给水排水管道系统水力计算基础(精)

第三章给水排水管道系统水力计算基础本章内容：1、水头损失计算2、无压圆管的水力计算3、水力等效简化本章难点：无压圆管的水力计算第一节基本概念一、管道内水流特征进行水力计算前首先要进行流态的判别。判别流态的标准采用临界雷诺数Rek，临界雷诺数大都稳定在2000左右，当计算出的雷诺数Re小于2000时，一般为层流，当Re大于4000时，一般为紊流，当Re介于2000到4000之间时，水流状态不稳定，属于过渡流态。对给水排水管道进行水力计算时，管道内流体流态均按紊流考虑紊流流态又分为三个阻力特征区：紊流光滑区、紊流过渡区及紊流粗糙管区。二、有压流与无压流水体沿流程整个周界与固体壁面接触，而无自由液面，这种流动称为有压流或压力流。水体沿流程一部分周界与固体壁面接触，另一部分与空气接触，具有自由液面，这种流动称为无压流或重力流给水管道基本上采用有压流输水方式，而排水管道大都采用无压流输水方式。从水流断面形式看，在给水排水管道中采用圆管最多三、恒定流与非恒定流给水排水管道中水流的运动，由于用水量和排水量的经常性变化，均处于非恒定流状态，但是，非恒定流的水力计算特别复杂，在设计时，一般也只能按恒定流(又称稳定流计算。四、均匀流与非均匀流液体质点流速的大小和方向沿流程不变的流动，称为均匀流；反之，液体质点流速的大小和方向沿流程变化的流动，称为非均匀流。从总体上看，给水排水管道中的水流不但多为非恒定流，且常为非均匀流，即水流参数往往随时间和空间变化。对于满管流动，如果管道截面在一段距离内不变且不发生转弯，则管内流动为均匀流；而当管道在局部有交汇、转弯与变截面时，管内流动为非均匀流。均匀流的管道对水流的阻力沿程不变，水流的水头损失可以采用沿程水头损失公式进行计算；满管流的非均匀流动距离一般较短，采用局部水头损失公式进行计算。对于非满管流或明渠流，只要长距离截面不变，也没有转弯或交汇时，也可以近似为均匀流，按沿程水头损失公式进行水力计算，对于短距离或特殊情况下的非均匀流动则运用水力学理论按缓流或急流计算。五、水流的水头和水头损失水头是指单位重量的流体所具有的机械能，一般用符号h或H表示，常用单位为米水柱(mH2O，简写为米(m。水头分为位置水头、压力水头和流速水头三种形式。位置水头是指因为流体的位置高程所得的机械能，又称位能，用流体所处的高程来度量，用符号Z表示；压力水头是指流体因为具有压力而具有的机械能，又称压能，根据压力进行计算，即p(式中的p为计算断面上的压力，γ为流体的比重；流速水头是指因为流体的流动速度而具有的机械能，又称动能，根据动能进行计算，即v22g（式中v为计算断面的平均流速，g为重力加速度）。位置水头和压力水头属于势能，它们二者的和称为测压管水头，流速水头属于动能。流体在流动过程中，三种形式的水头(机械能总是处于不断转换之中。给水排水管道中的测压管水头较之流速水头一般大得多，在水力计算中，流速水头往往可以忽略不计。实际流体存在粘滞性，因此在流动中，流体受固定界面的影响（包括摩擦与限制作用），导致断面的流速不均匀，相邻流层间产生切应力，即流动阻力。流体克服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（如断面大小，流动方向沿流程不变的流动）时，流动阻力中只有沿程不变的切应力，称沿程阻力。由沿程阻力所引起的水头损失称为沿程水头损失。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。由局部阻力所引起的水头损失称为局部水头损失。在给水排水管道中，由于管道长度较大，沿程水头损失一般远远大于局部水头损失，所以在进行管道水力计算时，一般忽略局部水头损失，或将局部阻力转换成等效长度的管道沿程水头损失进行计算。第二节管渠水头损失计算一、沿程水头损失计算管渠的沿程水头损失常用谢才公式计算，其形式为：hf=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；R—过水断面水力半径，即过水断面面积除以湿周，m，圆管满流时R=0.25Dv2CR2l（m）（3-1）（D为圆管直径）；l—管渠长度，m。