5 管段流量,管径,水头损失

,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,2012-1-14,Water,Pollution,Control,Engineering,*,第,5,章 管段流量、管径和水头损失,宫建龙,安徽工程大学,环境工程教研室,在给水工程总投资中，输水管渠和管网所占费用,(,包括管道、阀门、附属设施等,),约占,70% 80%,。,新建和扩建的城市管网按,最高时用水量,计算。,对多种方案进行管网计算，可得到最佳给水管网方案。,5.1,管网计算的课题,计算步骤,求,沿线流量,和,节点流量,；,求管段,计算流量,；,确定各管段的,管径和水头损失,；,进行,管网水力计算,或技术经济计算；,确定,水塔高度和水泵扬程,。,2012-1-14,2,给水管线遍布在街道下，管线多、管径差别大，将全部管线一律加以计算，实际上没有必要，也不可能。,新设计管网的定线和计算仅限于干管而不是全部管线。,改建和扩建管网的计算可对实际管网适当简化，保留主要的干管，略去一些次要的、水力条件影响较小的管线。,5.2,管网图形及简化,管网图形简化,管网图形简化就是在保证计算结果,接近实际情况,，对管线进行简化，以,减轻计算工作量,。,2012-1-14,3,管网分解,：两管网由一条或两条管线连接，可把连接线断开，分解成两个管网。,管线合并,：管径较小、相互平行且靠近的管线。,管线省略,：水力条件影响较小、管径相对较小的管线。,管网简化方法,5.2,管网图形及简化,2012-1-14,4,5.2,管网图形及简化,管线简化示意,600,400,300,300,100,100,250,250,250,250,250,250,300,300,300,300,300,200,200,200,200,200,200,200,200,200,200,250,300,300,400,400,300,250,250,250,200,200,200,200,150,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,100,150,150,150,150,150,150,150,150,150,150,150,150,150,150,150,150,150,150,150,150,200,200,200,200,200,250,100,100,100,100,100,150,150,150,150,150,150,150,100,100,150,150,100,100,100,100,150,分解,分解,分解,分解,合并,合并,合并,省略,省略,合并,节点合并,省略,合并,2012-1-14,5,从沿线流量折算得出的,并且假设是在节点集中流出的流量。,5.3,沿线流量和节点流量,管网计算术语,节点,有集中流量进出、管道合并或分叉以及边界条件发生变化的地点,包括,水源节点,(,泵站、水塔,),、,管线交接点,、,两管段交点,。,管段,两个相邻节点之间的管道,顺序相连的若干管段,管线,环,起点与终点重合的管线,基环,不包含其它环的环,大环,包含两个或两个以上基环的环,沿线流量,节点流量,指供给该管段两侧用户所需流量,2012-1-14,6,工业企业,的给水管网，大量用水集中在少数车间，配水情况简单。,城市给水,管线的干管和分配管上接出许多用户，沿管线配水，有数量少但用水量大的工厂、机关、旅馆等单位用水，也有数量多但水量少的居民用水，情况复杂。,沿线有数量较多的,用户用水,q,1,，,q,2,，,等，也有,分配管,的流量,Q,1,，,Q,2,，,等。,5.3,沿线流量和节点流量,沿线流量,沿线流量分布情况,Q,2,q,1,q,2,q,3,q,4,q,5,Q,3,Q,4,q,6,q,7,干管,Q,1,分配管,2012-1-14,7,因用户用水量经常变化，按照实际用水情况来计算管网，没有必要也少有可能，因此，计算时往往加以简化。,5.3,沿线流量和节点流量,比流量,(,q,s,),是,假定用水量均匀分布在全部干管上，由此算出干管线单位长度的流量。,比流量,q,s,:,比流量,;,Q,:,管网总用水量,;,q,:,大用户集中用水量总和,;,l,:,干管总长度,;,q,l,:,沿线流量,;,l,:,管段长度。