第三章给水排水管道系统水力计算基础.

水流运动的类型•若流场中各空间点上的任何运动要素均不随时间变化，称流动为恒定流。否则，为非恒定流。•恒定流中，所有物理量的表达式中将不含时间，它们只是空间位置坐标的函数，时变导数为零。（一）恒定流、非恒定流运动要素是否沿程变化？均匀流非均匀流（二）均匀流、非均匀流；渐变流、急变流均匀流的流线必为相互平行的直线，而非均匀流的流线要么是曲线，要么是不相平行的直线。举例。•注意：控制流动的规律•能量守恒•质量守恒4微小流束的能量方程单位总能量单位动能单位压能单位位能zpgu22单位势能pzgupz2221222222111122whgvpzgvpz实际流体恒定总流的能量方程分析水力学问题最常用也是最重要的方程式四、能量方程的意义单位重量流体所具有的位置势能（简称单位势能）单位重量流体所具有的压强势能（简称单位压能）单位重量流体所具有的总势能（简称单位势能）zppzgv22单位重量流体所具有的动能（简称单位动能）沿程水头损失计算•沿程阻力系数或谢才系数的估计方法：822=824flvvlhgddg22fvlhCR满管流满管流、非满管流达西•1.奠定比托管构型•2.确定管流达西公式•3.达西渗流定律•4.求谢才系数9比托管•1732年，法国皮托发明比托管•达西发明了沿流动方向布置的静压管10达西公式•1839年德国工程师哈根发表黄铜管（D6cm,L1m)的水流结果•1840年生物学家泊肃叶发表玻璃毛细管的水流实验结果•1845年德国数学家魏斯贝奇用量纲分析方法推导圆管沿程阻力公式，但其系数含糊不清，无法工程上使用•1857年达西设计了各种材料，各种规格的管道D=1.2-50cm,L=100m,材质为玻璃，铸铁，生铁，铅管等等，总结水流阻力变化规律11渗流定律•达西负责设计和建造第戎市公共泉水工程，系统研究了地下水流动和饮用水沙层过滤规律。设计了著名的柱状沙桶渗流试验装置12人工明渠流实验•V=C*sqrt(R*J)谢才公式18世纪末•水力工程师寻找了80年的C，但均未成功•达西用系统化的实验方法解决•450m长，底宽2m的木质棱柱明渠•渠底可调坡度•76m^2的引水池，其水源由4个闸门从运河•入口处12个方形均匀孔导流•流量计，深度仪，毕托管，浮子测速仪•各种截面形状，各种壁面材料，历时7年13•达西公式（1858年）•渗流定律（1856年）•实施明渠流实验（1855-1857）•都是在去世前3年，身体虚弱的状态下完成的，令人肃然起敬•1891年，曼宁根据达西助手巴赞的结果，总结出曼宁公式143．2．3局部水头损失计算15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。3．2．4水头损失公式的指数形式16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2．局部水头损失公式的指数形式为：17nmmhsq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21222222111122whgvpzgvpz分析水力学问题最常用也是最重要的方程式22flvhdg22fvlhCRgvhm22有无自由表面有压流无压流有压流、无压流有压流主要是依靠压力作用而流动，而无压流主要是依靠重力作用而流动。举例。•注意：长管如果作用水头的95%以上用于沿程水头损失，我们就可以略去局部损失及出口速度水头，认为全部作用水头消耗在沿程，这样的管道流动称为水力长管。否则为水力短管。长管:作用水头全部消耗于沿程损失有压流21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。有压流串联管道Q3Q2l1,d1l2,d2l3,d3Q1hf1hf2hf3Hn段串联管道，各段损失分别计算然后叠加，认为作用水头全部用于沿程损失，可得一个方程。1nfiiHh有压流串联23mNimiiNimiinmnmnfdllddlkqldkqldkqh111)/(有压流并联管道n段并联管道的水头损失是相同的，给出n-1个方程constfih1niiQQ流量之和为总流量，又可得一个方程(i=1,…,n)Q3Q2Q1hf1=hf2=hf3hfABhfCDHABCD有压流252．并联mnNinmimNnNmnmnmndddlkqdlkqdlkqldkq)(12211当并联管道直径相同时imnmnnmiiNdNNdddddd)()(/21有压流沿程均匀泄流管tq为贯通流量（转输流量）lql途泄流量q有压流273．