5 管段流量,管徑,水頭損失

1、第第5章章 管段流量、管徑管段流量、管徑和水頭損失和水頭損失宮建龍安徽工程大學(xué)環(huán)境工程教研室Water Pollution Control Engineering2012-1-142 在給水工程總投資中，輸水管渠和管網(wǎng)所占費用(包括管道、閥門、附屬設(shè)施等) 約占70% 80%。 新建和擴建的城市管網(wǎng)按最高時用水量計算。 對多種方案進行管網(wǎng)計算，可得到最佳給水管網(wǎng)方案。5.1 管網(wǎng)計算的課題管網(wǎng)計算的課題4 計算步驟1. 求沿線流量和節(jié)點流量； 2. 求管段計算流量； 3. 確定各管段的管徑和水頭損失；4. 進行管網(wǎng)水力計算或技術(shù)經(jīng)濟計算； 5. 確定水塔高度和水泵揚程。Water Pollut

2、ion Control Engineering2012-1-143 給水管線遍布在街道下，管線多、管徑差別大，將全部管線一律加以計算，實際上沒有必要，也不可能。 新設(shè)計管網(wǎng)的定線和計算僅限于干管而不是全部管線。 改建和擴建管網(wǎng)的計算可對實際管網(wǎng)適當(dāng)簡化，保留主要的干管，略去一些次要的、水力條件影響較小的管線。5.2 管網(wǎng)圖形及簡化管網(wǎng)圖形及簡化4 管網(wǎng)圖形簡化管網(wǎng)圖形簡化就是在保證計算結(jié)果接近實際情況，對管線進行簡化，以減輕計算工作量。Water Pollution Control Engineering2012-1-144 管網(wǎng)分解：兩管網(wǎng)由一條或兩條管線連接，可把連接線斷開，分解成兩個管網(wǎng)

3、。 管線合并：管徑較小、相互平行且靠近的管線。 管線省略：水力條件影響較小、管徑相對較小的管線。4 管網(wǎng)簡化方法5.2 管網(wǎng)圖形及簡化管網(wǎng)圖形及簡化Water Pollution Control Engineering2012-1-1455.2 管網(wǎng)圖形及簡化管網(wǎng)圖形及簡化. 管線簡化示意60040030030010010025025025025025025030030030030030020020020020020020020020020020025030030040040030025025025020020020020015010010010010010010010010010010010

4、0100150150150150150150150150150150150150150150150150150150150150200200200200200250100100100100100150150150150150150150100100150150100100100100150分解分解分解分解合并合并合并省略省略合并節(jié)點合并省略合并Water Pollution Control Engineering2012-1-146從沿線流量折算得出的,并且假設(shè)是在節(jié)點集中流出的流量。5.3 沿線流量和節(jié)點流量沿線流量和節(jié)點流量4 管網(wǎng)計算術(shù)語節(jié)點有集中流量進出、管道合并或分叉以及邊界條件發(fā)生

5、變化的地點,包括水源節(jié)點(泵站、水塔)、管線交接點、兩管段交點。 管段兩個相鄰節(jié)點之間的管道順序相連的若干管段管線環(huán)起點與終點重合的管線基環(huán)不包含其它環(huán)的環(huán)大環(huán)包含兩個或兩個以上基環(huán)的環(huán)沿線流量節(jié)點流量指供給該管段兩側(cè)用戶所需流量Water Pollution Control Engineering2012-1-147 工業(yè)企業(yè)的給水管網(wǎng)，大量用水集中在少數(shù)車間，配水情況簡單。 城市給水管線的干管和分配管上接出許多用戶，沿管線配水，有數(shù)量少但用水量大的工廠、機關(guān)、旅館等單位用水，也有數(shù)量多但水量少的居民用水，情況復(fù)雜。 沿線有數(shù)量較多的用戶用水q1，q2，等，也有分配管的流量Q1，Q2，等。5

