第三章_給水排水管網(wǎng)水力學(xué)基礎(chǔ)(1)

1、第三章 給水排水管網(wǎng)水力學(xué)基礎(chǔ),2012年9月13日,3.1 給水排水管網(wǎng)水流特征,,流態(tài)特征,給水排水管網(wǎng)中，水流水力因素隨時間變化，屬于非恒定流，水力計算復(fù)雜。 在設(shè)計時一般只能按恒定流計算。,恒定流與非恒定流,恒定流：水體在運(yùn)動過程中，其各點(diǎn)的流速和壓力不隨時間而變化，而與空間位置有關(guān)的流動。,非恒定流：水體各點(diǎn)的流速和壓力不僅與空間位置有關(guān)，還隨時間而變化的流動。,滿管流動 1）如管道截面在一段距離內(nèi)不變且不發(fā)

2、生轉(zhuǎn)彎，為均勻流， 管道對水流阻力沿程不變，采用沿程水頭損失公式計算； 2）當(dāng)管道在局部分叉、轉(zhuǎn)彎與變截面時，流動為非均勻流， 采用局部水頭損失公式計算。非滿管流或明渠流 只要長距離截面不變，可以近似為均勻流，按沿程水頭損失公式計算。,均勻流與非均勻流,非均勻流：液體質(zhì)點(diǎn)流速的大小和方向沿流程變 化，水流參數(shù)隨時間和空間變化。,均勻流：液體質(zhì)點(diǎn)流速的大小和方向沿流程不變。,壓力流與重力流

3、,壓力流：水體沿流程整個周界與固體壁面接觸，無自由液面，滿管流動，又稱管流。,壓力流輸水通過封閉的管道進(jìn)行，水流阻力主要依靠水的壓能克服，阻力大小只與管道內(nèi)壁粗糙程度有關(guān)、管道長度和流速有關(guān)，與管道埋設(shè)深度和坡度無關(guān)。,重力流：水體沿流程一部分與固體壁面接觸，另一部分與空氣接觸，具有自由液面。非滿管流動，又稱明渠流。,重力流管渠中水面與大氣相通，非滿流，水流阻力依靠 水的位能克服，形成水面沿水流方向降低。,給水多壓力流，排水多

4、重力流；長距離輸水重力流，排水泵站出水管、倒虹管壓力流。,水流的水頭與水頭損失,,測壓管水頭,,水頭分為,水頭損失：流體克服流動阻力所消耗的機(jī)械能。,水頭損失分為,,沿程水頭損失,局部水頭損失,水頭：單位重量的流體所具有的機(jī)械能， 用h或H表示，單位米水柱(mH2O)。,位置水頭Z,壓力水頭P/r,流速水頭v2/2g,3.2 管渠水頭損失計算,hf——沿程水頭損失，m；v——過水?dāng)嗝嫫骄魉?，m/s；C——謝才系數(shù)；

5、R——過水?dāng)嗝嫠Π霃?，m，圓管流R=0.25D；l——管渠長度，m。,3.2.1 沿程水頭損失計算,,管渠沿程水頭損失用謝才公式,,圓管滿流，沿程水頭損失也可用達(dá)西公式：,C、λ與水流流態(tài)有關(guān)，一般采用經(jīng)驗公式或半經(jīng)驗公式計算。常用公式如下 ：,D——管段直徑，m；g ——重力加速度，m/s2；λ——沿程阻力系數(shù)， λ=8g/C2,適用:舊鑄鐵管和舊鋼管滿管紊流，水溫10度(給水管道),,代入達(dá)西公式,（1）舍維列夫公式,

6、適用:較光滑的圓管滿流管紊流（給水管道）,代入達(dá)西公式,q——流量，m3/s；Cw——海曾-威廉粗糙系數(shù)。,,（2）海曾-威廉公式,適用于各種紊流，是適用性和計算精度最高的公式。,,簡化為直接計算式,（3）柯爾勃洛克-懷特公式,e ——管壁當(dāng)量粗糙度，m。,適用于明渠流和非滿流排水管道計算。,代入謝才公式,,（4）巴甫洛夫斯基公式,巴甫洛夫斯基公式中y=1/6時的特例，適用于明渠或較粗糙的管道計算。,代入謝才公式,,nM

7、——曼寧公式粗糙系數(shù)。,,（5）曼寧公式,3.2.2 沿程水頭損失計算公式的比較與選用,4）舍維列夫公式在1.0≤e≤1.5mm之間給出了令人滿意的結(jié)果，對舊金屬管道較適用，但對管壁光滑或特別粗糙的管道是不適用的。,,1）巴甫洛夫斯基公式適用范圍廣，計算精度也高，特別是對于較粗糙的管道，管道水流狀態(tài)仍保持較準(zhǔn)確的計算結(jié)果，最佳適用范圍為1.0≤e≤5.0mm；,2）曼寧公式亦適用于較粗糙的管道，最佳適用范圍為0.5≤e≤4.0mm；,

8、3）海曾－威廉公式則適用于較光滑的管道，特別是當(dāng)e≤0.25mm（CW≥130）時，該公式較其它公式有較高的計算精度；,3.2.3 局部水頭損失計算,局部阻力系數(shù)ξ,,3.2.4 水頭損失公式的指數(shù)形式,沿程水頭損失計算公式的指數(shù)形式：,沿程水頭損失指數(shù)公式參數(shù),,局部水頭損失公式的指數(shù)形式：,沿程水頭損失與局部水頭損失之和：,式中 Sg——管道阻力系數(shù)；,3.3 非滿流管渠水力計算,排水管網(wǎng)和長距離輸水工程常采用非滿管流。,,