,沿线流量,2012-1-14,8,干管的总长度一定时，比流量随用水量增减而变化，,最高用水时,和,最大转输时,的比流量不同，所以在管网计算时须分别计算。,城市内人口密度或房屋卫生设备条件不同的地区，也应该根据各区的用水量和干管线长度，分别计算其比流量，以得出比较接近实际用水的结果。,若沿线供水人数和用水量的差别较大时，采用该管段的供水面积代替管段总长度计算比流量，结果比较准确，但计算较复杂。,供水面积可用等分角线的方法划分街区。,5.3,沿线流量和节点流量,说明,2012-1-14,9,沿线流量,(,q,l,),转输流量,(,q,t,),本管段沿程配水产生的流量,顺水流方向逐渐减小,通过该管段输送到下游管段的流量,沿整个管段不变,节点流量,5.3,沿线流量和节点流量,管段流量,按沿线流量计算时,管段的流量是变化的,难以确定管径和水头损失。,将沿线流量转化为,节点流出,的流量,即沿管线没有流量流出,管段的流量不再沿管线变化，由此可计算管径和水头损失。,2012-1-14,10,将沿线流量按适当比例分配到两个节点上，转换成从两个节点流出的流量，就成为节点流量。,节点流量,沿线流量转换成节点流量的原则,管段的水头损失相同,求出一个沿线不变的,折算流量,q,，使它产生的水头损失等于实际上沿管线变化的流量。,5.3,沿线流量和节点流量,2012-1-14,11,在,1,，,2,两节点之间，管长为,l,的管段中的沿线流量顺水流方法逐级减少，节点,1,处的流量为,q,t,+q,l,，节点,2,处的流量为,q,t,，管段,1,2,中任一断面的流量为,q,x,(,图中红线,),。,用,节点流量,表示时,，,仅从,节点,1,，,2,两节点处出流，,1,和,2,之间的管段流量不变为,q,(,图中绿线,),。假定节点,2,的流量为,q,l,，则节点,1,的流量为,(1-,),q,l,，从图可以看出,q,=,q,t,+,q,l,。,:,折算系数，是把沿线变化的流量折算成在管段两端节点流出的流量，即节点流量系数。,q,t,+,q,l,1,x,d,x,l,q,t,(1-,),q,l,q,q,l,q,1,2,q,t,q,l,q,x,5.3,沿线流量和节点流量,2012-1-14,12,5.3,沿线流量和节点流量,求解,折算系数,(,),q,t,+,q,l,1,x,d,x,L,q,t,(1-,),q,1,q,q,1,q,1,2,q,t,q,l,q,x,2012-1-14,13,5.3,沿线流量和节点流量,折算系数,只与,=,q,t,/,q,l,有关：,在管网末端的管段，转输流量,q,t,=0,，,=0.577,；,转输流量远大于沿线流量的管段，,，,=0.5,为方便管网计算，通常为统一采用,=0.5,。,任一节点,i,的节点流量等于与该节点相连各管段的沿线流量,q,i,总和的一半，即 。,工业企业等,大用户的流量,或,用水量大的车间流量,可直接作为,节点流量,。,管网图上的,流量,主要表示为由,沿线流量,折算,的,节点流量,和大用户的,集中流量,。,P34,例题,说明,2012-1-14,14,泵站,5,6,3,8,5,6,4,6,2,7,3,5,4,5,2,8,6,14,27,33,3,4,12,17,7,26,2,34,71,5,单水源的树状网的流量分配,树状管网的管段流量具有唯一性,任一管段的流量等于该段以后所有节点流量的总和。,5.4,管段计算流量,2012-1-14,15,5.4,管段计算流量,环状网的流量分配,任一节点的流量包括,节点流量,、,流向,和,流离,该节点,管段流量,。,分配流量应保持每一节点的水流连续性，满足,节点流量平衡,，即,流向任一节点的流量,等于,流离该节点的流量,， 。,在流量分配时，使环状网中某些管段的流量为零，即将环状网改成树状网，才能得到最经济的流量分配，但是树状网并不能保证可靠供水。,环状网流量分配时，应同时照顾经济性和可靠性，即在满足可靠性的要求下，力求管网最为经济。,经济性,是指流量分配后得到的管径，应使一定年限内的管网建造费用和管理费用为最小。,可靠性,是指能向用户不间断地供水，并且保证应有的水量、水压和水质。