6、.3 沿線流量和節(jié)點流量沿線流量和節(jié)點流量4 沿線流量. 沿線流量分布情況Q2 q1 q2 q3 q4 q5 Q3 Q4 q6 q7 干管Q1 分配管Water Pollution Control Engineering2012-1-148 因用戶用水量經(jīng)常變化，按照實際用水情況來計算管網(wǎng)，沒有必要也少有可能，因此，計算時往往加以簡化。5.3 沿線流量和節(jié)點流量沿線流量和節(jié)點流量比流量(qs)是假定用水量均勻分布在全部干管上，由此算出干管線單位長度的流量。. 比流量sQqqlqs: 比流量;Q : 管網(wǎng)總用水量;q : 大用戶集中用水量總和;l : 干管總長度;ql: 沿線流量;l : 管段長

7、度。. 沿線流量lssqq lq lQqWater Pollution Control Engineering2012-1-149slsQqqAqq A 干管的總長度一定時，比流量隨用水量增減而變化，和的比流量不同，所以在管網(wǎng)計算時須分別計算。 城市內(nèi)人口密度或房屋衛(wèi)生設(shè)備條件不同的地區(qū)，也應(yīng)該根據(jù)各區(qū)的用水量和干管線長度，分別計算其比流量，以得出比較接近實際用水的結(jié)果。 若沿線供水人數(shù)和用水量的差別較大時，采用該管段的供水面積代替管段總長度計算比流量，結(jié)果比較準(zhǔn)確，但計算較復(fù)雜。 供水面積可用等分角線的方法劃分街區(qū)。5.3 沿線流量和節(jié)點流量沿線流量和節(jié)點流量1 說明Water Pollut

8、ion Control Engineering2012-1-1410qlqt本管段沿程配水產(chǎn)生的流量,順?biāo)鞣较蛑饾u減小通過該管段輸送到下游管段的流量,沿整個管段不變tlqq tqlqqsl4 節(jié)點流量5.3 沿線流量和節(jié)點流量沿線流量和節(jié)點流量. 管段流量tlqq tqlqlq1按沿線流量計算時,管段的流量是變化的,難以確定管徑和水頭損失。將沿線流量轉(zhuǎn)化為的流量,即沿管線沒有流量流出,管段的流量不再沿管線變化，由此可計算管徑和水頭損失。 Water Pollution Control Engineering2012-1-1411將沿線流量按適當(dāng)比例分配到兩個節(jié)點上，轉(zhuǎn)換成從兩個節(jié)點流出的流量

9、，就成為節(jié)點流量。. 節(jié)點流量. 沿線流量轉(zhuǎn)換成節(jié)點流量的原則管段的水頭損失相同求出一個沿線不變的折算流量q，使它產(chǎn)生的水頭損失等于實際上沿管線變化的流量。5.3 沿線流量和節(jié)點流量沿線流量和節(jié)點流量Water Pollution Control Engineering2012-1-1412,txtllxltllxqqqqlqlxqqlqqq令則 在1，2兩節(jié)點之間，管長為l的管段中的沿線流量順?biāo)鞣椒ㄖ鸺墱p少，節(jié)點1處的流量為qt+ql，節(jié)點2處的流量為qt，管段12中任一斷面的流量為qx(圖中紅線)。 用節(jié)點流量表示時節(jié)點1，2兩節(jié)點處出流，1和2之間的管段流量不變?yōu)閝 (圖中綠線)。假定

10、節(jié)點2的流量為ql，則節(jié)點1的流量為(1-)ql ，從圖可以看出 q=qt+ql 。:折算系數(shù)，是把沿線變化的流量折算成在管段兩端節(jié)點流出的流量，即節(jié)點流量系數(shù)。qt+ql 1xdxlqt(1-)ql qqlq12qtqlqx5.3 沿線流量和節(jié)點流量沿線流量和節(jié)點流量Water Pollution Control Engineering2012-1-14135.3 沿線流量和節(jié)點流量沿線流量和節(jié)點流量22213132222202222,13txtlllxlLltllqLxLxqqqqLLqLxdha dx qa dx qLhdha L qha L qa Lqqa L q令則. 求解折算系數(shù)(

