第3章-给水排水管网水力学基础

第3章给水排水管网水力学基础§3.1给水排水管网水流特征§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§3.5水泵与泵站水力特性3.1给水排水管网水流特征Re20001.:2000Re4000Re4000层流：流态过渡流紊流：（给排水管网一般按紊流考虑）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3.1.2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3．1．4压力流与重力流1．压力流：hf∝e、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＋v2/2g＋h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3．2管渠水头损失计算3．2．1沿程水头损失计算管渠沿程水头损失：谢才公式：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）。圆管满流，沿程水头损失也可以用228()2fgClvhmDg式中－沿程阻力系数，＝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：适用：塑料管、内衬与内涂塑料的钢管。达西公式：1．舍维列夫公式适用：旧铸铁管和旧钢管满管紊流，水温10℃（给水管道计算）1.2m/sv867.010.001824g1.2m/svD0.00214g3.03.00.3vD1.2m/sv867.010.000912v1.2m/svD0.00107v3.03.121.32lvDlhf2．海曾－威廉公式适用：较光滑圆管满流紊流（给水管道）0.131.8520.148313.16/wwgDCqqmsC＝式中－流量，－海曾－威廉粗糙系数其值见表3.2lDCqhwf87.4852.1852.167.10＝用于：输配水管道、配水管网水力平差计算。3．柯尔勃洛克－怀特公式适用：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＝－20.8754ReRe/;4.46217.71lg14.8RevRvDmsemeCR式中－雷诺数，＝，其中是与水温有关的水动力粘度系数，－管壁当量粗糙度，，由实验确定，或查表3.1。但此式需迭代计算，不便于应用，可以简化为直接计算的显函数形式：＝－0.87514.4622lg3.7ReeD或＝－4.巴甫洛夫斯基公式适用：混凝土管(渠)、已作水泥砂浆内衬的金属管道。明渠流、非满流排水管道。22212.50.130.75(0.10)yBBBBBfyRCnynRnnnvhlR＝式中巴甫洛夫斯基公式粗糙系数。RCviRiCv2222(m)fvhillCR5．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：明渠或较粗糙的管道计算。622221.3335.33310.29MMBMMffRCnnnnvnqhlhlRD式中－曼宁粗糙系数，与巴甫洛夫斯基公式相同。或2/31/21vRin适用：明渠均匀流、非满流均匀流水力计算。3.2.2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。3.2.3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。见表3.5gvhm22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。3.2.4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ffmklssalD——摩阻系数，。2．局部水头损失公式的指数形式为：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；式中Sg——管道阻力系数；fmgsss。nmmhsq()nngmfmfghhhssqsq3.3非满流管渠水力计算水力计算目的：确定hqiDvD、、、、之间的水力关系。3.3.1非满流管渠水力计算公式1．非满流管渠水力计算公式2211/cos(12)(12)(1)42(12)(1)/42cos(12)DhDhhhAADhDDDDDhhhDDDDDRRDhDhD＝（，）＝（，）＝6/11RnCRICvM曼宁公式谢才公式常用的均匀流基本公式有：vQ21321vRIn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P53表3.4）。hD图9.2充满度示意图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）0.025～0.030――非满流管渠水力计算基本公式221133222211332211I(D,h/D)I11qI(D,h/D)(D,h/ID)MMMMvRRnnAARnnR？？？v、q、D、h/D、I五个变量，已知三个，求另两个。水力计算很复杂。