给水排水管道系统水力计算基础课程

第3章给水排水管网水力学基础3.1给排水管网水流特征3．2管渠水头损失计算3．3非满流管渠水力计算3．4管道的水力等效简化33.1给排水管网水流特征流考虑）（给排水管网一般按紊紊流：过渡流层流：流态4000Re4000Re2000:2000Re.175.122.12.2vhDvhDvh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～3．1．1流态特征43．1．2恒定流与非恒定流水量变化－非恒定流（复杂）－按恒定流计算3．1．3均匀流与非均匀流水流参数往往随时间和空间变化－非均匀流53．1．4压力流与重力流1．压力流：hf∝n、l、v；与H、I无关（压能克服水流阻力）2．重力流：靠水的位能克服3．1．5水流的水头与水头损失水头是指单位重量的流体所具有的机械能。H＝Z＋P/γ＋v2/2ggvgvPZ2,222忽略6水头损失：流体克服流动阻力所消耗的机械能局部水头损失沿程水头损失73．2管渠水头损失计算RCviRiCv223．2．1沿程水头损失计算管渠沿程水头损失用谢才公式(m)22lRCvilhf8圆管满流，沿程水头损失也可以用达西公式表示：228)(2CgmgvDlhf＝－沿程阻力系数，式中C、λ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：91．舍维列夫公式适用：旧铸铁管和旧钢管满管紊流，水温100C0（给水管道计算）1.2m/sv867.010.001824g1.2m/svD0.00214g3.03.00.3vD102．海曾－威廉公式1.2m/sv867.010.000912v1.2m/svD0.00107v3.03.121.32lvDlhf适用：较光滑圆管满流紊流（给水管道）－海曾－威廉粗糙系数－流量，式中＝wwCsmqqCgD/16.133148.0852.113.0113．柯尔勃洛克－怀特公式lDCqhwf87.4852.1852.167.10＝适用：各种紊流，是适应性和计算精度最高的公式Re51.27.3lg21Re53.38.14lg71.17DeCReC或＝－12875.0875.02Re462.47.3lg21Re462.48.14lg71.17;/4ReReDeReCmesmvDvR＝－或＝－直接计算的形式：便于应用，可以简化为但此式需迭代计算，不，由实验确定。－管壁当量粗糙度，水动力粘度系数，是与水温有关的，其中＝－雷诺数，式中134.巴甫洛夫斯基公式适用：明渠流、非满流排水管道lRvnhnnRnynRCyBfBBBBy1222)10.0(75.013.05.2系数。巴甫洛夫斯基公式粗糙式中＝145．曼宁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。lDqnhlRvnhnnnRCMfMfBMM333.522333.122629.10或相同。甫洛夫斯基公式－曼宁粗糙系数，与巴式中153．2．2沿程水头损失计算公式的比较与选用巴甫洛夫斯基公式适用范围广，计算精度也较高，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管道，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。163．2．3局部水头损失计算式中hm——局部水头损失，m；ξ——局部阻力系数。gvhm22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5%，常忽略局部水头损失的影响，不会造成大的计算误差。173．2．4水头损失公式的指数形式有利于管网理论分析，便于计算机程序设计。1．沿程水头损失公式的指数形式为：nffnfmnfqshlaqhlDkqh式中k、n、m——指数公式参数；a——比阻，即单位管长的摩阻系数，;mDka。—摩阻系数，—mffDklalss182．局部水头损失公式的指数形式为：nmmqsh3．沿程水头损失与局部水头损失之和式中Sm——局部阻力系数；ngnfmfmgqsqsshhh)(式中Sg——管道阻力系数；fmgsss。193．3非满流管渠水力计算水力计算目的：确定之间的水力关系。、、、、iDhDvq3．3．1非满流管渠水力计算公式1．非满流管渠水力计算公式)21(cos2)1()21(4/)1()21(2)21(cos4/1212DhDhDhDhDDDhDRRDhDhDhDDhDDhDAA）＝，（）＝，（＝206/11RnCRICvM曼宁公式谢才公式常用的均匀流基本公式有：vQ21321IRnv式中Q——流量（m3/s）；ω——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，等于管底坡度）。n——管壁粗糙系数（见表）。hD图9.2充满度示意图21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0.012～0.014浆砌块石渠道0.017陶土管、铸铁管0.013干砌块石渠道0.020～0.025混凝土管、钢筋混凝土管水泥砂浆抹面渠道0.013～0.014土明渠包括（带草皮）0.025～0.03022――非满流管渠水力计算基本公式2132213221322132h/D)I(D,h/D)(D,1I1qh/D)I(D,1I1RAnARnRnRnvMMMMv、q、D、h/D、I五个变量，已知三个，求另两个。23简化：水力计算表，按两个公式制成图表。简单，精度较差，且只适用于一种管材。借助满流水力计算公式并通过一定的比例变换进行计算。假设一条满流管渠与待计算的非满流管渠具有相同的D和I，满流时，2/13/22/13/2211441IRnvIRAnqDRDAoMoooMooo24)()()()()1()21(2)21(cos1)()21(cos)1()21(214323322111DhfRRvvDhfRRAAqqDhfDhDhDhDhAADhfDhDhDhDhRRooooooo＝＝＝＝＝＝＝253．3．2非满流管渠水力计算方法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，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。2.借助于满流水力计算公式并通过一定的比例变换进行计算。263．4管道的水力等效简化管网简化：利用水力等效简化原理水力等效简化原则：简化后，等效的管网对象与原来的实际对象具有相同的水力特性。273．4．1串联或并联管道的简化1．串联mNimiiNimiinmnmnfdllddlkqldkqldkqh111)/(282．并联mnNinmimNnNmnmnmndddlkqdlkqdlkqldkq)(12211当并联管道直径相同时imnmnnmiiNdNNdddddd)()(/21293．4．2沿线均匀出流的简化配水支管配水干管Q2Q1Q3Q4q1q2qqqqq34576图14-1干管配水情况干管配水情况30假设沿线出流是均匀的，则管道的任一断面上的流量qtlq21+tqqttqtqx)(xllqqqltx沿程水头损失llmntnltmnltflqdnqqqkdxdqlxlqkh011)1()()(31ltxqqq沿程水头损失llmntnltmnltflqdnqqqkdxdqlxlqkh011)1()()(将移至两端点，分别为lq+l（1-　）qlqlq+tqtqqlqtllqq,)1(管道内流量为32根据水力等效原则lqdnqqqkldqqkhlmntnltmnltf)1()()(11577.005.03122，，管网末端，，，管网起端，）（，代入上式，得，令ltltltqqqqfqqnliqq5.0,5.0,一般33q0.5+qq0.5lltq0.5lqtql+tqliqq5.0,5.0,一般3．4．3局部水头损失计算的简化一般忽略，特殊情况下，局部水头损失必须进行计算。