第3章 給水排水管網(wǎng)水力學(xué)基礎(chǔ)

1、第三章第三章 給水排水管網(wǎng)水力學(xué)基礎(chǔ)給水排水管網(wǎng)水力學(xué)基礎(chǔ)3.1 3.1 給水排水管網(wǎng)水力學(xué)基礎(chǔ)給水排水管網(wǎng)水力學(xué)基礎(chǔ)流態(tài)特征流態(tài)特征水的三種流態(tài)： 層流 Re4000 過渡流 20004000給水排水管網(wǎng)水流一般處在紊流流態(tài)紊流流態(tài)分為三個(gè)阻力特征區(qū)： 阻力平方區(qū) 水頭損失與流速平方成正比 過渡區(qū) 水頭損失和流速1.752次方成正比 水力光滑管區(qū) 水頭損失和流速1.75次方成正比給水排水管網(wǎng)水流一般處在阻力平方區(qū)和過渡區(qū)22,vhKvh ,75. 1Kvh當(dāng)流速較小時(shí)，各流層質(zhì)點(diǎn)互不混雜，這種型態(tài)的流動(dòng)叫層流。當(dāng)流速較大時(shí)，各流層質(zhì)點(diǎn)形成渦體互相混摻，這種型態(tài)的流動(dòng)叫做紊流。層流：液體質(zhì)點(diǎn)作

2、有條不紊的線狀運(yùn)動(dòng)，水流各層或各微小流束上的質(zhì)點(diǎn)彼此互不混摻。紊流：液體質(zhì)點(diǎn)在沿管軸方向運(yùn)動(dòng)過程中互相混摻。恒定流與非恒定流恒定流與非恒定流 給水排水管網(wǎng)中，水流水力因素隨時(shí)間變化，屬于非恒定流，水力計(jì)算復(fù)雜。 在設(shè)計(jì)時(shí)一般只能按恒定流計(jì)算。按運(yùn)動(dòng)要素是否隨時(shí)間變化表征液體運(yùn)動(dòng)的物理量，如流速、加速度、動(dòng)水壓強(qiáng)等恒定流非恒定流水庫水庫t0時(shí)刻t1時(shí)刻 均勻流與非均勻流均勻流與非均勻流 非均勻流：水流參數(shù)隨空間變化。 滿管流動(dòng) 1）如果管道截面在一段距離內(nèi)不變且不發(fā)生轉(zhuǎn)彎，為均勻流，管道對(duì)水流阻力沿程不變，采用沿程水頭損失公式計(jì)算； 2）當(dāng)管道在局部分叉、轉(zhuǎn)彎與變截面時(shí)，流動(dòng)為非均勻流，采用局部

3、水頭損失公式計(jì)算。 非滿管流或渠流，只要長(zhǎng)距離截面不變，可以近似為均勻流。均勻流均勻流非均勻流均勻流非均勻流均勻流非均勻流非均勻流漸變流急變流急變流急變流壓力流與重力流壓力流與重力流 壓力流輸水通過封閉的管道進(jìn)行，水流阻力主要依靠水的壓能克服，阻力大小只與管道內(nèi)壁粗糙程度有關(guān)、管道長(zhǎng)度和流速有關(guān)，與管道埋設(shè)深度和坡度無關(guān)。 重力流管渠中水面與大氣相通，非滿流，水流阻力依靠水的位能克服，形成水面沿水流方向降低。 給水多壓力流，排水多重力流； 長(zhǎng)距離輸水重力流，排水泵站出水管、倒虹管壓力流。 水流的水頭與水頭損失水流的水頭與水頭損失 水頭：?jiǎn)挝恢亓康牧黧w所具有的機(jī)械能，用h或H表示，單位米水柱(m

4、H2O)。 位置水頭Z 壓力水頭P/r 測(cè)壓管水頭 流速水頭v2/2g水頭損失水頭損失 流體克服流動(dòng)阻力所消耗的機(jī)械能稱為水頭損失。 當(dāng)流體受固定邊界限制做均勻流動(dòng)時(shí)，流動(dòng)阻力中只有沿程不變的切應(yīng)力，稱為沿程阻力。由沿程阻力引起的水頭損失成為沿程水頭損失。 當(dāng)流體的固定邊界發(fā)生突然變化，引起流速分布或方向發(fā)生變化，從而集中發(fā)生在較短范圍的阻力稱為局部阻力。由局部阻力引起的水頭損失成為局部水頭損失。3.2 管渠水頭損失計(jì)算管渠水頭損失計(jì)算謝才公式hf沿程水頭損失，m；v過水?dāng)嗝嫫骄魉?，m/s；C謝才系數(shù)；R過水?dāng)嗝嫠Π霃?，m，圓管流R=0.25D；l管渠長(zhǎng)度，m。lRCvhf223.2.1