11、)00.577;10.528;50.508;100.504;500.501;0.5 qt+ql 1xdxLqt(1-)q1 qq1q12qtqlqxWater Pollution Control Engineering2012-1-14145.3 沿線流量和節(jié)點流量沿線流量和節(jié)點流量 折算系數(shù)只與=qt/ql有關(guān)：2 在管網(wǎng)末端的管段，轉(zhuǎn)輸流量qt=0，=0.577；2 轉(zhuǎn)輸流量遠(yuǎn)大于沿線流量的管段， =0.5 為方便管網(wǎng)計算，通常為統(tǒng)一采用=0.5。 任一節(jié)點i的節(jié)點流量等于與該節(jié)點相連各管段的沿線流量qi總和的一半，即 。 工業(yè)企業(yè)等大用戶的流量或用水量大的車間流量可直接作為節(jié)點流量。 管

12、網(wǎng)圖上的流量主要表示為由沿線流量折算的節(jié)點流量和大用戶的集中流量。0.5illqqq P34例題1 說明Water Pollution Control Engineering2012-1-1415泵站563856462735452861427333412177262347154 單水源的樹狀網(wǎng)的流量分配 樹狀管網(wǎng)的管段流量具有唯一性,任一管段的流量等于該段以后所有節(jié)點流量的總和。5.4 管段計算流量管段計算流量Water Pollution Control Engineering2012-1-14165.4 管段計算流量管段計算流量4 環(huán)狀網(wǎng)的流量分配 任一節(jié)點的流量包括節(jié)點流量、流向和流離該

13、節(jié)點管段流量。 分配流量應(yīng)保持每一節(jié)點的水流連續(xù)性，滿足節(jié)點流量平衡，即流向任一節(jié)點的流量等于流離該節(jié)點的流量， 。 在流量分配時，使環(huán)狀網(wǎng)中某些管段的流量為零，即將環(huán)狀網(wǎng)改成樹狀網(wǎng)，才能得到最經(jīng)濟的流量分配，但是樹狀網(wǎng)并不能保證可靠供水。 環(huán)狀網(wǎng)流量分配時，應(yīng)同時照顧經(jīng)濟性和可靠性，即在滿足可靠性的要求下，力求管網(wǎng)最為經(jīng)濟。2 經(jīng)濟性是指流量分配后得到的管徑，應(yīng)使一定年限內(nèi)的管網(wǎng)建造費用和管理費用為最小。2 可靠性是指能向用戶不間斷地供水，并且保證應(yīng)有的水量、水壓和水質(zhì)。0iijqqWater Pollution Control Engineering2012-1-1417按照管網(wǎng)的主要供水

14、方向，初步擬定各管段的水流方向，并選定整個管網(wǎng)的控制點。4控制點是管網(wǎng)正常工作時和事故時必須保證所需水壓的點，一般選在給水區(qū)內(nèi)離二級泵站最遠(yuǎn)或地形較高之處）。從二級泵站到控制點之間選定幾條主要的平行干管線。4這些平行干管中盡可能均勻地分配流量，并且符合水流連續(xù)性(滿足節(jié)點流量平衡)的條件。這樣，當(dāng)其中一條干管損壞、流量由其它干管轉(zhuǎn)輸時，不會使這些干管中的流量增加過多。 和干管線垂直的連接管可分配較少的流量。4連接管的作用主要是溝通平行干管之間的流量，有時起一些輸水作用、有時只是就近供水到用戶，平時流量一般不大、只有在干管損壞時才轉(zhuǎn)輸較大的流量。. 環(huán)狀網(wǎng)流量分配步驟5.4 管段計算流量管段計算

