管道设计原理-第3章课件

管道设计原理王美艳

河北工业大学能源与环境工程学院管道设计原理王美艳3.1给水排水管网水流特征3.2管渠水头损失计算3.3非满流管渠水力计算3.4管道的水力等效简化3.5水泵与泵站水力特性

第3章给水排水管网水力学基础3.1给水排水管网水流特征第3章给水排水管网水力学基础23.1给水排水管网水流特征3.1.1管网中的流态分析要计算沿程水头损失，首先要判别流态。在水力学中，水在圆管中的流动有层流、紊流及过渡流三种流态，可以根据雷诺数Re进行判别，其表达式如下：式中：V－管内平均流速（m/s）；D－管径(m)；ν－水的运动粘性系数。当水温为10℃时，ν＝1.308×10-6m2/s，当水温为20℃时，ν＝1.007×10-6m2/s，当水温为30℃时，ν＝0.804×10-6m2/s，当水温为50℃时，ν＝0.556×10-6m2/s。3.1给水排水管网水流特征3.1.1管网中的流态分析式3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。3.1给水排水管网水流特征3.1.1管网中的流态分析当流速较小时，各流层质点互不混杂，这种型3.1给水排水管网43.1给水排水管网水流特征层流：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。3.1.1管网中的流态分析3.1给水排水管网水流特征层流：液体质点作有条不紊的线状运53.1给水排水管网水流特征3.1.1管网中的流态分析3.1给水排水管网水流特征3.1.1管网中的流态分析63.1给水排水管网水流特征3.1.1管网中的流态分析紊流：液体质点在沿管轴方向运动过程中互相混掺。3.1给水排水管网水流特征3.1.1管网中的流态分析紊73.1给水排水管网水流特征给水排水管网中，流速一般在0.5~1.5m/s之间，管径多在0.1~1.0m之间，水温一般在5~25℃之间，水的动力粘滞系数在1.52~0.89×10-6m2/s之间，水流雷诺数约在33000～1680000之间，处于紊流状态。给水排水管网中，阻力平方区与过渡区的流速界限在0.6~1.5m/s之间，过渡区与光滑区的流速界限则在0.1m/s以下。多数管道的水流状态处于紊流过渡区和阻力平方区，部分管道因流速很小而可能处于紊流光滑管区，水头损失与流速的1.75~2.0次方成正比。3.1.1管网中的流态分析3.1给水排水管网水流特征给水排水管网中，流速一般在0.583.1给水排水管网水流特征3.1.2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，特别是雨水排水及合流制排水管网，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。恒定流：水体在运动过程中，其各点的流速和压力不随时间而变化。非恒定流：水体各点的流速和压力随时间而变化的流动。3.1给水排水管网水流特征3.1.2恒定流与非恒定流恒93.1给水排水管网水流特征3.1.2恒定流与非恒定流水库t0时刻t1时刻3.1给水排水管网水流特征3.1.2恒定流与非恒定流水103.1给水排水管网水流特征满管流动1）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，采用沿程水头损失公式计算；2）当管道在局部分叉、转弯与变截面时，流动为非均匀流，采用局部水头损失公式计算。非满管流或明渠流只要长距离截面不变，可以近似为均匀流，按沿程水头损失公式计算。非均匀流：液体质点流速的大小和方向沿流程变化，水流参数随空间变化。均匀流：

液体质点流速的大小和方向沿流程不变。3.1.3均匀流与非均匀流3.1给水排水管网水流特征满管流动非均匀流：液体质点流113.1给水排水管网水流特征3.1.3均匀流与非均匀流均匀流均匀流非均匀流均匀流非均匀流均匀流非均匀流渐变流急变流急变流非均匀流急变流3.1给水排水管网水流特征3.1.3均匀流与非均匀流均123.1给水排水管网水流特征3.1.3压力流与重力流压力流：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。压力流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、管道长度和流速有关，与管道埋设深度和坡度无关。重力流：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，又称明渠流。重力流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。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。3.1给水排水管网水流特征3.1.3压力流与重力流压力13水头是指单位重量的流体所具有的机械能。用h或H表示，单位米水柱(mH2O)

