第3章给水排水管网水力学基础

第三章给水排水管网水力学基础3.1给水排水管网水力学基础流态特征水的三种流态：层流Re2000紊流Re4000过渡流2000~4000给水排水管网水流一般处在紊流流态紊流流态分为三个阻力特征区：阻力平方区水头损失与流速平方成正比过渡区水头损失和流速1.75~2次方成正比水力光滑管区水头损失和流速1.75次方成正比给水排水管网水流一般处在阻力平方区和过渡区22,vhKvh＝,75.1Kvh＝当流速较小时，各流层质点互不混杂，这种型态的流动叫层流。当流速较大时，各流层质点形成涡体互相混掺，这种型态的流动叫做紊流。层流：液体质点作有条不紊的线状运动，水流各层或各微小流束上的质点彼此互不混掺。紊流：液体质点在沿管轴方向运动过程中互相混掺。恒定流与非恒定流给水排水管网中，水流水力因素随时间变化，属于非恒定流，水力计算复杂。在设计时一般只能按恒定流计算。按运动要素是否随时间变化表征液体运动的物理量，如流速、加速度、动水压强等恒定流非恒定流水库水库t0时刻t1时刻均匀流与非均匀流非均匀流：水流参数随空间变化。满管流动1）如果管道截面在一段距离内不变且不发生转弯，为均匀流，管道对水流阻力沿程不变，采用沿程水头损失公式计算；2）当管道在局部分叉、转弯与变截面时，流动为非均匀流，采用局部水头损失公式计算。非满管流或渠流，只要长距离截面不变，可以近似为均匀流。均匀流均匀流非均匀流均匀流非均匀流均匀流非均匀流渐变流急变流急变流压力流与重力流压力流输水通过封闭的管道进行，水流阻力主要依靠水的压能克服，阻力大小只与管道内壁粗糙程度有关、管道长度和流速有关，与管道埋设深度和坡度无关。重力流管渠中水面与大气相通，非满流，水流阻力依靠水的位能克服，形成水面沿水流方向降低。给水多压力流，排水多重力流；长距离输水重力流，排水泵站出水管、倒虹管压力流。水流的水头与水头损失水头：单位重量的流体所具有的机械能，用h或H表示，单位米水柱(mH2O)。位置水头Z压力水头P/r测压管水头流速水头v2/2g水头损失流体克服流动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时，流动阻力中只有沿程不变的切应力，称为沿程阻力。由沿程阻力引起的水头损失成为沿程水头损失。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。由局部阻力引起的水头损失成为局部水头损失。3.2管渠水头损失计算谢才公式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，m，圆管流R=0.25D；l——管渠长度，m。lRCvhf223.2.1沿程水头损失计算沿程水头损失计算对于圆管满流，达西公式：D——管段直径，m；g——重力加速度，m/s2；λ——沿程阻力系数，λ=8g/C2gvDlhf22沿程阻力系数的变化规律22fLVhdg尼古拉兹实验或242fLVhRgLg（100λ）lgRe015r015r015r015r015r015r层流时,64Re水力光滑壁面,称为紊流光滑区(Re)f水力粗糙壁面,称为紊流粗糙区0()rf过渡粗糙壁面,称为率流过渡粗糙区0(Re,)rf谢才系数或沿程阻力系数的确定（1）舍维列夫公式适用于旧铸铁管和旧钢管满管紊流，水温10度，常用于给水管道水力计算。smvvDsmvDg/2.1)867.01(001824.0/2.100214.03.03.03.0谢才系数或沿程阻力系数的确定（2）海曾-威廉公式适用于较光滑的圆管满流管紊流计算，主要用于给水管道水力计算。q——流量，m3/s；Cw——海曾-威廉粗糙系数。148.0852.113.016.13qCgDw谢才系数或沿程阻力系数的确定（3）柯尔勃洛克-怀特公式适用于各种紊流，是适用性和计算精度最高的公式之一。e——管壁当量粗糙度，m。)Re462.47D.3e(2lg1)Re462.48.14lg(71.17875.0875.0或ReC谢才系数或沿程阻力系数的确定（4）巴甫洛夫斯基公式适用于明渠流和非满流排水管道计算。系数巴甫洛夫斯基公式粗糙式中BBBn)1.0n(R75.013.0n5.2yBynRC谢才系数或沿程阻力系数的确定（5）曼宁公式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。nM——曼宁公式粗糙系数。MnRC6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沿程水头损失计算公式的比较与选用柯尔勃洛克-怀特公式具有较高的精度;巴甫洛夫斯基公式具有较宽的适用范围，1.0≤e≤5.0mm;曼宁公式适用于较粗糙的管道,0.5≤e≤4.0mm;海曾-威廉公式适用于较光滑的管道,e≤0.25mm;舍维列夫公式适用于1.0≤e≤1.5mm.局部水头损失计算局部阻力系数。—；局部水头损失，—m22mmhgvh局部阻力设施ξ局部阻力设施ξ全开闸阀0.1990。弯头0.950%开启闸阀2.0645。