第3章-给水排水管网水力学基础

2011-09-201z【知识点】z管渠水力计算公式、水头损失计算、管道水流特性、管道的水力等效简化；管网的水力等效简化原则。z【能力目标】z熟练识记管渠水力计算公式、管道水流特性；水泵水力特性参数；z熟练掌握及运用水头损失计算、管道的水力等效简化。第三章给水排水管网水力学基础2011-09-202第3章给水排水管网水力学基础«给水排水管道系统»2011-09-203前前一章讨论一章讨论了给水排水管网的工程规划：了给水排水管网的工程规划：原则原则引引言言最新规范、法规、政策目的、手续、资料收集、方案制定、绘图、编制文件分类、面积、人口、模型预测（3种）工作程序工作程序城市用水量预测城市用水量预测给水相关概念：树状网、环状网、输水管渠、干管、支管、连接管、分配管、坡度、定线管网布置管网布置排水相关概念：干管、主干管、支管、坡度、定线、平行式、正交式、连接方式（窨井）雨水相关概念：雨水口、自排、径流静态年费计算、动态年费计算技术经济分析技术经济分析2011-09-204第三章给水排水管网水力学基础z3.1给水排水管网水流特征z3.2管渠水头损失计算z3.3非满流管渠水力计算z3.4管道的水力等效简化z3.5水泵与泵站水力特性2011-09-2053.1给水排水管网水流特征1.管网中的流态分析‡管道中的流态：‡流态判别：νvD=Re⎪⎩⎪⎨⎧流考虑）（给排水管网一般按紊紊流：过渡流：层流：流态4000Re4000Re20002000Re层流、紊流（三个区）、过渡流。2011-09-2063.1给水排水管网水流特征1.管网中的流态分析‡按紊流考虑。(计算数据P47)‡给水排水管网流态：主要为紊流过渡区和阻力平方区（阻力平方区与过渡区的流速界限在0.6~1.5m/s之间，过渡区与光滑区的流速界限在0.1m/s。）。⎪⎩⎪⎨⎧∝∝∝75.1275.12vhDvhDvh水力光滑区较小或管壁较光滑）（管径过渡区较大或管壁较粗糙）（管径）阻力平方区（粗糙管区紊流～紊流过渡区阻力平方区光滑区(0.6~1.5m/s)(0.1m/s)v:0.5~1.5(m/s)D:0.1~1.0(m)T:5~25(oC)v:1.52~0.89×10-6(m2/s)2011-09-2073.1给水排水管网水流特征2.水流的水头与水头损失(1)水头：指单位重量的流体所具有的机械能（三种形式的转换）。‡三种形式为位置水头、压力水头和流速水头。‡在给水排水管网中，流速水头相对较小，为简化计算，一般可以忽略不计。gvgvPZ2,222忽略+γZgv22γP势能动能2011-09-2083.1给水排水管网水流特征2.水流的水头与水头损失(2)水头损失‡流动阻力：流体流动过程中，受到固定边界面的影响（包括摩擦与限制作用），导致断面流速分布不均匀，相邻流层间产生切应力。‡水头损失：克服流动阻力所消耗的机械能。‡分为沿程水头损失和局部水头损失。2011-09-2093.1给水排水管网水流特征3.恒定流和非恒定流‡用水量和排水量处于不断的变化中，给水排水管网中的水流经常处于非恒定流状态。‡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，按恒定流计算。恒定流：流场中各空间点上液体质点的运动要素(速度、压强、密度等)皆不随时间变化的流动。2011-09-20103.1给水排水管网水流特征4.均匀流与非均匀流‡给水排水管网中的水流参数既随时间变化，也随空间变化，是非均匀流。‡非满管或渠流，如长距离截面不变，近似为均匀流，否则计为缓流或急流。‡总体上，管网中管道长度较大，沿程水头损失远大于局部水头损失，按比例转换局部水头损失或忽略后者。局部水头损失均匀流沿程水头损失水头损失非均匀流长距离等截面满管流局部分叉、转弯与变截面满管流缓流：正常水深大于临界水深(Fr＜1…)的均匀流。急流：正常水深小于临界水深(Fr＞1…)的均匀流。2011-09-20113.1给水排水管网水流特征5.压力流与重力流‡输送方式（压能、位能）。