位置水头Z压力水头P/r流速水头v2/2g水头损失：流体克服流动阻力所消耗的机械能。3.1给水排水管网水流特征3.1.3水流的水头与水头损失水头是指单位重量的流体所具有的机械能。3.1给水排水管网水143.2管渠水头损失计算对于任意形状管渠断面，谢才（Chezy）公式式中：hf——沿程水头损失，m；v——过水断面平均流速，m/s；C——谢才系数；R——过水断面水力半径，m，圆管流R=0.25D；l——管渠长度，m。3.2.1沿程水头损失计算3.2管渠水头损失计算对于任意形状管渠断面，谢才（Che153.2管渠水头损失计算3.2.1沿程水头损失计算对于圆管满流，达西-韦伯（DarcyWeisbach）公式：式中：D——管段直径，m；g——重力加速度，m/s2；λ——沿程阻力系数，λ=8g/C23.2管渠水头损失计算3.2.1沿程水头损失计算对于16谢才系数或沿程阻力系数的确定（1）柯尔勃洛克-怀特（Colebrook-White）公式适用于各种流态，是适用性和计算精度最高的公式之一。

式中：e——管壁当量粗糙度，m。谢才系数或沿程阻力系数的确定（1）柯尔勃洛克-怀特（Cole17谢才系数或沿程阻力系数的确定管壁材料光滑平均粗糙玻璃拉成的材料00.0030.006钢、PVC或AC0.0150.030.06有覆盖的钢0.030.060.15镀锌管、陶土管0.060.150.3铸铁或水泥衬里0.150.30.6预应力混凝土或木管0.30.61.5铆接钢管1.536脏的污水管道或结瘤的给水主管线61530毛砌石头或土渠60150300常用管材内壁当量粗糙度e(mm)表3.1谢才系数或沿程阻力系数的确定管壁材料光滑平均粗糙玻璃拉成的材18谢才系数或沿程阻力系数的确定谢才系数或沿程阻力系数的确定19谢才系数或沿程阻力系数的确定（2）海曾-威廉（Hazen-Williams）公式适用于较光滑的圆管满流管紊流计算，主要用于给水管道水力计算。式中：q——流量，m3/s；Cw——海曾-威廉粗糙系数。谢才系数或沿程阻力系数的确定（2）海曾-威廉（Hazen-W20谢才系数或沿程阻力系数的确定海曾-威廉系数Cw值表3.2管道材料Cw管道材料Cw塑料管150新铸铁管、涂沥青或水泥的铸铁管130石棉水泥管120~140使用5年的铸铁管、焊接钢管120混凝土管、焊接钢管、木管120使用10年的铸铁管、焊接钢管110水泥衬里管120使用20年的铸铁管90~100陶土管110使用30年的铸铁管75~90海曾-威廉系数的修正海曾-威廉系数与流速V的0.081次方成反比，即：式中：v0＝0.9m/s，Cw0为表3.2中推荐值，v为实际流速，Cw为与v对应的系数。谢才系数或沿程阻力系数的确定海曾-威廉系数Cw值21谢才系数或沿程阻力系数的确定（3）曼宁（Manning）公式引入曼宁粗糙系数n，适用于明渠、非满管流或较粗糙的管道计算。代入谢才公式和达西-韦伯公式：式中：n——曼宁公式粗糙系数;I——水力坡度，hf/l。谢才系数或沿程阻力系数的确定（3）曼宁（Manning）公式22谢才系数或沿程阻力系数的确定（4）巴甫洛夫斯基公式适用于明渠流、非满管流或较粗糙的管道计算。谢才系数或沿程阻力系数的确定（4）巴甫洛夫斯基公式23柯尔勃洛克-怀特公式适用于较广的流态范围具有较高的精度;巴甫洛夫斯基公式具有较宽的适用范围，1.0≤e≤5.0mm;曼宁公式适用于较粗糙的管道,0.5≤e≤4.0mm;海曾-威廉公式适用于较光滑的管道,e≤0.25mm;3.2管渠水头损失计算3.2.2沿程水头损失计算公式的比较与选用柯尔勃洛克-怀特公式适用于较广的流态范围具有较高的精度;3.243.2管渠水头损失计算3.2.3局部水头损失计算局部阻力设施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式中：hm——沿程水头损失，m；

