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1、第三章第三章 给水排水管网水力学基础给水排水管网水力学基础3.1 3.1 给水排水管网水力学基础给水排水管网水力学基础流态特征流态特征水的三种流态： 层流 Re4000 过渡流 20004000给水排水管网水流一般处在紊流流态紊流流态分为三个阻力特征区： 阻力平方区 水头损失与流速平方成正比 过渡区 水头损失和流速1.752次方成正比 水力光滑管区 水头损失和流速1.75次方成正比给水排水管网水流一般处在阻力平方区和过渡区22,vhKvh ,75. 1Kvh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。层流：液体质点作
2、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。紊流：液体质点在沿管轴方向运动过程中互相混掺。恒定流与非恒定流恒定流与非恒定流 给水排水管网中，水流水力因素随时间变化，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。按运动要素是否随时间变化表征液体运动的物理量，如流速、加速度、动水压强等恒定流非恒定流水库水库t0时刻t1时刻 均匀流与非均匀流均匀流与非均匀流 非均匀流：水流参数随空间变化。 满管流动 1）如果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
3、水头损失公式计算。 非满管流或渠流，只要长距离截面不变，可以近似为均匀流。均匀流均匀流非均匀流均匀流非均匀流均匀流非均匀流非均匀流渐变流急变流急变流急变流压力流与重力流压力流与重力流 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。 水流的水头与水头损失水流的水头与水头损失 水头：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(m
4、H2O)。 位置水头Z 压力水头P/r 测压管水头 流速水头v2/2g水头损失水头损失 流体克服流动阻力所消耗的机械能称为水头损失。 当流体受固定边界限制做均匀流动时，流动阻力中只有沿程不变的切应力，称为沿程阻力。由沿程阻力引起的水头损失成为沿程水头损失。 当流体的固定边界发生突然变化，引起流速分布或方向发生变化，从而集中发生在较短范围的阻力称为局部阻力。由局部阻力引起的水头损失成为局部水头损失。3.2 管渠水头损失计算管渠水头损失计算谢才公式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。lRCvhf223.2.1
5、沿程水头损失计算沿程水头损失计算沿程水头损失计算沿程水头损失计算对于圆管满流，达西公式：D管段直径，m；g 重力加速度，m/s 2；沿程阻力系数， =8g/C2gvDlhf22沿程阻力系数的变化规律沿程阻力系数的变化规律22fL Vhdg尼古拉兹实验尼古拉兹实验或242fL VhRgLg（100）lgRe015r015r015r015r015r015r层流时,64Re水力光滑壁面, 称为紊流光滑区(Re)f水力粗糙壁面,称为紊流粗糙区0()rf过渡粗糙壁面,称为率流过渡粗糙区0(Re,)rf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（1）舍维列夫公式 适用于旧铸铁管和旧钢管满管紊
6、流，水温10度，常用于给水管道水力计算。smvvDsmvDg/2 . 1)867. 01 (001824. 0/2 . 100214. 03 . 03 . 03 . 0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（2）海曾-威廉公式 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。 q流量，m3/s； Cw海曾-威廉粗糙系数。148. 0852. 113. 016.13qCgDw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（3）柯尔勃洛克-怀特公式 适用于各种紊流，是适用性和计算精度最高的公式之一。 e 管壁当量粗糙度，m。)Re462. 47D. 3e(2
7、lg1)Re462. 48 .14lg(71.17875. 0875. 0或ReC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（4）巴甫洛夫斯基公式 适用于明渠流和非满流排水管道计算。系数巴甫洛夫斯基公式粗糙式中BBBn) 1 . 0n(R75. 013. 0n5 . 2yBynRC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（5）曼宁公式 巴甫洛夫斯基公式中y=1/6时的特例，适用于明渠或较粗糙的管道计算。 nM曼宁公式粗糙系数。MnRC6排水管渠粗糙系数表管渠类别粗糙系数 n管渠类别粗糙系数 n石棉水泥管、钢管0.012浆砌砖渠道0.015木槽0.0120.014浆
8、砌块石渠道0.017陶土管、铸铁管0.013干砌块石渠道0.0200.025混凝土管、钢筋混凝土管水泥砂浆抹面渠道0.0130.014土明渠包括（带草皮）0.0250.030沿程水头损失计算公式的比较与选用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，1.0e 5.0mm; 曼宁公式适用于较粗糙的管道, 0.5e 4.0mm; 海曾-威廉公式适用于较光滑的管道,e 0.25mm; 舍维列夫公式适用于1.0e 1.5mm.局部水头损失计算局部水头损失计算局部阻力系数。；局部水头损失，m22mmhgvh局部阻力设施局部阻力设施全开闸阀0