‡压力流：承压管道，通过压能克服阻力（阻力与管道内壁粗糙程度、管道长度和流速有关，与管道埋深和坡度等无关）。一般为给水管网采用。‡重力流：通过位能（依靠地形）克服阻力。一般为排水管网采用。‡给水排水管网中多使用圆管，由于圆管的水力条件和结构性能好，且对土壤的承压能力较强。2011-09-20123.2管渠水头损失计算1.沿程水头损失计算‡沿程水头损失：谢才公式。谢才系数C沿程阻力系数λ舍维列夫海曾威廉巴甫洛夫斯基曼宁RJCv=28Cg=λ柯尔勃洛克怀特2011-09-20133.2管渠水头损失计算1.沿程水头损失计算lRCvhf22=（m）式中hf——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，即断面面积除以湿周（m），对于圆管满流R=0.25D（D为直径）。(2)圆管满流－达西公式gvDlhf22λ=（m）式中D──管段直径，m；g──重力加速度，m/s2；λ──沿程阻力系数，。28Cg=λ(1)谢才公式2011-09-20143.2管渠水头损失计算(1)柯尔勃洛克－怀特公式)Re51.27.3lg(21)Re53.38.14lg(71.17λλ+−=+−=DeCReCC(λ)的确定适用：各种紊流，是适应性和计算精度最高的公式。)Re51.27.3lg(21)Re462.48.14lg(71.17875.0875.0+−=+−=DeReCλ紊流光滑区紊流粗糙区隐函数显函数2011-09-20153.2管渠水头损失计算(2)海曾-威廉（Hazen-Williams）公式148.0852.113.016.13qCgDw=λlDCqhwf87.4852.1852.167.10=C(λ)的确定海曾威廉系数Cw：见表3.2，表中的值主要适用于紊流过渡区v=0.9m/s的一个较窄流速范围。使用时注意海曾威廉系数与流速的相关性。适用：较光滑的圆管满流紊流（给水管道）。2011-09-20163.2管渠水头损失计算(3)曼宁（Manning）公式：y=1/6MnRC6=lRvnhMf333.122=lDqnhMf333.52229.10=C(λ)的确定曼宁公式是巴甫洛夫斯基公式中y=1/6时的特例，适用：明渠、非满管流计算。谢才公式达西-韦伯公式2011-09-20173.2管渠水头损失计算(4)巴甫洛夫斯基(Н.Н.Павловский)公式BynRC=lRvnhyBf1222+=)10.0(75.013.05.2−−−=BBnRnyC(λ)的确定适用：明渠流、非满流或较粗糙的管道。谢才公式2011-09-20183.2管渠水头损失计算(5)舍维列夫（Ф.А.Шевелев）公式⎪⎩⎪⎨⎧+≥=smvvDgsmvDg/2.1)867.01(001824.0/2.100214.03.03.03.0λ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+≥=smvlvDvsmvlDvhf/2.1)867.01(000912.0/2.100107.03.03.123.12C(λ)的确定适用：旧铸铁管和旧钢管满管紊流(给水管道计算)。2011-09-20192.沿程水头损失计算公式的比较与选用3.2管渠水头损失计算‡谢才公式和达西-韦伯公式：是给水排水管网水力计算的基本公式。谢才系数C和达西-韦伯阻力系数λ是管网水力计算正确性的关键。‡柯尔勃洛克-怀特公式：适用流态较广，计算精度较高。‡巴甫洛夫斯基公式：是对曼宁公式的修正和改进。适用范围较宽，计算精度相对较高，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，最佳适用范围为1.0≤e≤5.0mm。‡曼宁公式：亦适用于较粗糙的非满管流和明渠均匀流，最佳适用范围为0.5≤e≤4.0mm。‡海曾－威廉公式：则适用于较光滑的给水管道，特别是当e≤0.25mm（CW≥130）时，该公式较其它公式有较高的计算精度。