给水排水管网水力学基础课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,管网中的流态分析,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)；,水的运动粘性系数，当水温为10,o,C时，,1.308 x 10,-6,m,2,/s，当水温为30,o,C时，,0.804 x 10,-6,m,2,/s，当水温为50,o,C时，,0.556 x 10,-6,m,2,/s。,当Re小于2000时为层流，当Re大于4000时为紊流，当Re介于2000到4000之间时，水流状态不稳定，属于过渡流态。,给水排水管网中,，流速一般在0.51.5m/s之间，管径多在0.11.0m之间，水温一般在525之间，水的动力粘滞系数在1.52 0.8910,-6,m,2,/s之间，水流雷诺数约在330001680000之间，,处于紊流状态,。,计算表明，给水排水管网中，阻力平方区与过渡区的流速界限在0.61.5m/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1.752.0次方成正比。,管网中的流态分析小结,恒定流与非恒定流,由于用水量和排水量的经常性变化，给水排水管道中的流量和流速随时间变化，水流经常处于非恒定流（又称非稳定流）状态。但是，非恒定流的水力计算比较复杂，,在管网工程设计和水力计算时，一般按恒定流（又称稳定流）计算。,随着计算机技术快速发展与普及，国内外已经开始研究和采用非恒定流计算给水排水管网，而且得到了更接近实际的结果。,均匀流与非均匀流,给水排水管网中的水流参数随时间变化，也随空间变化。特别是,明渠流或非满管流，通常都是非均匀流。,对于满管流，长距离等截面满管流为均匀流。,对于非满管流或渠流，只要长距离截面不变，也可近似为均匀流,，按沿程水头损失公式计算。,对于短距离或特殊情况下的非均匀流动，运用水力学理论按缓流或急流计算。,压力流与重力流,压力流输水通过具有较大承压能力的管道进行，水流在运动中的阻力主要依靠水泵产生的压能克服，,管道阻力大小只与管道内壁粗糙程度、管道长度和流速有关，与管道埋设深度和坡度等无关。,重力流输水系统依靠地形高差，通过管道或渠道由高处流向低处，水流的阻力主要依靠水的位能克服，,水位沿水流方向降低，称为水力坡降,。,给水管网多采用压力流输水方式，如果地形条件允许，也可采用重力流输水以降低输水成本。排水管网一般采用重力流输水方式，要求管渠的埋设高程随着水流水力坡度下降。,3.2,管渠水头损失计算,沿程水头损失计算,对于任意形状管渠断面，采用,谢才（Chezy）公式：,式中h,f,沿程水头损失（m）；v过水断面平均流速（m/s）；,C谢才系数；,l,管渠长度(m)；,R过水断面水力半径（m），对于,圆管满流，R=0.25D，D为直径,（m）。,对于圆管满流，可采用达西-韦伯（Darcy-Weisbach）公式：,式中D管段直径（m）；g重力加速度（m/s,2,）；,沿程阻力系数，,。,沿程阻力系数常用公式：,（1）柯尔勃洛克-怀特（Colebrook-White）公式,（,适于各种流态，计算精度高）：,或,简化显函数 公式：,常用管材内壁当量粗糙度e（mm）表3.1,沿程阻力系数常用公式：,（续）,（2）,海曾-威廉（Hazen-Williams）公式：,（,适于较光滑的圆管满管紊流给水管道计算,）：,式中q流量，m,3,/s；,C,w,海曾-威廉系数，其值见表3.2。,代入式（3.3）得：,海曾-威廉系数修正：,将公式（3.5）和式（3.8）可以得出：,所以，,海曾-威廉系数与流速V的0.081次方成反比,，即：,式中，V,0,0.9m/s，C,w0,为表3.2中推荐值，V为实际流速，C,w,为与V对应的系数。,沿程阻力系数常用公式：,（续）,（3）曼宁（Manning）公式：,曼宁引入管渠粗糙系数n，称为曼宁粗糙系数，并给出了谢才系数C的计算公式，称为曼宁公式，适用于明渠、非满管流或较粗糙的管道水力计算。,式中，C谢才系数；R水力半径；n曼宁粗糙系数，见表3.4。,将曼宁公式（3.12）代入式谢才公式（3.2）和达西-韦伯公式（3.3），分别得到：,和,及,（式3.13）（式3.14）（式3.15）,公式（3.14）适用于满管流的阻力平方区，,公式,（3.15）,适用于明渠均匀流和非满管均匀流水力计算。,沿程阻力系数常用公式：,（续）,（4）,巴甫洛夫斯基(.)公式,：,将曼宁公式中的常数指数1/6改进为曼宁粗糙系数n和水力半径R的函数。,式中，,n曼宁粗糙系数,。,代入公式（3.2），得：,3.2.2,沿程水头损失计算公式的比较与选用,：,（1）谢才公式和达西-韦伯氏公式为管渠水力计算的基本公式，谢才系数C和达西-韦伯氏阻力系数是管网水力计算正确性的关键；,（2）柯尔勃洛克-怀特公式适用于较广的流态范围，其缺点是计算过程比较繁琐和费时。但在应用计算机进行计算时，已经不存在任何困难；,（3）曼宁公式应用方便，特别适用于较粗糙的非满管流和明渠均匀流的水力计算，最佳适用范围为0.5e4.0mm；,（4）巴甫洛夫斯基公式具有较宽的适用范围，最佳适用范围为1.0e5.0mm；,（5）海曾-威廉公式特别适用于给水管网的水力计算，具有较高的计算精度。,局部水头损失计算,计算,公式,：,式中，h,m,局部水头损失，m；,局部阻力系数，见表3.5。,局部阻力系数表3.5,经验表明，,给水排水管网中的局部水头损失一般不超过沿程水头损失的5%，所以，在管网水力计算中，常忽略局部水头损失的影响，不会造成大的计算误差。,水头损失公式的指数形式,将水头损失计算公式写成指数形式，有利于统一计算公式的表达形式，简化给水排水管网的水力计算，也便于计算机程序设计和编程。,沿程水头损失计算公式的指数形式为：,式中，k、n、m指数公式的参数。