对于圆管满流，沿程水头损失也可用达西公式计算：hf=λ式中D—圆管直径，m；g—重力加速度，m/s；2lv2D2g（m）（3-2）λ—沿程阻力系数，λ=8gC2。沿程阻力系数或谢才系数与水流流态有关，一般只能采用经验公式或半经验公式计算。目前国内外较为广泛使用的主要有舍维列夫（Ф·Α·ЩевеЛев）公式、海曾－威廉（Hazen-Williams）公式、柯尔勃洛克－怀特(Colebrook-White公式和巴甫洛夫斯基(Н·Н·Павловский等公式，其中，国内常用的是舍维列夫公式和巴甫洛夫斯基公式。（1）舍维列夫公式舍维列夫公式根据他对旧铸铁管和旧钢管的水力实验（水温10℃），提出了计算紊流过渡区的经验公式。当v≥1.2m/s时λ=0.002(3-30.3Dg当v1.2m/s时g⎛0.8λ=0.00180.3+D⎝v6⎫7⎪(3-4⎭0.3将（3-3）、(3-4式代入（3-2）式分别得：当v≥1.2m/s时hf=0.00107vD21.3l（3-5）当v1.2m/s时v⎛0.86⎫7hf=0.00091.3+⎪l（3-6）D⎝v⎭20.3（2）海曾－威廉公式海曾－威廉公式适用于较光滑的圆管满管紊流计算：λ=3式中q—流量，m/s；13.1gD6Cw1.8520.130.148q（3-7）Cw—海曾－威廉粗糙系数，其值见表3-1；其余符号意义同（3-2）式。海曾－威廉粗糙系数Cw值表3-1将式（3-7）代入式（3-2）得：hf=10.6q7Cw1.8521.8524.87Dl(3-8（3）柯尔勃洛克－怀特公式柯尔勃洛克－怀特公式适用于各种紊流：C=-17.71lg⎛e+⎛e⎫或=-2lg+（3-9）⎪3.53Re⎭⎝3.7DvDC⎝14.8R4vR式中Re—雷诺数，Re=2υ=υ，其中υ为水的动力粘滞系数，和水温有关，其单位为：m/s；e—管壁当量粗糙度，m，由实验确定，常用管材的e值见表3-2。该式适用范围广，是计算精度最高的公式之一，但运算较复杂，为便于应用，可简化为直接计算的形式：C=-17.7lg⎛e+4.462⎫14.462⎫⎛e(3-10或-2lg+0.875⎪0.875⎪Re3.7DRe⎭⎝⎭⎝14.8R常用管渠材料内壁当量粗糙度e（mm）表3-2（4）巴甫洛夫斯基公式巴甫洛夫斯基公式适用于明渠流和非满流管道的计算，公式为：C=Rynb（3-11）式中：y=0.13-0.10nb—巴甫洛夫斯基公式粗糙系数，见表3-3。将（3-11）式代入（3-2）式得：hf=nbvR222y+1（3-12）l常用管渠材料粗糙系数nb值表3-3（5）曼宁（Manning）公式曼宁公式是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：C=n（3-13）式中n—粗糙系数，与（3-12）式中nb相同，见表3-3。将（3-13）式代入（3-1）得：hf=二、局部水头损失计算局部水头损失用下式计算：hj=ζ式中hj—局部水头损失，m；ζ—局部阻力系数，见表3-4。nvR221.333l或hf=10.2n9qD225.333l（3-14）v22g（3-15）根据经验，室外给水排水管网中的局部水头损失一般不超过沿程水头损失的5％，因和沿程水头损失相比很小，所以在管网水力计算中，常忽略局部水头损失的影响，不会造成大的计算误差。局部阻力系数ζ表3-4第三节无压圆管的水力计算所谓无压圆管，是指非满流的圆形管道。在环境工程和给排水工程中，圆形断面无压均匀流的例子很多，如城市排水管道中的污水管道、雨水管道以及无压涵管中的流动等。这是因为它们既是水力最优断面，又具有制作方便、受力性能好等特点。由于这类管道内的流动都具有自由液面，所以常用明渠均匀流的基本公式对其进行计算。圆形断面无压均匀流的过水断面如图3-1所示。