‡舍维列夫公式：在1.0≤e≤1.5mm之间给出了令人满意的结果，对旧金属管道较适用，但对管壁光滑或特别粗糙的管道是不适用的。2011-09-20203.局部水头损失计算3.2管渠水头损失计算gvhm22ξ=式中hm――局部水头损失（m）；ζ――局部阻力系数。给水排水管网中局部水头损失一般不超过沿程水头给水排水管网中局部水头损失一般不超过沿程水头损失的损失的5%5%，常忽略局部水头损失的影响，不会造，常忽略局部水头损失的影响，不会造成大的计算误差。成大的计算误差。2011-09-2021lDkqhmnf=laqhnf=nffqsh=式中k、n、m──指数公式参数；a——比阻，即单位管长的摩阻系数；sf——摩阻系数。akDm=mfDklals==4.水头损失公式的指数形式3.2管渠水头损失计算(1)沿程水头损失公式的指数形式2011-09-20224.水头损失公式的指数形式3.2管渠水头损失计算(2)局部水头损失公式的指数形式nmmqsh=式中Sm——局部阻力系数；(3)沿程水头损失与局部水头损失之和ngnfmfmgqsqsshhh=+=+=)(式中Sg——管道阻力系数；fmgsss+=2011-09-20234.水头损失公式的指数形式3.2管渠水头损失计算2011-09-20243.3非满流管渠水力计算hD‡排水管网中，污水排水管道采用非满管流设计，雨水排水管网采用满管流设计(图3.1)。‡但是，实际运行时，均处于非满管流状态。则设计和运行校核均需要进行非满管流的水力计算。‡非满管流管渠水力计算的目的：确定q、v、D、y/D、i之间的水力关系，进而科学合理的进行方案的设计。2011-09-20251.非满流管渠水力计算公式3.3非满流管渠水力计算6/11RnCRiCvM==曼宁公式谢才公式vAq⋅=21321iRnv⋅⋅=2132iRnAq⋅⋅=式中q——流量（m3/s）；A——过水断面面积（m2）v——流速（m/s）；R——水力半径（ｍ）；i——水力坡度（即水面坡度，均匀流等于管底坡度）。n——管壁粗糙系数（见表3.4，p53）。2011-09-2026排水管渠粗糙系数表3.40.025～0.030土明渠包括（带草皮）0.013～0.014混凝土管、钢筋混凝土管水泥砂浆抹面渠道0.020～0.025干砌块石渠道0.013陶土管、铸铁管0.017浆砌块石渠道0.012～0.014木槽0.015浆砌砖渠道0.012石棉水泥管、钢管粗糙系数n管渠类别粗糙系数n管渠类别2011-09-20271.非满流管渠水力计算公式3.3非满流管渠水力计算)21(cos2)1()21(4/)1()21(2)21(cos4/1212DyDyDyDyDDDyDRRDyDyDyDDyDDyDAA−−−−=−−−−−−）＝，（）＝，（＝Dy2011-09-20282132213221322132y/D)i(D,y/D)(D,1i1qy/D)i(D,1i1RAnARnRnRnvMMMM====此式为非满管流水力计算的基本公式。v、q、D、y/D、i五个变量中，已知三个，即可求另两个。3.3非满流管渠水力计算2132iRnAq⋅⋅=1.非满流管渠水力计算公式式中D——管道直径（m）；y——管道内水深（m），y/D为充满度。2011-09-2029(1)常采用水力计算图或表进行计算水力计算图适用于混凝土及钢筋混凝土管道，其粗糙系数n＝0.014。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(D、n已知)，在流量Q、坡度i、流速v、充满度y/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。3.3非满流管渠水力计算2.非满流管渠水力计算方法2011-09-2030已知：n=0.014，D=300mm，i=0.0024，Q=25.5L/s，求v和h/D。2011-09-2031)()()()()1()21(2)21(cos1)()21(cos)1()21(214323322111