5、沿程水頭損失計(jì)算沿程水頭損失計(jì)算沿程水頭損失計(jì)算沿程水頭損失計(jì)算對(duì)于圓管滿流，達(dá)西公式：D管段直徑，m；g 重力加速度，m/s 2；沿程阻力系數(shù)， =8g/C2gvDlhf22沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律22fL Vhdg尼古拉茲實(shí)驗(yàn)?zāi)峁爬潓?shí)驗(yàn)或242fL VhRgLg（100）lgRe015r015r015r015r015r015r層流時(shí),64Re水力光滑壁面, 稱為紊流光滑區(qū)(Re)f水力粗糙壁面,稱為紊流粗糙區(qū)0()rf過渡粗糙壁面,稱為率流過渡粗糙區(qū)0(Re,)rf謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)的確定謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)的確定（1）舍維列夫公式 適用于舊鑄鐵管和舊鋼管滿管紊

6、流，水溫10度，常用于給水管道水力計(jì)算。smvvDsmvDg/2 . 1)867. 01 (001824. 0/2 . 100214. 03 . 03 . 03 . 0謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)的確定謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)的確定（2）海曾-威廉公式 適用于較光滑的圓管滿流管紊流計(jì)算，主要用于給水管道水力計(jì)算。 q流量，m3/s； Cw海曾-威廉粗糙系數(shù)。148. 0852. 113. 016.13qCgDw謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)的確定謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)的確定（3）柯爾勃洛克-懷特公式 適用于各種紊流，是適用性和計(jì)算精度最高的公式之一。 e 管壁當(dāng)量粗糙度，m。)Re462. 47D. 3e(2

7、lg1)Re462. 48 .14lg(71.17875. 0875. 0或ReC謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)的確定謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)的確定（4）巴甫洛夫斯基公式 適用于明渠流和非滿流排水管道計(jì)算。系數(shù)巴甫洛夫斯基公式粗糙式中BBBn) 1 . 0n(R75. 013. 0n5 . 2yBynRC謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)的確定謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)的確定（5）曼寧公式 巴甫洛夫斯基公式中y=1/6時(shí)的特例，適用于明渠或較粗糙的管道計(jì)算。 nM曼寧公式粗糙系數(shù)。MnRC6排水管渠粗糙系數(shù)表管渠類別粗糙系數(shù) n管渠類別粗糙系數(shù) n石棉水泥管、鋼管0.012漿砌磚渠道0.015木槽0.0120.014漿

8、砌塊石渠道0.017陶土管、鑄鐵管0.013干砌塊石渠道0.0200.025混凝土管、鋼筋混凝土管水泥砂漿抹面渠道0.0130.014土明渠包括（帶草皮）0.0250.030沿程水頭損失計(jì)算公式的比較與選用沿程水頭損失計(jì)算公式的比較與選用 柯爾勃洛克-懷特公式具有較高的精度; 巴甫洛夫斯基公式具有較寬的適用范圍，1.0e 5.0mm; 曼寧公式適用于較粗糙的管道, 0.5e 4.0mm; 海曾-威廉公式適用于較光滑的管道,e 0.25mm; 舍維列夫公式適用于1.0e 1.5mm.局部水頭損失計(jì)算局部水頭損失計(jì)算局部阻力系數(shù)。；局部水頭損失，m22mmhgvh局部阻力設(shè)施局部阻力設(shè)施全開閘閥0