ξ——局部阻力系数；局部阻力系数ξ表3.53.2管渠水头损失计算3.2.3局部水头损失计算局部253.2管渠水头损失计算

3.2.4水头损失公式的指数形式参数海曾-威廉公式曼宁公式k10.67/Cw1.85210.29n2n1.8522.0m4.875.333式中：k、n、m─指数公式的参数。见表3.6；

α―比阻，即单位管长的摩阻系数，α=k/Dm；

Sf―摩阻系数，Sf=αl=kl/Dm。沿程水头损失计算公式的指数形式：沿程水头损失指数公式的参数表3.63.2管渠水头损失计算3.2.4水头损失公式的指数形263.2管渠水头损失计算

3.2.4水头损失公式的指数形式局部水头损失计算公式的指数形式：沿程水头损失与局部水头损失之和：式中：Sm——局部阻力系数；

Sg——管道阻力系数；3.2管渠水头损失计算3.2.4水头损失公式的指数形27污水管道按不满流设计的原因：（1）流量时刻变化，很难确定计算，而且雨水、地下水可能通过检查井盖或管道接口渗入污水管道。因此，要保留一部分管道断面，为未预见的水量留有余地，避免污水逸出，妨碍环境卫生，同时使渗入的地下水顺利流泻。（2）污水管道内沉积的污泥可能分解出一些有害气体。此外，污水中如含有汽油、苯、石油等易燃液体时，可能形成爆炸性气体。故需要留出适当的空间，以利于管道的通风，排除有害气体。（3）管道非满流时，管道内水流速度在一定条件下比满流大一些。流速大，有利于冲刷淤泥。在排水管网中，污水管道一般采用非满管流设计，雨水管网一般采用满管流设计，3.3非满流管渠水力计算污水管道按不满流设计的原因：（1）流量时刻变化，很难确定计算283.3非满流管渠水力计算图3.1圆形管道非满管流和满管流示意图（a）非满管流；（b）满管流图3.2圆形管道充满度示意图（a)非满管流（b)满管流3.3非满流管渠水力计算图3.1圆形管道非满管流和满管293.3非满流管渠水力计算非满管流水力计算的目的：确定管段流量(q)、流速(v)、断面尺寸(θ)、充满度(y/D)和坡度之间(I)的关系。1）图表分析法2）解析计算法

3.3.1非满管流水力计算公式3.3非满流管渠水力计算非满管流水力计算的目的：1）图303.3非满流管渠水力计算设管径为D，管内水深为y，充满度为y/D，由管中心到水面线两端的夹角计算公式：式中，θ的单位为弧度。充满度y/D—指设计流量下，管道内的有效水深与管径的比值。过水断面A=A(D,y)水力半径R=R(D,y)

