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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2012年9月13日3.1 3.1 给水排水管网水流特征给水排水管网水流特征流态特征流态特征 给水排水管网中，水流水力因素随时间变化，属给水排水管网中，水流水力因素随时间变化，属于非恒定流，水力计算复杂。于非恒定流，水力计算复杂。在设计时一般只能按在设计时一般只能按恒定流恒定流计算。计算。恒定流与非恒定流恒定流与非恒定流恒定流：恒定流：水体在运动过程中，其各点的流速和压力水体在运动过程中，其各点的流速和压力不随时间而变化，而与空间位置有关的流动。不随时间而变化，而与空间位置有关的流动。非恒定流：非恒定流：水体各点的流速和压力不仅与空间位
2、置水体各点的流速和压力不仅与空间位置有关，还随时间而变化的流动。有关，还随时间而变化的流动。满管流动满管流动 1 1）如管道截面在一段距离内不变且不发生转弯，为均匀流，）如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，采用管道对水流阻力沿程不变，采用沿程水头损失公式沿程水头损失公式计算；计算；2 2）当管道在局部分叉、转弯与变截面时，流动为非均匀流，）当管道在局部分叉、转弯与变截面时，流动为非均匀流，采用采用局部水头损失公式局部水头损失公式计算。计算。非满管流或明渠流非满管流或明渠流 只要长距离截面不变，可以近似为均匀流，按只要长距离截面不变，可以近似为均匀流，按沿程
3、水头损沿程水头损失公式失公式计算。计算。均匀流与非均匀流均匀流与非均匀流非均匀流：非均匀流：液体质点流速的大小和方向沿流程变液体质点流速的大小和方向沿流程变 化，水流参数随时间和空间变化。化，水流参数随时间和空间变化。均匀流：均匀流：液体质点流速的大小和方向沿流程不变。液体质点流速的大小和方向沿流程不变。压力流与重力流压力流与重力流压力流：压力流：水体沿流程整个周界与固体壁面接触，无水体沿流程整个周界与固体壁面接触，无自由液面，满管流动，又称管流。自由液面，满管流动，又称管流。压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
4、与管道内壁粗糙程度有关、管道长的压能克服，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。度和流速有关，与管道埋设深度和坡度无关。重力流：重力流：水体沿流程一部分与固体壁面接触，另一水体沿流程一部分与固体壁面接触，另一部分与空气接触，具有自由液面。非满管流动，又部分与空气接触，具有自由液面。非满管流动，又称明渠流。称明渠流。重力流重力流管渠中水面与大气相通，非满流，水流阻力依靠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。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；给水多压力流，排水多重力流；长距离输水重
5、力流，排水泵站出水管、倒虹管压力流。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测压管水头测压管水头水头分为水头分为水头损失：水头损失：流体克服流动阻力所消耗的机械能。流体克服流动阻力所消耗的机械能。水头损失分为水头损失分为沿程水头损失沿程水头损失局部水头损失局部水头损失 水头：水头：单位重量的流体所具有的机械能，单位重量的流体所具有的机械能，用用h h或或H H表示，单位米水柱表示，单位米水柱(mH(mH2 2O)O)。位置水头位置水头Z Z压力水头压力水头P/rP/r流速水头流速水头v v2 2/2g/2g3.2 3.2 管渠水头损失计算管渠水头
6、损失计算h hf f沿程水头损失，沿程水头损失，m m；v v过水断面平均流速，过水断面平均流速，m/sm/s；C C谢才系数；谢才系数；R R过水断面水力半径，过水断面水力半径，m m，圆管流，圆管流R=0.25DR=0.25D；l l管渠长度，管渠长度，m m。3.2.1 3.2.1 沿程水头损失计算沿程水头损失计算管渠管渠管渠管渠沿程水头损失用沿程水头损失用沿程水头损失用沿程水头损失用谢才公式谢才公式谢才公式谢才公式圆管满流圆管满流，沿程水头损失也可用沿程水头损失也可用达西公式达西公式：C C C C、与水流流态有关，一般采用经验公式与水流流态有关，一般采用经验公式与水流流态有关，一般采
7、用经验公式与水流流态有关，一般采用经验公式或半经验公式计算。常用公式如下或半经验公式计算。常用公式如下或半经验公式计算。常用公式如下或半经验公式计算。常用公式如下 ：D D管段直径，管段直径，m m；g g 重力加速度，重力加速度，m/sm/s2 2；沿程阻力系数，沿程阻力系数，=8g/C=8g/C2 2适用适用:旧铸铁管旧铸铁管和和旧钢管旧钢管满管紊流，水温满管紊流，水温1010度度(给水管道给水管道)代入达西公式代入达西公式（1 1）舍维列夫公式）舍维列夫公式适用适用:较光滑的圆管满流管紊流较光滑的圆管满流管紊流（给水管道）（给水管道）代入达西公式代入达西公式q流量，流量，m3/s；Cw海