见表3.6；,比阻，即单位管长的摩阻系数，,=k/D,m,；,s,f,摩阻系数，s,f,=,l=kl/D,m,。,沿程水头损失指数公式的参数 表3.6,或,或,3.3非满流管渠水力计算,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,，如图,3.1,所示。在两者的运行过程中，大多数时间内，均处于非满管流状态。,为了简化计算工作，在给水排水管道的水力计算中一般都采用均匀流公式。,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,非满流管道水力计算公式,管渠流量公式：,式中A过水断面面积（m,2,）；,I,水力坡度，对于均匀流，为管渠底坡。,非满流管道水力计算参数公式,:,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，的单位为弧度。,过水断面面积、湿周 和水力半径依次,为，,或,，,和,设该管道的坡度为,I,，满管流时的过水断面面积、水力半径、流量和流速分别为A,0,、R,0,、q,0,和v,0,，可得,，,，,和,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A,0,、R,0,、q,0,和v,0,的比值计算公式,(3.34)(3.37),：,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A,0,、R,0,、q,0,和v,0,的比值关系图,由图,3.3,，,当充满度,0.94,时，管中流量最大，为满管流流量的,1.08,倍；当充满度,0.81,时，管中流速最大，为满管流流速的,1.14,倍。,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,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：,【例3.1】已知某污水管道设计流量为q=100L/s，根据地形条件设定采用水力坡度I=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。,【解】,3.4173（弧度），充满度y/D0.5687，流速v1.355（m/s）,3.4管道的水力等效简化,水力等效简化原则：,经过简化后的管网对象与原来的实际对象具有相同的水力特性。如两条并联管道简化成一条后，在相同的总输水流量下，应具有相同的水头损失。,串联或并联管道的简化,管道串联,等效直径：,管道串联：如图,3.4,所示，两条或两条以上管道串联，可将它们等效为一条直径为,d,，长度为,l,的管道。根据水力等效原则，有：,管道并联：两条或两条以上管道并联，长度相等，可以将它们等效为一条直径为,d,长度为,l,的管道，则：,3.4管道的水力等效简化,水力等效简化原则：,经过简化后的管网对象与原来的实际对象具有相同的水力特性。如两条并联管道简化成一条后，在相同的总输水流量下，应具有相同的水头损失。,管道串联,等效直径：,串联或并联管道的等效简化,管道串联：如图,3.4,所示，两条或两条以上管道串联，可将它们等效为一条直径为,d,，长度为,l,的管道。根据水力等效原则，有：,当并联管道直径相同时，等效直径：,管道并联：两条或两条以上管道并联，长度相等，可以将它们等效为一条直径为,d,长度为,l,的管道，则：,并联管道等效直径：,沿程水头损失：,沿线均匀出流的简化,给水管网中的配水管沿线向用户供水，如图,3.6,所示。假设沿线出流是均匀的，则管道内任意断面,x,上的流量可以表示为：,为简化计算，将沿线流量简化为在管道起端和未端的两个集中流量，假设未端的流量为,q,l,（,称为流量折算系数），其余流量转移到起端，则管道流量为q=q,t,+,q,l,，根据水力等效原则，有：,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。,设管道直径为D，局部阻力系数为,，令其局部水头损失与折算当量管道的沿程水头损失相等，可以计算当量管道长度,l,d,，即,局部水头损失计算的简化,给水排水管网中的局部水头损失一般占总水头损失的比例较小，通常可以忽略不计。,在一些特殊情况下，局部水头损失必须进行计算。为了简化计算，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，与沿程水头损失合并计算。,【例3.5】某管道直径D=0.6m，管壁粗糙系数n,M,=0.013，管道中有3个45弯头，2个闸阀，2个直流三通，试计算当量管长度。,【解】查表3.5，该管道上总的局部阻力系数为：,采用曼宁公式计算谢才系数：,于是，当量管长度为：,3.5,水泵与泵站水力特性,水泵水力特性公式及其参数计算,（1）额定转速泵水力特性公式,离心水泵在固定转速下运行时，流量与扬程关系接近于抛物线，可写成如下形式：,式中h,p,水泵扬程，m；q,p,水泵流量，m,3,/s；h,e,水泵静扬程，m；,s,p,水泵内阻系数；n与水头损失计算指数公式相同的指数。,参数h,e,和s,p,由曲线拟合计算，即从水泵样本中查得若干组（至少2组，且应分散于效率较高的区域）不同的（q,p,，h,p,）值，代入公式（3.48）中，得到线性方程组，根据最小二乘法原理，可以得出确定两个参数的计算公式：,式中N数据组数。,水泵水力特性公式及其参数计算（续）,（2）调速水泵水力特性公式,根据比例律，水泵在变速情况下工作时，水力特性公式可表示为：,式中r,0,水泵额定转速，r/min；,r水泵工作转速，r/min。,从上式可以看出，水泵在变速工作时，改变转速只会影响水泵的静扬程，不会改变水泵的内阻。水泵静扬程与转速比的平方成正比。,（3）考虑吸水和压水管路阻力后的水泵水力特性公式,将吸水和压水管路与水泵作为整体看待，则水泵扬程为：,式中：s,g,吸水和压水管路总摩阻系数。,吸、压水管路的阻力与