9、.1990。彎頭0.950%開啟閘閥2.0645。彎頭0.4截止閥35.5三通轉(zhuǎn)彎1.5全開蝶閥0.24三流直流0.1水頭損失公式的指數(shù)形式水頭損失公式的指數(shù)形式 沿程水頭損失計(jì)算公式的指數(shù)形式：沿程水頭損失計(jì)算公式的指數(shù)形式： mfnffmnfDklssmnkqshlDkqhf,摩阻系數(shù)指數(shù)公式參數(shù)或參數(shù)海曾威廉公式曼寧公式舍維列夫公式K10.67/Cw1.85210.29nM20.001798n1.8522.01.911m4.875.3335.123局部阻力系數(shù)mnmsqshm局部水頭損失公式的指數(shù)形式：局部水頭損失公式的指數(shù)形式：ngnfmfmgqsqsshhh)(沿程水頭損失與局部水頭

10、損失之和：沿程水頭損失與局部水頭損失之和：式中 Sg管道阻力系數(shù)；fmgsss3.3 3.3 非滿流管渠水力計(jì)算非滿流管渠水力計(jì)算排水管網(wǎng)和長(zhǎng)距離輸水工程常采用非滿管流。非滿管流水力計(jì)算的目的：確定管段流量、流速、斷面尺寸、充滿度和坡度之間的關(guān)系。3.3.1 3.3.1 非滿流管渠水力計(jì)算公式非滿流管渠水力計(jì)算公式 充滿度充滿度h/Dh/D指設(shè)計(jì)流量下，管道內(nèi)的有效水深與管徑的比值。 過水?dāng)嗝鍭=A（D，h/D） 水力半徑R=R(D,h/D) 采用謝才公式計(jì)算水頭損失，將曼寧公式代人并轉(zhuǎn)換： 由流量和流速關(guān)系得：21321IRnvmhD21321IARnqm2132)/,(1IDhDRnvm2

11、132)/,()/,D(1IDhDRDhAnqm5個(gè)水力參數(shù)q、D、h、I、v, 已知其中3個(gè)才能求出另一個(gè)，水力計(jì)算很復(fù)雜。非滿流管渠水力計(jì)算基本公式污水管道按不滿流設(shè)計(jì)的原因污水管道按不滿流設(shè)計(jì)的原因（1）流量時(shí)刻變化，很難確定計(jì)算，而且雨水、地下水可能通過檢查井蓋或管道接口滲入污水管道。因此，要保留一部分管道斷面，為未預(yù)見的水量留有余地，避免污水移出，妨礙環(huán)境衛(wèi)生，同時(shí)使?jié)B入的地下水順利流瀉。（2）污水管道內(nèi)沉積的污泥可能分解出一些有害氣體。此外，污水中如含有汽油、苯、石油等易燃液體時(shí)，可能形成爆炸性氣體。故需要留出適當(dāng)?shù)目臻g，以利于管道的通風(fēng)，排除有害氣體。（3）管道部分滿流時(shí)，管道內(nèi)

12、水流速度在一定條件下比滿流大一些。流速大，有利于沖刷淤泥。 非滿流水力計(jì)算簡(jiǎn)化方法非滿流水力計(jì)算簡(jiǎn)化方法 （1）水力計(jì)算圖表 （2）借助滿流水力計(jì)算公式并通過一定的比例變換進(jìn)行計(jì)算充滿度流量坡度流速（1 1）水力計(jì)算圖表）水力計(jì)算圖表精度低，通用性差。水力計(jì)算圖適用于混凝土及鋼筋混凝土管道，其粗糙系數(shù) n0.014。每張圖適用于一個(gè)指定的管徑。圖上的縱座標(biāo)表示坡度 I，即是設(shè)計(jì)管道的管底坡度，橫座標(biāo)表示流量 Q，圖中的曲線分別表示流量、坡度、流速和充滿度間的關(guān)系。當(dāng)選定管材與管徑后，在流量 Q、坡度 I、流速 v、充滿度 h/D 四個(gè)因素中，只要已知其中任意兩個(gè)，就可由圖查出另外兩個(gè)。 排水管

13、渠粗糙系數(shù)表管渠類別粗糙系數(shù) n管渠類別粗糙系數(shù) n石棉水泥管、鋼管0.012漿砌磚渠道0.015木槽0.0120.014漿砌塊石渠道0.017陶土管、鑄鐵管0.013干砌塊石渠道0.0200.025混凝土管、鋼筋混凝土管水泥砂漿抹面渠道0.0130.014土明渠包括（帶草皮）0.0250.030(2)(2)比例變換法比例變換法 假設(shè)有一條滿流管渠與待計(jì)算的非滿流管渠具有相同的管徑D和水力坡度I，其過水?dāng)嗝婷娣e為A0，水力半徑為R0，通過流量為qo，流速為vo，可以證明： A/ A0 、R/ R0 、q/ qo 、v/ vo只和充滿度有關(guān)。2/ 13/22/ 13/221 1 4 41IRnv