,2012-1-14,16,按照管网的主要供水方向，初步,拟定,各管段的,水流方向,，并,选定,整个管网的,控制点,。,控制点,是管网正常工作时和事故时必须保证所需水压的点，一般选在给水区内离二级泵站最远或地形较高之处）。,从二级泵站到控制点之间,选定,几条主要的,平行干管线,。,这些平行干管中尽可能均匀地分配流量，并且符合水流连续性,(,满足节点流量平衡,),的条件。这样，当其中一条干管损坏、流量由其它干管转输时，不会使这些干管中的流量增加过多。,和干管线,垂直,的,连接管,可,分配较少的流量,。,连接管的作用主要是沟通平行干管之间的流量，有时起一些输水作用、有时只是就近供水到用户，平时流量一般不大、只有在干管损坏时才转输较大的流量。,环状网流量分配步骤,5.4,管段计算流量,2012-1-14,17,例,5.4,管段计算流量,15,10,13,12,18,16,17,14,19,7,6,12,5,27,14,8,58,19,12,33,59,134,60,24,9,5,11,13,57,30,10,24,9,8,2012-1-14,18,5.5,管径计算,管径计算,管段的直径应按分配后的流量确定,从,技术上,考虑，水流的最大速度应不超过,2.53.0,m/s,(,防止水锤,),，最小速度不得小于,0.6,m/s,(,防止沉积,),。,从,经济上,考虑，较大的水流速度可减小管道直径，降低工程造价；但由于水流速度大而会导致水头损失增加，从而加大运行的动力费用。,合理的流速应该使得在一定年限（投资偿还期）内管网造价与运行费用之和最小。,水流速度的选择,经济管径的确定,2012-1-14,19,D,e,M,1,W,D,W,0,管网费用分析,5.5,管径计算,W,t,：总费用；,C,：管网造价；,M,1,：年度运行电费；,M,2,：年折旧费用；,p,：管网折旧和大修费；,t,：投资偿还年限。,投资偿还期内的年度总费用,W,投资偿还年限内的总费用,W,t,年折旧费与管径的关系,2012-1-14,20,管径 （,mm,）,平均经济流速 （,m/s,）,D,=100400,0.60.9,D,400,0.91.4,V,e,M,1,W,V,W,0,年折旧费与流速的关系,平均经济流速,5.5,管径计算,2012-1-14,21,均匀流基本公式,流量和水头损失的关系,管段的沿程水头损失,C,:,谢才系数, m,1/2,s;,i,:,水力坡度,;,R,:,水力半径,m;,:,阻力系数，,a,:,比阻，,q,:,流量,;,l,:,管段长度；,s,:,水管摩阻，,s,=,al,。,5.6,水头损失计算,2012-1-14,22,5.6,水头损失计算,水头损失一般公式,当,n,=2,时,h,=,alq,2,=,sq,2,。,给水管的水流流态分为三种情况：,阻力平方区,(,n,=2),，此时比阻,a,值仅和,管径,及水管内壁,粗糙度,有关，而和,Re,数无关，例如旧铸铁管和旧钢管在流速,v,1.2,m/s,时或金属管内壁无特殊防腐措施时，就属于这种情况；,过渡区,(,n,=1.752),，此时，比阻,a,值和管径、水管内壁粗糙度以及,Re,数有关，例如旧铸铁管和旧钢管在流速。,v,1.2,m/s,时以及石棉水泥管在各种流速时的情况；,水力光滑区,(,n,=1.75),，此时比阻,a,值和管径及,Re,数有关，但和水管内壁粗糙度无关，例如应用塑料管和玻璃管时。,2012-1-14,23,舍维列夫公式,适用于旧铸铁管和旧钢管,当,v,1.2,m/s,时,当,v,1.2,m/s,时，,将 代入上式得：,比较,h,ij,=,li,=,alq,2,得：,a,=,i,/,q,2,令 得：,由不同管径和流速可算得,a,K,值,列表于表,5-2,表,5-3,中。,实际计算时,只需将,q,D,以及表中的,a,K,值代入公式计算,即可求出,h,。,5.6,水头损失计算,水头损失的实际计算,2012-1-14,24,巴甫洛夫斯基公式,适用于混凝土管、钢筋混凝土管和渠道,对于混凝土管和钢筋混凝土给水管，当,n,0.02,时，,y,值可采用,1/6,。,当,n,取不同的值时，将 代入 得：,由不同管径和粗糙度可算得,a,值,列表于表,5-4,。,实际计算时,只需将,q,D,以及表中的,a,值代入公式计算,即可求出,h,。