流量1）图表分析法：3.3非满流管渠水力计算设管径为D，管内水深为y，充满度31设该管道的坡度为I，满管流的湿周、水力半径、过水断面面积、流速和流量分别为χ0、A0、R0、q0和v0，非满管流湿周、水力半径、过水断面面积、流速和流量分别为χ0、A0、R0、q0和v0满管流非满管流比例设该管道的坡度为I，满管流的湿周、水力半径、过水断面面积、流323.3非满流管渠水力计算任意充满度下的水力半径R、过水断面面积A、流量q和流速v与满管流A0、R0、q0和v0的比值关系图图3.3非满流圆管水力特性y/D3.3非满流管渠水力计算任意充满度下的水力半径R、过水断333.3非满流管渠水力计算当流量q、管径D、坡度I和粗糙系数n已知时，可以推导得出管中心到水面线两端的夹角隐函数计算式，可以近似设定夹角θ的初值，采用迭代法计算。公式如下：下式可以用于直接计算管道的水力坡度：注：θ的单位为弧度。2）解析计算法：3.3非满流管渠水力计算当流量q、管径D、坡度I和粗糙系34一、已知流量q、管径D和水力坡度I，求充满度y/D和流速v1、先由下式计算q/q0，反查表3.7得充满度y/D;2、根据充满度y/D，查表3.7得A/A0，然后用下式计算流速v。3.3非满流管渠水力计算

3.3.2非满管流水力计算方法一、已知流量q、管径D和水力坡度I，求充满度y/35解用粗糙度系数、管径和水力坡度计算：反查表3.7的充满度y/D=0.56，相应A/A0=0.587例3.1已知某污水管道设计流量为q=100L/s，根据地形条件可以采用水力坡度为0.007，初拟采用管径D=400mm的钢筋混凝土管，粗糙系数n=0.014，求其充满度y/D和流速v。3.3非满流管渠水力计算解用粗糙度系数、管径和水力坡度计算：例3.1已知某污水36二、已知流量q、管径D和充满度y/D，求水力坡度I和流速v1、先根据充满度y/D查表3.7求出q/q0，然后用下式计算水力坡度I2、根据充满度y/D查表3.7得A/A0，然后用下式求流速v。3.3非满流管渠水力计算二、已知流量q、管径D和充满度y/D，求水力坡度I和流速v337三、已知流量q、水力坡度I和充满度y/D，求管径D和流速v1、根据充满度y/D查表3.7得q/q0，然后用下式计算管径D2、根据充满度y/D查表3.7求出A/A0，然后用下式计算流速v3.3非满流管渠水力计算三、已知流量q、水力坡度I和充满度y/D，求管径D和流速v3383.4管道的水力等效简化

采用水力等效的原理，将局部管网简化成简单的形式。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；泵站多台水泵并联工作可以等效为单台水泵。根据水力等效的原则：简化成一条后，在相同的总输入流量下，应具有相同水头损失。3.4管道的水力等效简化采用水力等效的原理，将局39l1l2lNd1d2dN3.4.1串联管道的简化l

将它们等效为一条直径为d，长度为l=l1+l2+…lN的管道，输送流量为q3.4管道的水力等效简化

l1l240将它们等效为一条直径为d，长度为l的管道，输送流量q=q1+q2+…qN。d1q1d2q2dNqNq当管径相等时：3.4管道的水力等效简化

3.4.2并联管道的简化将它们等效为一条直径为d，长度为l的管道，输送流量q=413.4管道的水力等效简化

【例3.4】两条相同直径管道并联使用，管径分别为DN200、DN300、DN400、DN500、DN600、DN700、DN800、DN900、DN1000和DN1200，试计算等效管道直径。【解】采用曼宁公式计算水头损失，n=2，m=5.333。如果两条DN500管道并联，等效管道直径为：各并联管道直径如下表：双并联管直径(mm)20030040050060070080090010001200等效管道直径(mm)25938951964877890810371167129715563.4管道的水力等效简化【例3.4】423.4管道的水力等效简化

3.4.3沿线均匀出流的简化比流量qs：用水量均匀地分配在全部有效干管长度上，由此计算出的单位长度干管承担的供水量。沿线流量ql：干管有效长度与比流量的乘积。管段的流量都由两部分组成，一部分是本管段沿程配水产生的流量，即沿线流量ql

