简单的形形式。多条管道道串联或或并联，等效为为单条管管道；管道沿线线分散出出流或入入流，等效为为集中出出流或如如流；泵站多台台水泵并并联工作可以以等效为为单台水水泵。l1l2lNd1d2dN1、串联管管道的简简化l根据水力力等效的的原则：简化成成一条后后，在相相同的总总输入流流量下，，应具有有相同水水头损失失。2、并联管管道的简简化将它们等等效为一一条直径径为d，长度为为l的管道，，输送流流量q=q1+q2+…qN。根据水力力等效的的原则：简化成成一条后后，在相相同的总总输入流流量下，，应具有有相同水水头损失失。d1q1d2q2dNqNq当管径相相等时：：任一管段段的流量量：沿线流量量，转输输流量。3、沿线均均匀出流流简化沿线流量量和节点点流量比流量：为简化计计算而将将除去大大用户集集中流量量以外的的用水量量均匀地地分配在在全部有效干管管长度上，由此此计算出出的单位位长度干干管承担担的供水水量。城镇中用用水量标标准不同同的区域域应分别别计算比比流量。。公园街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊沿线流量量：干管有效效长度与与比流量量的乘积积。按管道长长度计算算的比流流量不能能反映供供水人数数和用水水量的差差别，可可采用按按面积计计算比流流量的方方法。管网中除除最末端端的管段段外，其其他任一一管段的的流量都都由两部部分组成成，一部部分是本本管段沿沿程配水水产生的的流量，，即沿线流量量，另一部部分是通通过该管管段输送送到下游游管段的的流量，，称为转输流量量。节点流量量：沿线流量量只有概概念上的的意义，，在水力力计算时时应将沿线流流量按适适当比例例分配到到两各