,5.6,水头损失计算,2012-1-14,25,海曾,-,威廉公式,水管种类,海曾,-,威廉系数,C,塑料管,150,新铸铁管、涂沥青或水泥的铸铁管,130,混凝土管、焊接钢管,120,旧铸铁管和旧钢管,100,西方国家应用较多,5.6,水头损失计算,2012-1-14,26,柯尔勃洛克公式,水管种类,粗糙系数,k,（,mm,）,水管种类,粗糙系数,k,（,mm,）,涂沥青铸铁管,0.050.125,石棉水泥管,0.030.04,涂水泥铸铁管,0.50,离心法钢筋混凝土管,0.040.25,涂沥青钢管,0.05,塑料管,0.010.03,镀锌钢管,0.125,适用范围广,接近实际,运算复杂,宜用计算机求解,应用上述各种水头损失计算公式时，由于公式本身的某些缺陷和系数值,(,如,n,、,C,k,值,),在选用上的偏差，各式的计算结果有时相差较大。,究应采用哪种公式，系数如何选择，应参照实际的科学测定和有关规定。,5.6,水头损失计算,2012-1-14,27,5.7,管网计算基础方程,管网计算目的,求出各水源,节点,（如泵站、水塔等 ）的,供水量,、各,管段,中的,流量,和,管径,以及全部,节点,的,水压,。,环状管网：,=,+,-1,树状管网：,=,-1,管网计算基础方程,Q,1,Q,2,Q,3,Q,4,Q,5,Q,6,4,5,6,3,2,1,:,管段数,;,:,节点数,;,:,基环数。,水泵,水塔,0,1,2,3,4,8,5,6,7,2012-1-14,28,由,节点流量,、,管段长度,，确定管段的,直径,和,流量,(,即直径和流量未知，需要求解,),；,由于有,P,个管段，则有,2,P,个未知数；,利用,经济流速,确定,流量,与,直径,的关系，实际上只要求解,个未知数。,环状管网计算时，必须列出,+,-1,个方程,才能求出,P,个流量。,管网中的水流必须符合,质量守恒,和,能量守恒原理,，即满足,连续方程,和,能量方程,。,独立的连续性方程数为,-1,个，独立的能量方程数为,个，两者共计,个。,管网水力计算,管网计算的原理,5.7,管网计算基础方程,2012-1-14,29,q,i,为节点流量，,q,ij,为管段流量，,离开节点流量为正，,流向节点流量为负。,连续性方程,能量方程,J,-1,个节点的流量,L,个基环的水头损失,h,ij,为管段水头损失，,s,ij,为管段摩阻，,顺时针方向为正，,逆时针方向为负。,5.7,管网计算基础方程,2012-1-14,30,压降方程,管段流量与水头损失之间的关系,离开节点流量为正，流向节点流量为负。,5.7,管网计算基础方程,H,i,H,j,:,节点,i,j,对某一基准点的水压,;,s,ij,:,管段摩阻,;,N,:,连接该节点的管段数。,2012-1-14,31,管网经流量分配后，各节点已满足连续性方程，可是由该流量求出的管段水头损失，并不同时满足,L,个环的能量方程，为此必须多次将各管段的流量反复调整，直到满足能量方程，从而得出各管段的流量和水头损失。,解环方程时，哈代,克罗斯（,Hardy Cross,）法是其中常用的一种算法。由于环状网中，环数少于节点数和管段数，相应的以环方程数为最少，因而成为手工计算时的主要方法。,5.8,管网计算方法分类,给水管网计算就是联立求解连续方程、能量方程和管段压降方程，,根据求解的未知数是,管段流量,还是,节点水压,，可以分为,解环方程,、,解节点方程,和,解管段方程,三类。,解环方程,2012-1-14,32,解节点方程是在假定每一节点水压的条件下，应用连续性方程以及管段压降方程，通过计算调整，求出每一节点的水压。节点的水压已知后，即可以从任一管段两端节点的水压差得出该管段的水头损失，进一步从流量和水头损失之间的关系算出管段流量。工程上常用的算法有哈代,克罗斯法。,解节点方程是应用计算机求解管网计算问题时，应用最广的一种算法。,5.8,管网计算方法分类,解节点方程,2012-1-14,33,该法是应用连续性方程和能量方程，求得各管段流量和水头损失，再根据已知节点水压求出其余各节点水压。大中城市的给水管网，管段数多达数百条甚至数千条，需借助计算机才能快速求解。,5.8,管网计算方法分类,解管段方程,2012-1-14,34,