9、水力計算目的：確定,3.3.1 非滿流管渠水力計算公式,,,,,,,,,,,h,D,充滿度h/D:設(shè)計流量下，管道內(nèi)有效水深與管徑之比 過水?dāng)嗝鍭=A（D，h/D） 水力半徑R=R(D,h/D),3.3.1 非滿流管渠水力計算公式,采用謝才公式計算水頭損失， 將曼寧公式代人并轉(zhuǎn)換：,5個水力參數(shù)q、D、h、I、v, 已知其中3個才能求出另一個，水力計算很復(fù)雜。采用簡化法。,,由流量和流速關(guān)系,將A，R代入上兩式,,A=A（D，h/D

10、）,R=R(D,h/D),方法： 首先根據(jù)已知資料，計算出流量Q，根據(jù)Q值可初步確定管徑D；然后，根據(jù)Q、D值，求I、h/D、v值。在這三個未知數(shù)中，還需知道一個參數(shù)，才能求得另外兩個，此時可以在三個參數(shù)中先假設(shè)一個值，比如流速為最小流速，或是坡度為最小坡度，或是充滿度滿足一定要求等，之后進(jìn)行查表或查圖，就可得出其余兩個未知數(shù)；最后要進(jìn)行校核，若得出的兩個參數(shù)滿足其規(guī)定的要求，則計算完成，若不滿足要求，則需調(diào)整假設(shè)值，甚至管徑D，

11、重新進(jìn)行計算。 水力計算圖適用于混凝土及鋼筋混凝土管道，其粗糙系數(shù) n＝0.014。每張圖適用于一個指定的管徑。我國《室外排水設(shè)計規(guī)范》和《給水排水設(shè)計手冊》推薦此法。,非滿流管渠水力計算簡化法一,水力計算圖表,例1 已知n=0.014,D=300mm,I=0.004,Q=30L/s,求v和h/D,,,,,,精度低 通用性差,坡度,充滿度,流速,流量,可證明滿流A0 、R0 、qo 、vo，與 非滿流相應(yīng) A 、

12、R 、 q 、 v 的比 例A/ A0 、R/ R0 、q/ qo 、v/ vo只和充滿度有關(guān)。,非滿流管渠水力計算簡化法二,比例變換法,假設(shè)有一條滿流管渠與待計算的非滿流管渠具有相同的管徑D和水力坡度I，其過水?dāng)嗝婷娣e為A0，水力半徑為R0，通過流量為qo，流速為vo，滿流時：,,2）根據(jù)充滿度h/D，查表3.7得A/A0，然后用下式計算流速v。,充滿度h/D 流速v,,已知,,求,,流量q管徑D水力坡

13、度I,1）先由下式計算q/q0，反查表3.7的充滿度h/D；,例2 已知某污水管道設(shè)計流量為q=100L/s，根據(jù)地形條件可以采用水力坡度為I=7%，初擬采用管徑D=400mm的鋼筋混凝土管，粗糙系數(shù)nM=0.014，求其充滿度h/D和流速v。,解用粗糙度系數(shù)、管徑和水力坡度帶入式3.32計算：,反查表3.7的充滿度h/D=56.9%，相應(yīng)A/AO=0.587，由式3.33計算：,3.4 管道的水力等效簡化,多條管道串聯(lián)或并聯(lián)，等效

14、為單條管道；管道沿線分散出流或入流，等效為集中出流或入流；泵站多臺水泵并聯(lián)工作可以等效為單臺水泵。,采用水力等效原理，將局部管網(wǎng)簡化成簡單的形式。,l1 l2 lNd1 d2 dN,

15、1、串聯(lián)管道的簡化,,,,,,,,l,根據(jù)水力等效的原則：,2、并聯(lián)管道的簡化,將它們等效為一條直徑為d，長度為l的管道，輸送流量q=q1+q2+…qN。,,,,d1 q1d2 q2dN qN,q,根據(jù)水力等效的原則：,任一管段的流量：沿線流量，轉(zhuǎn)輸流量。,,3、沿線均勻出流簡化,假設(shè)沿線出流均勻，則管道內(nèi)任意斷面x上的流量可以表示為：沿程水頭損失計算如下：,為簡化計算，將沿線流量ql分為兩個集中流量，分別轉(zhuǎn)移到管段的

16、兩個節(jié)點(diǎn)。假設(shè)轉(zhuǎn)移到末端的流量為aql，則通過管道流量為：水頭損失為：,,,,,根據(jù)水力等效原則：,由此表明，管道沿線出流的流量可以近似地一分為二，轉(zhuǎn)移到兩個端點(diǎn)上。,4、局部水頭損失計算的簡化,可將局部水頭損失等效于一定長度的管道（稱為當(dāng)量管）的沿程水頭損失，從而與沿程水頭損失合并計算。,3.5 水泵與泵站水力特性,3.5.1 水泵水力特性公式及其參數(shù)計算,揚(yáng)程：水泵提供給單位重量水的機(jī)械能（mH2O）。水泵水力特性：表征水

17、泵流量和揚(yáng)程的關(guān)系，如下式：,,,,,,hp——水泵揚(yáng)程，m；qp——水泵流量，m3/s；he——水泵凈揚(yáng)程，m；sp——水泵內(nèi)阻；n——與水頭損失計算指數(shù)公式相同的指數(shù)。,根據(jù)水泵樣本確定he和sp（最小二乘法，圖解法）,（1）工頻泵水力特性,（2）調(diào)速水泵水力特性,r0——水泵額定轉(zhuǎn)速，r/min;r——水泵工作轉(zhuǎn)速， r/min。改變水泵轉(zhuǎn)速改變水泵凈揚(yáng)程，不改變內(nèi)阻。,（3）考慮吸水和壓水管路阻力后水力特性,,作業(yè)p