8、曾海曾-威廉粗糙系数。威廉粗糙系数。（2 2）海曾）海曾-威廉公式威廉公式适用于适用于各种紊流，各种紊流，是适用性和计算精度最高的公式。是适用性和计算精度最高的公式。简简化化为为直直接接计计算算式式（3 3）柯尔勃洛克）柯尔勃洛克-怀特公式怀特公式e e 管壁当量粗糙度，管壁当量粗糙度，m m。适用于适用于明渠流明渠流和和非满流排水管道非满流排水管道计算。计算。代入谢才公式代入谢才公式（4 4）巴甫洛夫斯基公式）巴甫洛夫斯基公式 巴甫洛夫斯基公式中巴甫洛夫斯基公式中y=1/6y=1/6时的特例，适用于时的特例，适用于明渠明渠或或较粗糙较粗糙的管道计算。的管道计算。代入谢才公式代入谢才公式n n
9、M M曼宁公式粗糙系数。曼宁公式粗糙系数。（5 5）曼宁公式）曼宁公式3.2.2 3.2.2 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4 4）舍维列夫公式在舍维列夫公式在1.0e1.5mm1.0e1.5mm之间给出了令人之间给出了令人满意的结果，对旧金属管道较适用，但对管壁光滑满意的结果，对旧金属管道较适用，但对管壁光滑或特别粗糙的管道是不适用的。或特别粗糙的管道是不适用的。1 1）巴甫洛夫斯基公式适用范围广，计算精度也高，巴甫洛夫斯基公式适用范围广，计算精度也高，特别是对于较粗糙的管道，管道水流状态仍保持较准特别是对于较粗糙的管道，管道水流状态仍保持较准确的计算结果，
10、最佳适用范围为确的计算结果，最佳适用范围为1.0e5.0mm1.0e5.0mm；2 2）曼宁公式亦适用于较粗糙的管道，最佳适用范围曼宁公式亦适用于较粗糙的管道，最佳适用范围为为0.5e4.0mm0.5e4.0mm；3 3）海曾威廉公式则适用于较光滑的管道，特别海曾威廉公式则适用于较光滑的管道，特别是当是当e0.25mme0.25mm（CW130CW130）时，该公式较其它公式）时，该公式较其它公式有较高的计算精度；有较高的计算精度；3.2.3 3.2.3 局部水头损失计算局部水头损失计算局部阻力设施局部阻力设施全开闸阀0.1990。弯头0.950%开启闸阀2.0645。弯头0.4截止阀35.5
11、三通转弯1.5全开蝶阀0.24三流直流0.1局部阻力系数局部阻力系数局部阻力系数局部阻力系数 3.2.4 3.2.4 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沿程水头损失计算公式的指数形式：计算公式的指数形式：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沿程水头损失指数公式参数沿程水头损失指数公式参数局部水头损失局部水头损失公式的指数形式：公式的指数形式：沿程水头损失沿程水头损失与与局部水头损失局部水头损失之和：之和：式中式中 SgSg管道阻力系数；管道阻力系数；3.3
12、 3.3 非满流管渠水力计算非满流管渠水力计算排水管网排水管网和和长距离输水长距离输水工程常采用非满管流。工程常采用非满管流。水力计算目的：确定水力计算目的：确定水力计算目的：确定水力计算目的：确定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hD 充满度充满度h/D:h/D:设计流量下，管道内有效水深与管径之比设计流量下，管道内有效水深与管径之比 过水断面过水断面A=AA=A（D D，h/Dh/D）水力半径水力半径R=R(D,h/D)R=R(D,h/D)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 采用谢才公式计算水头损失，采用谢才公式计算水头损
13、失，将曼宁公式代人并转换：将曼宁公式代人并转换：5 5个水力参数个水力参数q q、D D、h h、I I、v,v,已知其中已知其中3 3个才能求出另一个，水个才能求出另一个，水力计算很复杂。采用力计算很复杂。采用简化法简化法。由流量和流速关系由流量和流速关系将将A，R代入上两式代入上两式A=A（D，h/D）R=R(D,h/D)方法方法：首先根据已知资料，计算出流量首先根据已知资料，计算出流量Q，根据，根据Q值可初步确定值可初步确定管径管径D；然后，根据；然后，根据Q、D值，求值，求I、h/D、v值。在这三个未知值。在这三个未知数中，还需知道一个参数，才能求得另外两个，此时可以在三数中，还需知道
14、一个参数，才能求得另外两个，此时可以在三个参数中先假设一个值，比如流速为最小流速，或是坡度为最个参数中先假设一个值，比如流速为最小流速，或是坡度为最小坡度，或是充满度满足一定要求等，之后进行查表或查图，小坡度，或是充满度满足一定要求等，之后进行查表或查图，就可得出其余两个未知数；最后要进行校核，若得出的两个参就可得出其余两个未知数；最后要进行校核，若得出的两个参数满足其规定的要求，则计算完成，若不满足要求，则需调整数满足其规定的要求，则计算完成，若不满足要求，则需调整假设值，甚至管径假设值，甚至管径D，重新进行计算。，重新进行计算。水力计算图适用于水力计算图适用于混凝土混凝土及及钢筋混凝土管道
15、钢筋混凝土管道，其粗糙系数，其粗糙系数 n n0.0140.014。每张图适用于一个指定的管径。我国。每张图适用于一个指定的管径。我国室外排水设室外排水设计规范计规范和和给水排水设计手册给水排水设计手册推荐此法。推荐此法。非满流管渠水力计算简化法一水力计算图表水力计算图表例例1 1 已知已知n=0.014,D=300mm,I=0.004,Q=30L/s,n=0.014,D=300mm,I=0.004,Q=30L/s,求求v v和和h/Dh/D精精度度低低 通通用用性性差差坡度充满度流速流量 可证明满流可证明满流A A0 0 、R R0 0、q qo o、v vo o，与与 非满流相应非满流相应