，另一部分是通过该管段输送到下游管段的流量，称为转输流量qt

。3.4管道的水力等效简化3.4.3沿线均匀出流的简化43假设沿线出流均匀，则管道内任意断面x上的流量可以表示为：

沿程水头损失计算如下：3.4管道的水力等效简化

假设沿线出流均匀，则管道内任意断面x上的流量可以表示为：

44节点流量：沿线流量只有概念上的意义，在水力计算时应将沿线流量按适当比例分配到两各节点，成为节点流量。沿线流量转换成节点流量的原则是管段的水头损失相同。3.4管道的水力等效简化

α——流量折算系数节点流量：沿线流量只有概念上的意义，在水力计算45为简化计算，将沿线流量ql分为两个集中流量，分别转移到管段的两个节点。假设转移到末端的流量为αql，则通过管道流量为：水头损失为：3.4管道的水力等效简化

为简化计算，将沿线流量ql分为两个集中流量，分别转移到管段的46根据水力等效原则：3.4管道的水力等效简化

α的变化范围为0.5～0.577，一般地，在靠近管网起端的管段，因转输流量比沿线流量大得多，α值接近于0.5结论：管道沿线出流的流量可以近似地一分为二，平均分配到管段的两个端点上，由此造成的计算误差在工程上是允许的。根据水力等效原则：3.4管道的水力等效简化α的变化范围47可将局部水头损失等效于一定长度的管道（称为当量管）的沿程水头损失，从而与沿程水头损失合并计算。3.4管道的水力等效简化

3.4.3局部水头损失计算的简化ld——当量管长度(m)。可将局部水头损失等效于一定长度的管道（称为当量管）的沿程水头483.5水泵与泵站水力特性3.5.1水泵水力特性公式及其参数计算扬程：水泵提供给单位重量水的机械能（mH2O）。水泵水力特性：表征水泵流量和扬程的关系，如下：（1）额定转速泵水力特性（2）调速水泵水力特性（3）考虑吸水和压水管路阻力后水力特性3.5水泵与泵站水力特性3.5.1水泵水力特性公式及其参49式中：hp——水泵扬程，m；

qp——水泵流量，m3/s；

he——水泵静扬程，m；

sp——水泵内阻系数；

n——与水头损失计算指数公式相同的指数。（1）额定转速泵水力特性3.5水泵与泵站水力特性12式中：hp——水泵扬程，m；（1）额定转速泵水力特性3.550静扬程he和内阻系数sp的确定（最小二乘法）（1）额定转速泵水力特性式中N——数据组数3.5水泵与泵站水力特性静扬程he和内阻系数sp的确定（最小二乘法）（1）额定转速泵513.5水泵与泵站水力特性【例3.6】从水泵样本中查得300S58型水泵的流量与扬程关系见表，试求水力特性公式。流量(m3/h)576792972扬程(m)63.058.050.0【解】由表中数据：qpihpi3.5水泵与泵站水力特性【例3.6】从水泵样本中查得300523.5水泵与泵站水力特性代入公式：即300S58型水泵水力特性为：部分常用型号水泵的水力特性公式参数见表3.103.5水泵与泵站水力特性代入公式：即300S58型水泵水力53（2）调速水泵水力特性式中r0——水泵额定转速，r/min;r——水泵工作转速，r/min。水泵的静扬程与转速比的平方成正比；改变水泵转速改变水泵静扬程，不改变内阻。3.5水泵与泵站水力特性（2）调速水泵水力特性式中r0——水泵额定转速，r/mi54（3）考虑吸水和压水管路阻力后水力特性3.5水泵与泵站水力特性式中

sg——吸水和压水管路总摩阻系数。吸、压水管路的阻力与水泵内部的阻力一样，都具有降低水泵有效扬程作用。静扬程he是水泵提供的能量，而spqpn和sgqpn分别是水泵内部和外部吸、压水管道上消耗的能量（水头损失）1－水泵水力特性；2－吸压水管路水力特性；3－考虑吸压水管路阻力后的水泵水力特性spqpnsgqpnsgqpn（3）考虑吸水和压水管路阻力后水力特性3.5水泵与泵站水55（3）考虑吸水和压水管路阻力后水力特性3.5水泵与泵站水力特性