9、.1990。弯头0.950%开启闸阀2.0645。弯头0.4截止阀35.5三通转弯1.5全开蝶阀0.24三流直流0.1水头损失公式的指数形式水头损失公式的指数形式 沿程水头损失计算公式的指数形式：沿程水头损失计算公式的指数形式： mfnffmnfDklssmnkqshlDkqhf,摩阻系数指数公式参数或参数海曾威廉公式曼宁公式舍维列夫公式K10.67/Cw1.85210.29nM20.001798n1.8522.01.911m4.875.3335.123局部阻力系数mnmsqshm局部水头损失公式的指数形式：局部水头损失公式的指数形式：ngnfmfmgqsqsshhh)(沿程水头损失与局部水头
10、损失之和：沿程水头损失与局部水头损失之和：式中 Sg管道阻力系数；fmgsss3.3 3.3 非满流管渠水力计算非满流管渠水力计算排水管网和长距离输水工程常采用非满管流。非满管流水力计算的目的：确定管段流量、流速、断面尺寸、充满度和坡度之间的关系。3.3.1 3.3.1 非满流管渠水力计算公式非满流管渠水力计算公式 充满度充满度h/Dh/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，h/D） 水力半径R=R(D,h/D) 采用谢才公式计算水头损失，将曼宁公式代人并转换： 由流量和流速关系得：21321IRnvmhD21321IARnqm2132)/,(1IDhDRnvm2
11、132)/,()/,D(1IDhDRDhAnqm5个水力参数q、D、h、I、v, 已知其中3个才能求出另一个，水力计算很复杂。非满流管渠水力计算基本公式污水管道按不满流设计的原因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，避免污水移出，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）管道部分满流时，管道内
12、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。 非满流水力计算简化方法非满流水力计算简化方法 （1）水力计算图表 （2）借助满流水力计算公式并通过一定的比例变换进行计算充满度流量坡度流速（1 1）水力计算图表）水力计算图表精度低，通用性差。水力计算图适用于混凝土及钢筋混凝土管道，其粗糙系数 n0.014。每张图适用于一个指定的管径。图上的纵座标表示坡度 I，即是设计管道的管底坡度，横座标表示流量 Q，图中的曲线分别表示流量、坡度、流速和充满度间的关系。当选定管材与管径后，在流量 Q、坡度 I、流速 v、充满度 h/D 四个因素中，只要已知其中任意两个，就可由图查出另外两个。 排水管
13、渠粗糙系数表管渠类别粗糙系数 n管渠类别粗糙系数 n石棉水泥管、钢管0.012浆砌砖渠道0.015木槽0.0120.014浆砌块石渠道0.017陶土管、铸铁管0.013干砌块石渠道0.0200.025混凝土管、钢筋混凝土管水泥砂浆抹面渠道0.0130.014土明渠包括（带草皮）0.0250.030(2)(2)比例变换法比例变换法 假设有一条满流管渠与待计算的非满流管渠具有相同的管径D和水力坡度I，其过水断面面积为A0，水力半径为R0，通过流量为qo，流速为vo，可以证明： A/ A0 、R/ R0 、q/ qo 、v/ vo只和充满度有关。2/ 13/22/ 13/221 1 4 41IRnv
14、IRAnqDRDAoMoooMooo)()()()()1()21(2)21(cos1)()21(cos)1()21(214323322111DhfRRvvDhfRRAAqqDhfDhDhDhDhAADhfDhDhDhDhRRooooooo非满流管渠水力计算方法非满流管渠水力计算方法一、已知流量一、已知流量 q、管径、管径 D 和水力坡度和水力坡度 I ，求充满度，求充满度 h/D 和流速和流速1、先由下式计算 q/q0，反查表 3.7 得充满度h/D;5 . 0667. 22138350020213200208. 344410IDqnIDqnqqDRDAIRAnqqqMMM2、根据充满度h/D
15、，查表3.7得A/A0，然后用下式计算流速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 已知某污水管道设计流量为q=100L/s，根据地形条件可以采用水力坡度为I=7%，初拟采用管径D=400mm的钢筋混凝土管，粗糙系数nM=0.014，求其充满度h/D和流速v。解 用粗糙度系数、管径和水力坡度带入式3.32计算：反查表3.7的充满度
16、h/D=56.9%，相应A/AO=0.587，由式3.33计算： 非满流管渠水力计算方法非满流管渠水力计算方法二、已知流量二、已知流量q、管径、管径D和流速和流速v，求充满度，求充满度h/D和水力坡度和水力坡度I求解步骤：1、先由下式计算A/A0，反查表3.7得充满度h/D2、根据充满度h/D，查表3.7得R/R0，然后用下式计算水力坡度I333. 10340234)/()(350. 6)/(4RRDvnRRDvnIMM 220273. 14vDqvDqAA 非满流管渠水力计算方法非满流管渠水力计算方法三、已知流量三、已知流量q、管径、管径D和充满度和充满度h/D，求水力坡，求水力坡度度I和流