16、 A A、R R、q q、v v 的比的比 例例A/AA/A0 0 、R/RR/R0 0 、q/qq/qo o 、v/vv/vo o只和充满度有关。只和充满度有关。非满流管渠水力计算简化法二比例变换法比例变换法 假设有一条满流管渠假设有一条满流管渠与待计算的非满流管渠具与待计算的非满流管渠具有相同的管径有相同的管径D D和水力坡和水力坡度度I I，其过水断面面积为，其过水断面面积为A0A0，水力半径为，水力半径为R0R0，通过，通过流量为流量为qoqo，流速为，流速为vovo，满流时：满流时：2 2）根据充满度）根据充满度h/Dh/D，查表，查表3.73.7得得A/AA/A0 0，然后用下式计
17、算流速，然后用下式计算流速v v。充满度充满度h/Dh/D 流速流速v v已知已知求求流量流量q q管径管径D D水力坡度水力坡度I I1 1）先由下式计算）先由下式计算q/q0q/q0，反查表，反查表3.73.7的充满度的充满度h/Dh/D；例例2 2 已知某污水管道设计流量为已知某污水管道设计流量为q=100L/sq=100L/s，根据地形，根据地形条件可以采用水力坡度为条件可以采用水力坡度为I=7%I=7%，初拟采用管径，初拟采用管径D=400mmD=400mm的钢筋混凝土管，粗糙系数的钢筋混凝土管，粗糙系数n nM M=0.014=0.014，求其充满度，求其充满度h/Dh/D和流速和
18、流速v v。解用粗糙度系数、管径和水力坡度带入式解用粗糙度系数、管径和水力坡度带入式3.323.32计算计算：反查表反查表3.73.7的充满度的充满度h/D=56.9%h/D=56.9%，相应，相应A/AO=0.587A/AO=0.587，由式由式3.333.33计算：计算：3.4 3.4 管道的水力等效简化管道的水力等效简化 多条管道串联或并联，等效为单条管道；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，等效为集中出流或入流；管道沿线分散出流或入流，等效为集中出流或入流；泵站多台水泵并联工作可以等效为单台水泵。泵站多台水泵并联工作可以等效为单台水泵。采用水力等效原理，将局部管
19、网简化成简单的形式。采用水力等效原理，将局部管网简化成简单的形式。l1 l2 lNd1 d2 dN1 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：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将它们等效为一条直径为d d，长度为，长度为l l的管道，输送流量的管道，输送流量q=qq=q1 1+q+q2 2+q qN N。d1 q1d2 q2dN qNq 根据水力等效的原则：根据水力等效的原则：任一管段的流量：任一管段的流量：沿线流量，转输流量沿线流量，转输流量。3、沿线均匀出流简化、沿线均匀出流简化假设沿线出流均匀，则管道内任意断面假设沿线出流均
20、匀，则管道内任意断面x上的流量上的流量可以表示为：可以表示为：沿程水头损失计算如下：沿程水头损失计算如下：为简化计算，将沿线流量为简化计算，将沿线流量ql分为两个集中流量，分别分为两个集中流量，分别转移到管段的两个节点。转移到管段的两个节点。假设转移到末端的流量为假设转移到末端的流量为aql，则通过管道流量为：则通过管道流量为：水头损失为：水头损失为：根据水力等效原则：根据水力等效原则：由此表明，管道沿线出流的流量可以近似地一分为由此表明，管道沿线出流的流量可以近似地一分为由此表明，管道沿线出流的流量可以近似地一分为由此表明，管道沿线出流的流量可以近似地一分为二，转移到两个端点上。二，转移到两
21、个端点上。二，转移到两个端点上。二，转移到两个端点上。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量管）的沿程水头损失，从而与沿程水头损失合并计算。计算。3.5 水泵与泵站水力特性水泵与泵站水力特性3.5.1 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（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：水泵水力特性：表征水泵流量和扬程的关系，如下式：12hp水
22、泵扬程，水泵扬程，m；qp水泵流量，水泵流量，m3/s；he水泵净扬程，水泵净扬程，m；sp水泵内阻；水泵内阻；n与水头损失计算指数与水头损失计算指数公式相同的指数。公式相同的指数。根据水泵样本确定根据水泵样本确定he和和sp（最小二乘法，（最小二乘法，图解法图解法）（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 r0水泵额定转速，水泵额定转速，r/min;r水泵工作转速，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。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）考虑吸水和压水管路阻力后水力特性 作业p68-p69习题1、2、3、4、6