15、流量Water Pollution Control Engineering2012-1-1418例例5.4 管段計算流量管段計算流量1510131218161714197612527148581912335913460249511135730102498Water Pollution Control Engineering2012-1-14195.5 管徑計算管徑計算4 管徑計算管段的直徑應(yīng)按分配后的流量確定4qDv 從技術(shù)上考慮，水流的最大速度應(yīng)不超過2.53.0 m/s (防止水錘)，最小速度不得小于0.6 m/s (防止沉積)。 從經(jīng)濟上考慮，較大的水流速度可減小管道直徑，降低工程造價；

16、但由于水流速度大而會導(dǎo)致水頭損失增加，從而加大運行的動力費用。 合理的流速應(yīng)該使得在一定年限（投資償還期）內(nèi)管網(wǎng)造價與運行費用之和最小。. 水流速度的選擇4 經(jīng)濟管徑的確定Water Pollution Control Engineering2012-1-1420DeM1Cpt1001WDW0. 管網(wǎng)費用分析5.5 管徑計算管徑計算121()()100tWCtMMpCtMC Wt：總費用；C：管網(wǎng)造價；M1：年度運行電費；M2：年折舊費用；p：管網(wǎng)折舊和大修費；t：投資償還年限。1 投資償還期內(nèi)的年度總費用W1 投資償還年限內(nèi)的總費用Wt11100tWpWCMtt1 年折舊費與管徑的關(guān)系Wat

17、er Pollution Control Engineering2012-1-1421管徑管徑 （mm）平均經(jīng)濟流速平均經(jīng)濟流速 （m/s）D=1004000.60.9D4000.91.4VeCpt1001M1WVW01 年折舊費與流速的關(guān)系. 平均經(jīng)濟流速5.5 管徑計算管徑計算Water Pollution Control Engineering2012-1-1422vC Ri. 均勻流基本公式4 流量和水頭損失的關(guān)系 2222225,248ijijijijhHHlil vqqhvDgSDhlqalqsqgD由上式得：由得：. 管段的沿程水頭損失222222228222vgvgvviC R

18、C RgC DgDgC: 謝才系數(shù), m1/2s;i: 水力坡度;R: 水力半徑,m; : 阻力系數(shù)，28gC25225864agDC Da: 比阻，q: 流量;l: 管段長度；s: 水管摩阻，s=al。5.6 水頭損失計算水頭損失計算Water Pollution Control Engineering2012-1-14235.6 水頭損失計算水頭損失計算. 水頭損失一般公式nnnmqhlalqsqD當(dāng)n=2時, h=alq2=sq2。給水管的水流流態(tài)分為三種情況：2 阻力平方區(qū)(n=2)，此時比阻a值僅和管徑及水管內(nèi)壁粗糙度有關(guān)，而和Re數(shù)無關(guān)，例如舊鑄鐵管和舊鋼管在流速v1.2 m/s時

19、或金屬管內(nèi)壁無特殊防腐措施時，就屬于這種情況；2 過渡區(qū)(n=1.752) ，此時，比阻a值和管徑、水管內(nèi)壁粗糙度以及Re數(shù)有關(guān)，例如舊鑄鐵管和舊鋼管在流速。v1.2 m/s時以及石棉水泥管在各種流速時的情況；2 水力光滑區(qū)(n=1.75) ，此時比阻a值和管徑及Re數(shù)有關(guān)，但和水管內(nèi)壁粗糙度無關(guān)，例如應(yīng)用塑料管和玻璃管時。Water Pollution Control Engineering2012-1-1424. 舍維列夫公式適用于舊鑄鐵管和舊鋼管21.30.00107viD當(dāng)v1.2 m/s時,當(dāng)v1.2 m/s時，21.30.30.867(0.0009121)viDv24qvD將 代入