14、IRAnqDRDAoMoooMooo)()()()()1()21(2)21(cos1)()21(cos)1()21(214323322111DhfRRvvDhfRRAAqqDhfDhDhDhDhAADhfDhDhDhDhRRooooooo非滿流管渠水力計(jì)算方法非滿流管渠水力計(jì)算方法一、已知流量一、已知流量 q、管徑、管徑 D 和水力坡度和水力坡度 I ，求充滿度，求充滿度 h/D 和流速和流速1、先由下式計(jì)算 q/q0，反查表 3.7 得充滿度h/D;5 . 0667. 22138350020213200208. 344410IDqnIDqnqqDRDAIRAnqqqMMM2、根據(jù)充滿度h/D

15、，查表3.7得A/A0，然后用下式計(jì)算流速v。)/(273. 1)/(44020220AADqAADqvDvqAA618. 0007. 04 . 01 . 0014. 0208. 3208. 35 . 0667. 25 . 0667. 20IDqnqqM36. 1587. 04 . 01 . 0273. 1)/(273. 1202AADqv例3.1 已知某污水管道設(shè)計(jì)流量為q=100L/s，根據(jù)地形條件可以采用水力坡度為I=7%，初擬采用管徑D=400mm的鋼筋混凝土管，粗糙系數(shù)nM=0.014，求其充滿度h/D和流速v。解 用粗糙度系數(shù)、管徑和水力坡度帶入式3.32計(jì)算：反查表3.7的充滿度

16、h/D=56.9%，相應(yīng)A/AO=0.587，由式3.33計(jì)算： 非滿流管渠水力計(jì)算方法非滿流管渠水力計(jì)算方法二、已知流量二、已知流量q、管徑、管徑D和流速和流速v，求充滿度，求充滿度h/D和水力坡度和水力坡度I求解步驟：1、先由下式計(jì)算A/A0，反查表3.7得充滿度h/D2、根據(jù)充滿度h/D，查表3.7得R/R0，然后用下式計(jì)算水力坡度I333. 10340234)/()(350. 6)/(4RRDvnRRDvnIMM 220273. 14vDqvDqAA 非滿流管渠水力計(jì)算方法非滿流管渠水力計(jì)算方法三、已知流量三、已知流量q、管徑、管徑D和充滿度和充滿度h/D，求水力坡，求水力坡度度I和流

17、速和流速v求解步驟：1、先根據(jù)充滿度h/D查表3.7求出q/q0，然后用下式計(jì)算水力坡度I2、根據(jù)充滿度h/D查表3.7得A/A0，然后用下式求流速v。20333. 5316202310/29.101/4 qqqnDDqqqnIMM )/(273. 1)/(40202AADqAADqv 非滿流管渠水力計(jì)算方法非滿流管渠水力計(jì)算方法四、已知流量四、已知流量q、水力坡度、水力坡度I和充滿度和充滿度h/D，求，求管徑管徑D和流速和流速v1、根據(jù)充滿度h/D查表3.7得q/q0，然后用下式計(jì)算管徑D2、根據(jù)充滿度h/D查表3.7求出A/A0，然后用下式計(jì)算流速v375. 001875. 0163830

18、8385/584. 11/4 qqqnIIqqqnDMM )/(273. 1)/(40202AADqAADqv 非滿流管渠水力計(jì)算方法非滿流管渠水力計(jì)算方法五、已知管徑五、已知管徑D D、充滿度、充滿度h/Dh/D和水力坡度和水力坡度I I，求流，求流量量q q和流速和流速v v1、根據(jù)充滿度h/D查表3.7求出q/q0，然后用下式計(jì)算流量q2、根據(jù)充滿度h/D查表3.7求出A/A0，然后用下式計(jì)算流速vMMnqqIDnqqIDq)/(3117. 0)/(405 . 0667. 20213835 )/(273. 1)/(40202AADqAADqv 非滿流管渠水力計(jì)算方法非滿流管渠水力計(jì)算方法