17、速和流速v求解步骤：1、先根据充满度h/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 非满流管渠水力计算方法非满流管渠水力计算方法四、已知流量四、已知流量q、水力坡度、水力坡度I和充满度和充满度h/D，求，求管径管径D和流速和流速v1、根据充满度h/D查表3.7得q/q0，然后用下式计算管径D2、根据充满度h/D查表3.7求出A/A0，然后用下式计算流速v375. 001875. 0163830
18、8385/584. 11/4 qqqnIIqqqnDMM )/(273. 1)/(40202AADqAADqv 非满流管渠水力计算方法非满流管渠水力计算方法五、已知管径五、已知管径D D、充满度、充满度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、根据充满度h/D查表3.7求出q/q0，然后用下式计算流量q2、根据充满度h/D查表3.7求出A/A0，然后用下式计算流速vMMnqqIDnqqIDq)/(3117. 0)/(405 . 0667. 20213835 )/(273. 1)/(40202AADqAADqv 非满流管渠水力计算方法非满流管渠水力计算方法
19、六、已知管径六、已知管径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和充满度和充满度h/Dh/D1、根据下式计算R/R0，由表3.7反查得h/D2、根据充满度h/D查表3.7求出A/A0，然后用下式计算流量q例题见教材p5775. 05 . 143230)(4)(4DIvnDIvnRRMM )/(7854. 0)/(40202AAvDAAvDq 3.4 3.4 管道的水力等效简化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，等效为集中出流或如流； 泵站多台水泵并联工作可以等效为单台
20、水泵。l1 l2 lNd1 d2 dNmNimiiNimiinmndllddlkqdlkq111经变换有：1 1、串联管道的简化、串联管道的简化l 根据水力等效的原则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。2 2、并联管道的简化、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=q1+q2+qN。 根据水力等效的原则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。mnNinmimNnNmnmnmndddlkqdlkqdlkqdlkq12211经变换：d1 q1d2 q2dN qNq当管径相等时：当管径相等时：i
21、mndNd 任一管段的流量：沿线流量，转输流量。tlqq tqlqqsl3 3、沿线均匀出流简化、沿线均匀出流简化 沿线流量和节点流量比流量：为简化计算而将除去大用户集中流量以外的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。lqQqs城镇中用水量标准不同的区域应分别计算比流量。公园公园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线流量：干管有效长度与比流量的乘积。lqqsl按管道长度计算的比流量不能反映供水人数和用水量的差别，可采用按面积计算比流量的方法。FqQqs 管网中除最末端的管段外，其他任一管段的流量都由两部分组成，一部分是本管段沿
22、程配水产生的流量，即沿线流量，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。tlqq tqlqqsl 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。tlqq tqlqlq1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：ltxqlxlqqlqdnqqqkdxdqlxlqkhlmntnltlmnltf) 1()()(110tlqq tqxdxL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aql，则通过管道流
23、量为：水头损失为：tlqq tqlqlq1ldaqqkhmnltf)(4 4、局部水头损失计算的简化、局部水头损失计算的简化 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。2dd222d2C8gDDllRCv2gvDl2gv3.5 3.5 水泵与泵站水力特性水泵与泵站水力特性nppepqshh3.5.1 水泵水力特性公式及其参数计算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，如下式：nppepqshh121Q2Q1H2HQH0hp水泵扬程，m；qp水泵流量，m3/s；he水
24、泵净扬程，m；sp水泵内阻；n与水头损失计算指数公式相同的指数。根据水泵样本确定he和sp（最小二乘法，图解法）（1）工频泵水力特性）工频泵水力特性 （2）调速水泵水力特性）调速水泵水力特性 nppepqshh20rrr0水泵额定转速，r/min;r水泵工作转速， r/min。改变水泵转速改变水泵净扬程，不改变内阻。（3）考虑吸水和压水管路阻力后水力特性 nppenpnppepqshqqshh)s(sgg3.5.2 并联泵站水力特性公式并联泵站水力特性公式（1）同型号水泵并联 （2）不同型号水泵并联 查水泵样本，找出共同的高效扬程段； 选取2个以上不同扬程值，求出不同水泵对应的流量值，相加得出各扬程对应的总流量； 以上述扬程、流量为数据，采用最小二乘法得出水泵并联水力特性公式。npepNqhhps