20、上式得：25.30.001736qDi 比較 hij=li=alq2 得：a=i/q25.30.001736aD21.325.30.0.00148000912qKvKiDD令 得：0.30.867(1)Kv由不同管徑和流速可算得a,K值,列表于表5-2,表5-3中。實際計算時,只需將q,D以及表中的a,K值代入公式計算,即可求出h。5.6 水頭損失計算水頭損失計算4 水頭損失的實際計算Water Pollution Control Engineering2012-1-1425. 巴甫洛夫斯基公式適用于混凝土管、鋼筋混凝土管和渠道1yCRn2.50.130.75(0.10)ynnR 對于混凝土管

21、和鋼筋混凝土給水管，當(dāng)n0.02時，y值可采用1/6。 當(dāng)n取不同的值時，將 代入 得： 222564iqC D1/61CRn5.3325.330.00170.001743,0.01343aDqinD5.3325.330.00200.002021,0.01421aDqinD由不同管徑和粗糙度可算得a,值,列表于表5-4。實際計算時,只需將q,D以及表中的a值代入公式計算,即可求出h。5.6 水頭損失計算水頭損失計算Water Pollution Control Engineering2012-1-1426. 海曾-威廉公式水管種類海曾-威廉系數(shù)C塑料管150新鑄鐵管、涂瀝青或水泥的鑄鐵管130

22、混凝土管、焊接鋼管120舊鑄鐵管和舊鋼管1001.8521.8524.8710.67QlhCD西方國家應(yīng)用較多5.6 水頭損失計算水頭損失計算Water Pollution Control Engineering2012-1-1427. 柯爾勃洛克公式水管種類粗糙系數(shù)k（mm）水管種類粗糙系數(shù)k（mm）涂瀝青鑄鐵管0.050.125石棉水泥管0.030.04涂水泥鑄鐵管0.50離心法鋼筋混凝土管0.040.25涂瀝青鋼管0.05塑料管0.010.03鍍鋅鋼管0.125適用范圍廣,接近實際,運算復(fù)雜,宜用計算機求解12.512lg()3.71RekD 應(yīng)用上述各種水頭損失計算公式時，由于公式本身

23、的某些缺陷和系數(shù)值(如n、C ,k 值)在選用上的偏差，各式的計算結(jié)果有時相差較大。 究應(yīng)采用哪種公式，系數(shù)如何選擇，應(yīng)參照實際的科學(xué)測定和有關(guān)規(guī)定。5.6 水頭損失計算水頭損失計算Water Pollution Control Engineering2012-1-14285.7 管網(wǎng)計算基礎(chǔ)方程管網(wǎng)計算基礎(chǔ)方程4 管網(wǎng)計算目的求出各水源節(jié)點（如泵站、水塔等 ）的供水量、各管段中的流量和管徑以及全部節(jié)點的水壓。環(huán)狀管網(wǎng)：=+-1樹狀管網(wǎng)：=-14 管網(wǎng)計算基礎(chǔ)方程Q1Q2Q3Q4Q5Q64563211 2q2 3q1 4q2 5q3 6q4 5q5 6q:管段數(shù);:節(jié)點數(shù);:基環(huán)數(shù)。水水泵泵水

24、塔水塔012348567Water Pollution Control Engineering2012-1-14294 管網(wǎng)水力計算4 管網(wǎng)計算的原理5.7 管網(wǎng)計算基礎(chǔ)方程管網(wǎng)計算基礎(chǔ)方程Water Pollution Control Engineering2012-1-1430qi為節(jié)點流量，qij為管段流量，離開節(jié)點流量為正，流向節(jié)點流量為負(fù)。12J 1000iijiijiijqqqqqq4 連續(xù)性方程4 能量方程J-1個節(jié)點的流量L個基環(huán)的水頭損失IIIL000ijijijhhhhij為管段水頭損失，sij為管段摩阻，順時針方向為正，逆時針方向為負(fù)。nh sq IIIL000ijijijijijijnnns qs qs q5.7 管網(wǎng)計算基礎(chǔ)方程管網(wǎng)計算基礎(chǔ)方程Water Pollution Control Engineering2012-1-14314 壓降方程管段流量與水頭損失之間的關(guān)系1/1/1/1(/)nijnijijiji