弯头0.4截止阀3~5.5三通转弯1.5全开蝶阀0.24三流直流0.1水头损失公式的指数形式沿程水头损失计算公式的指数形式：mfnffmnfDklssmnkqshlDkqhf,,,摩阻系数指数公式参数或参数海曾威廉公式曼宁公式舍维列夫公式K10.67/Cw1.85210.29nM20.001798n1.8522.01.911m4.875.3335.123局部阻力系数mnmsqshm•局部水头损失公式的指数形式：ngnfmfmgqsqsshhh)(沿程水头损失与局部水头损失之和：式中Sg——管道阻力系数；fmgsss3.3非满流管渠水力计算排水管网和长距离输水工程常采用非满管流。非满管流水力计算的目的：确定管段流量、流速、断面尺寸、充满度和坡度之间的关系。3.3.1非满流管渠水力计算公式充满度h/D——指设计流量下，管道内的有效水深与管径的比值。过水断面A=A（D，h/D）水力半径R=R(D,h/D)采用谢才公式计算水头损失，将曼宁公式代人并转换：由流量和流速关系得：21321IRnvmhD21321IARnqm2132)/,(1IDhDRnvm2132)/,()/,D(1IDhDRDhAnqm5个水力参数q、D、h、I、v,已知其中3个才能求出另一个，水力计算很复杂。――非满流管渠水力计算基本公式污水管道按不满流设计的原因（1）流量时刻变化，很难确定计算，而且雨水、地下水可能通过检查井盖或管道接口渗入污水管道。因此，要保留一部分管道断面，为未预见的水量留有余地，避免污水移出，妨碍环境卫生，同时使渗入的地下水顺利流泻。（2）污水管道内沉积的污泥可能分解出一些有害气体。此外，污水中如含有汽油、苯、石油等易燃液体时，可能形成爆炸性气体。故需要留出适当的空间，以利于管道的通风，排除有害气体。（3）管道部分满流时，管道内水流速度在一定条件下比满流大一些。流速大，有利于冲刷淤泥。非满流水力计算简化方法（1）水力计算图表（2）借助满流水力计算公式并通过一定的比例变换进行计算充满度流量坡度流速（1）水力计算图表精度低，通用性差。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。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(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，可以证明：A/A0、R/R0、q/qo、v/vo只和充满度有关。2/13/22/13/2211441IRnvIRAnqDRDAoMoooMooo)()()()()1()21(2)21(cos1)()21(cos)1()21(214323322111DhfRRvvDhfRRAAqqDhfDhDhDhDhAADhfDhDhDhDhRRooooooo＝＝＝＝＝＝＝非满流管渠水力计算方法一、已知流量q、管径D和水力坡度I，求充满度h/D和流速1、先由下式计算q/q0，反查表3.7得充满度h/D;5.0667.22138350020213200208.344410IDqnIDqnqqDRDAIRAnqqqMMM2、根据充满度h/D，查表3.7得A/A0，然后用下式计算流速v。)/(273.1)/(44020220AADqAADqvDvqAA618.0007.04.01.0014.0208.3208.35.0667.25.0667.20IDqnqqM36.1587.04.01.0273.1)/(273.1202AADqv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nM=0.014，求其充满度h/D和流速v。解用粗糙度系数、管径和水力坡度带入式3.32计算：反查表3.7的充满度h/D=56.9%，相应A/AO=0.587，由式3.33计算：非满流管渠水力计算方法二、已知流量q、管径D和流速v，求充满度h/D和水力坡度I求解步骤：1、先由下式计算A/A0，反查表3.7得充满度h/D2、根据充满度h/D，查表3.7得R/R0，然后用下式计算水力坡度I333.10340234)/()(350.6)/(4RRDvnRRDvnIMM220273.14vDqvDqAA非满流管渠水力计算方法三、已知流量q、管径D和充满度h/D，求水力坡度I和流速v求解步骤：1、先根据充满度h/D查表3.7求出q/q0，然后用下式计算水力坡度I2、根据充满度h/D查表3.7得A/A0，然后用下式求流速v。20333.5316202310/29.101/4qqqnDDqqqnIMM)/(273.1)/(40202AADqAADqv非满流管渠水力计算方法四、已知流量q、水力坡度I和充满度h/D，求管径D和流速v1、根据充满度h/D查表3.7得q/q0，然后用下式计算管径D2、根据充满度h/D查表3.7求出A/A0，然后用下式计算流速v375.001875.01638308385/584.11/4qqqnIIqqqnDMM)/(273.1)/(40202AADqAADqv非满流管渠水力计算方法五、已知管径D、充满度h/D和水力坡度I，求流量q和流速v1、根据充满度h/D查表3.7求出q/q0，然后用下式计算流量q2、根据充满度h/D查表3.7求出A/A0，然后用下式计算流速vMMnqqIDnqqIDq)/(3117.0)/(405.0667.20213835)/(273.1)/(40202AADqAADqv非满流管渠水力计算方法六、已知管径D、水力坡度I和流速v，求流量q和充满度h/D1、根据下式计