3.3.2非满流管渠水力计算方法（简化）1．常采用水力计算图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。图上的纵坐标表示坡度I，即是设计管道的管底坡度，横坐标表示流量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.比例变换法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。详见《给水排水设计手册.第01册.常用资料》P766-803非满流n=0.014，DN150-3000mm充满度流量坡度流速水力计算图精度低，通用性差。2.比例变换法假设有一条满流管渠与待计算的非满流管渠具有相同的管径D和水力坡度I，其过水断面面积为A0，水力半径为R0，通过流量为qo，流速为vo:2/13/22/13/2211441IRnvIRAnqDRDAoMoooMooo2/13/22/13/2211441IRnvIRAnqDRDAoMoooMooo)()()()()1()21(2)21(cos1)()21(cos)1()21(214323322111DhfRRvvDhfRRAAqqDhfDhDhDhDhAADhfDhDhDhDhRRooooooo＝＝＝＝＝＝＝证明：A/A0、R/R0、q/qo、v/vo只和充满度(h/D)有关。见图3.3，表3.7例3.1已知某污水管道设计流量为q=100L/s，根据地形条件可以采用水力坡度为I=7‰，初拟采用管径D=400mm的钢筋混凝土管，粗糙系数n=0.014，求充满度h/D和流速v。解:用粗糙度系数、管径和水力坡度带入下式计算：反查表3.7的充满度h/D=56.9%，相应A/AO=0.587，由下式计算：2.6670.52.6670.503.2083.2080.0140.10.6180.40.007qnqqDI2201.2731.2730.11.36/(/)0.40.587qvmsDAA3.4管道的水力等效简化采用水力等效的原理，将局部管网简化成简单的形式。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；泵站多台水泵并联工作可以等效为单台水泵。3.4.1串联或并联管道的简化1．串联mNimiiNimiinmnmnfdllddlkqldkqldkqh111)/(l1l2lNd1d2dNl2．并联mnNinmimNnNmnmnmndddlkqdlkqdlkqldkq)(12211当并联管道直径相同时imnmnnmiiNdNNdddddd)()(/213.4.2沿线均匀出流的简化管网计算不包括全部管线，只计算经过简化后的干管网。泵站水塔123456780节点1、2、3、4、5、6、7、8管段1-2、2-3、……管线1-2-3-4-7-8基环Ⅰ(2-3-6-5-2)Ⅱ(3-4-7-6-3)大环2-3-4-7-6-5-2虚环1-0-8-7-4-3-2-1ⅠⅡ3.4.2沿线均匀出流的简化在管网水力计算过程中，首先需求出沿线流量和节点流量。沿线流量——是指供给该管段两侧用户所需流量。（管网配水情况比较复杂，高峰流量各异。计算时加以简化。比流量法，假定小用水户的流量沿线均匀分布。）节点流量——是沿线流量折算得出的并且假设是在节点集中流出的流量。3.4.2沿线均匀出流的简化配水支管配水干管Q2Q1Q3Q4q1q2qqqqq34576图14-1干管配水情况比流量：为简化计算而将除去大用户集中流量以外的用水量均匀地分配在全部有效干管长度上，由此计算出的单位长度干管承担的供水量。L/(s.m)QL/sL/smssqqlQqql比流量，管网总用水量，；大用户集中用水量总和，；干管总长度，。不包括穿越广场、公园等无建筑物地区的管线；只有一侧配水的管线，长度按一半计算。L/(s.m)QL/sL/smssqqlQqql比流量，管网总用水量，；大用户集中用水量总和，；干管总长度，。不包括穿越广场、公园等无建筑物地区的管线；只有一侧配水的管线，长度按一半计算。公园街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊3.4.2沿线均匀出流的简化配水支管配水干管Q2Q1Q3Q4q1q2qqqqq34576图14-1干管配水情况从比流量求出各管段沿线流量的公式：lqqsl管网中除最末端的管段外，其他任一管段的流量都由两部分组成：一部分是本管段沿程配水产生的流量，即沿线流量，另一部分是通过该管段输送到下游管段的流量，称为转输流量。tlqqtqlqqsl3.4.2沿线均匀出流的简化lqtq沿线流量为什么要转化为节点流量？但是，实际的管段并没有喇叭口形状的，管径也是不连续的，所以，仔细去计算每一个沿线流出去的流量已经没有实际意义了。沿线流量只有当其累积到一定量，足以引起管径变化的时候计算起来才有实际意义。这样，就可以不考虑实际沿线配水的情况，而把一定长度管段上的沿线流量用一个等效的流量来代替，即节点流量。沿线流量转换成节点流量的依据：求出一个沿线不变的折算流量q，使它产生的水头损失等于实际上沿管线变化的流量qx产生的水头损失。tlqqtqlqlq1节点流量：沿线流量只有概念上的意义，在水力计算时应将沿线流量按适当比例分配到两各节点，成为节点流量。