19、六、已知管徑六、已知管徑D D、水力坡度、水力坡度I I和流速和流速v v，求流量，求流量q q和充滿度和充滿度h/Dh/D1、根據(jù)下式計(jì)算R/R0，由表3.7反查得h/D2、根據(jù)充滿度h/D查表3.7求出A/A0，然后用下式計(jì)算流量q例題見教材p5775. 05 . 143230)(4)(4DIvnDIvnRRMM )/(7854. 0)/(40202AAvDAAvDq 3.4 3.4 管道的水力等效簡(jiǎn)化管道的水力等效簡(jiǎn)化 采用水力等效的原理，將局部管網(wǎng)簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)單的形式。 多條管道串聯(lián)或并聯(lián)，等效為單條管道； 管道沿線分散出流或入流，等效為集中出流或如流； 泵站多臺(tái)水泵并聯(lián)工作可以等效為單臺(tái)

20、水泵。l1 l2 lNd1 d2 dNmNimiiNimiinmndllddlkqdlkq111經(jīng)變換有：1 1、串聯(lián)管道的簡(jiǎn)化、串聯(lián)管道的簡(jiǎn)化l 根據(jù)水力等效的原則根據(jù)水力等效的原則：簡(jiǎn)化成一條后，在相同的總輸入流量下，應(yīng)具有相同水頭損失。2 2、并聯(lián)管道的簡(jiǎn)化、并聯(lián)管道的簡(jiǎn)化 將它們等效為一條直徑為d，長(zhǎng)度為l的管道，輸送流量q=q1+q2+qN。 根據(jù)水力等效的原則根據(jù)水力等效的原則：簡(jiǎn)化成一條后，在相同的總輸入流量下，應(yīng)具有相同水頭損失。mnNinmimNnNmnmnmndddlkqdlkqdlkqdlkq12211經(jīng)變換：d1 q1d2 q2dN qNq當(dāng)管徑相等時(shí)：當(dāng)管徑相等時(shí)：i

21、mndNd 任一管段的流量：沿線流量，轉(zhuǎn)輸流量。tlqq tqlqqsl3 3、沿線均勻出流簡(jiǎn)化、沿線均勻出流簡(jiǎn)化 沿線流量和節(jié)點(diǎn)流量比流量：為簡(jiǎn)化計(jì)算而將除去大用戶集中流量以外的用水量均勻地分配在全部有效干管長(zhǎng)度上，由此計(jì)算出的單位長(zhǎng)度干管承擔(dān)的供水量。lqQqs城鎮(zhèn)中用水量標(biāo)準(zhǔn)不同的區(qū)域應(yīng)分別計(jì)算比流量。公園公園街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊沿線流量：干管有效長(zhǎng)度與比流量的乘積。lqqsl按管道長(zhǎng)度計(jì)算的比流量不能反映供水人數(shù)和用水量的差別，可采用按面積計(jì)算比流量的方法。FqQqs 管網(wǎng)中除最末端的管段外，其他任一管段的流量都由兩部分組成，一部分是本管段沿

22、程配水產(chǎn)生的流量，即沿線流量，另一部分是通過該管段輸送到下游管段的流量，稱為轉(zhuǎn)輸流量。tlqq tqlqqsl 節(jié)點(diǎn)流量：沿線流量只有概念上的意義，在水力計(jì)算時(shí)應(yīng)將沿線流量按適當(dāng)比例分配到兩各節(jié)點(diǎn)，成為節(jié)點(diǎn)流量。沿線流量轉(zhuǎn)換成節(jié)點(diǎn)流量的原則是管段的水頭損失相同。tlqq tqlqlq1假設(shè)沿線出流均勻，則管道內(nèi)任意斷面x上的流量可以表示為：沿程水頭損失計(jì)算如下：ltxqlxlqqlqdnqqqkdxdqlxlqkhlmntnltlmnltf) 1()()(110tlqq tqxdxL為簡(jiǎn)化計(jì)算，將沿線流量ql分為兩個(gè)集中流量，分別轉(zhuǎn)移到管段的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。假設(shè)轉(zhuǎn)移到末端的流量為aql，則通過管道流量為：水頭損失為：tlqq tqlqlq1ldaqqkhmnltf)(根據(jù)水力等效原則：31/333. 5m, 2)() 1()(211aqqnldaqqklqdnqqqkhltmnltlmntnl