设其h2θ管径为d水深为h，定义α==sin，α称为充满度，d4所对应的圆心角θ称为充满角。由几何关系可得各水力要素之间的关系为：过水断面面积：A=湿周：χ=d2d28(θ-sinθ（3-16）θ（3-17）水力半径：R=d⎛sinθ⎫1-⎪（3-18）4⎝θ⎭所以21⎡dv=⎢n⎣4d2sinθ⎛1-θ⎝⎫⎤32132⎪⎥i＝Ri（3-19）n⎭⎦21211211⎡dQ=(θ-sinθ⎢8n⎣4sinθ⎫⎤321⎛1-i=AR3i2（3-20）⎪⎥θn⎝⎭⎦为便于计算，表3-5列出不同充满度时圆形管道过水断面面积A和水力半径R的值。不同充满度时圆形管道过水断面积A和水力半径R的值（表中d以m计）表3-5为了避免上述各式繁复的数学运算，在实际工作中，常用预先制作好的图表来进行计算，（见《给水排水设计手册》）。下面介绍计算图表的制作及其使用方法。为了使图表在应用上更具有普遍意义，能适用于不同管径、不同粗糙系数的情况，特引入一些无量纲数来表示图形的坐标。设以Q0、v0、C0、R0分别表示满流时的流量、流速、谢才系数、水力半径；以Q、v、C、R分别表示不同充满度时的流量、流速、谢才系数、水力半径。令：A=QQ0v=2=f(hf(d⎛h⎫=f1⎪=f1(α（3-21）⎝d⎭f(h⎛R⎫3⎛h⎫==f2⎪=f2(α（3-22）B=⎪=v0⎝R0⎭f(dd⎝⎭根据式（3-21）和式（3-22），只要有一个α值，就可求得对应的A和B值。根据它们的关系即可绘制出关系曲线，如图3-2所示。从图3-2中可看出：当h/d=0.95时，Amax=Q/Q0=1.087，此时通过的流量为最大，恰好为满管流流量的1.087倍；当h/d=0.81时，Bmax=v/v0=1.16，此时管中的流速为最大，恰好为满管流时流速的1.16倍。因为，水力半径R在α＝0.81时达到最大，其后，水力半径相对减小，但过水断面却在继续增加，当α＝0.95时，A值达到最大；随着α的继续增加，过水断面虽然还在增加，但湿周χ增加得更多，以致水力半径R相比之下反而降低，所以过流量有所减少。在进行无压管道的水力计算时，还要遵从一些有关规定。《室外排水设计规范》GB50101-2005中规定：（1）污水管道应按非满流计算，其最大设计充满度按其附表采用；（2）雨水管道和合流管道应按满管流计算；（3）排水管的最小设计流速：对于污水管道(在设计充满度时，当管径d≤500mm时，为0.7m/s；当管径d500mm时，为0.8m/s。另外，对最小管径和最小设计坡度等也有相应规定。在实际工作中可参阅有关手册与现行规范。[例3-1]已知：圆形污水管道，直径d＝600mm，管壁粗糙系数n＝0.014，管底坡度i＝0.0024。求最大设计充满度时的流速v和流量Q。[解]管径d＝600mm的污水管最大设计充满度α=时，过水断面上的水力要素为：A=0.6319d=0.6319⨯0.6=0.2275（m）R=0.3017d=0.3017⨯0.6=0.1810（m）22hdα=0.75=0.75；由表3-5查得，2C=1n1R6=10.0141⨯0.1816=53.722（m/s）1/2从而得：v==53.722⨯=1.12（m/s）3Q=vA=1.12⨯0.2275=0.2548(m/s[例3-2]已知：圆形管道直径d＝1m，管底坡度i＝0.0036，粗糙系数n＝0.013。求在水深h＝0.7m时的流量Q和流速v。[解]根据图3-2计算。首先计算满流时的流量Q0和流速v0。R0=d4=14=0.25（m）C0=1n1R06=10.0131⨯0.256=61.1（m/s）1/2v0=C=61.1⨯=1.833Q0=A0v0=π4⨯1⨯1.83=1.44(m/sh=0.72=0.7d1由图3-2查得，当α=0.7时，A=0.84，B=1.12，所以：α=Q=AQ0=0.84⨯1.44=1.21(m/sv=Bv0=1.12⨯1.83=2.05（m/s）3第四节非满流管渠水力计算流体具有自由表面，其重力作用下沿管渠的流动称为非满流。因为在自由水