4．2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有压流28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()()(有压流29ltxqqq沿程水头损失110()()(1)nnntlltltfmmllxkqqqqqlhdxkldndq将移至两端点，分别为lq+l（1-　）qlqlq+tqtqqlqtllqq,)1(管道内流量为有压流577.005.03122，，管网末端，，，管网起端，）（，代入上式，得，令ltltltqqqqfqqnliqq5.0,5.0,一般30根据水力等效原则11()()(1)nnntltltfmmlqqqqqhklkldndq有压流31q0.5+qq0.5lltq0.5lqtql+tqliqq5.0,5.0,一般有压流例•一条混凝土输水管长L=50m,其中起点的节点流量Q=0.200m3/s，管道直径为0.3m，设该管均匀出流，流量为0.0005m3/s每米，求总水头损失（曼宁公式粗糙系数）。32有无自由表面有压流无压流有压流、无压流有压流主要是依靠压力作用而流动，而无压流主要是依靠重力作用而流动。举例。•注意：明渠水流（无压流）具有显露在大气中并且可以自由变动的自由水面，水面压强一般为大气压，其相对压强为零，大多是露天开敞式的。本课程只讨论明渠恒定均匀流问题。明渠水流根据其空间点上运动要素是否随时间变化，可分为恒定流和非恒定流；根据其运动要素是否随流程变化，可分为均匀流与非均匀流；非均匀流又有渐变流和急变流之分。明渠的几何性质（一）明渠的横断面天然河道的横断面人工渠道的横断面人工断面形式•梯形•矩形:可以看成是梯形的特例•圆形•马蹄形：结构受力较好•蛋形：减少淤积，底部较大流速38二、明渠的底坡渠底与纵剖面的交线称为渠底线，常用符号i来表示。'sin21lZZi当底坡较小时：lZZtgi21sin在工程中明渠底坡可能有三种情况：0i，称为正坡（或顺坡）；0i，称为平坡；，称为负坡（或逆坡、反坡）0i21222222111122whgvpzgvpz分析水力学问题最常用也是最重要的方程式22flvhdg22fvlhCRgvhm22明渠均匀流的基本公式RiCRJCvRiACQ2132iRnAQ罗马输水管渠•38ADCaligula主持修建Novus渡槽•水源，河水•长度，39mile•渡槽尺寸，2.5*7ft^2•水量，196,627m^3/day•罗马工程师把水量当做了水流横截面积44坎儿井45定向46中国：约256B.C，李冰父子修建都江堰，是以无坝引水为特征的宏大水利工程李冰曾在都江堰安设石人水尺，这是中国早期的水位观测设施绪论都江堰•李冰修都江堰時，曾設立三個石人水則，以水位「竭不至足，盛不沒肩」來衡量水量足夠與否。圖中Q1所示者灌區最低需水量；Q2所示者保證灌區安全的最高引水量意大利：1500A.D,达芬奇提出水文循环观点并使用浮标测量流速意大利：1610年，Santorio创制第一台流速仪53Aqueduct,designedbyHenriPitot,inMontpellier,France.HenriPitot,(bornMay3,1695,Aramon,France—diedDecember27,1771,Aramon),FrenchhydraulicengineerandinventorofthePitottube,whichmeasuresflowvelocity.Beginninghiscareerasamathematicianandastronomer,PitotwonelectiontotheAcademyofSciencesin1724.海流測量之儀器與方法•阻抗式﹕根據海流流速大小與產生之拖曳力成正比之關係而設計，，(a)圖為CBI擋流板式(ChesapeakeBayInstituteDrag)，(b)圖則為Savonius轉子(Rotor)方式，RCM海流儀即為後者方式。ADV点式流速仪ADCPAcoustic－声学Doppler－多普勒Current－流速Profiler－剖面仪水流在垂向上被分割成若干层，叫做深度单元（depthcell）。一台ADCP相当于许多台单点流速仪CurrentVelocityVectorDepthCellAveragesVectorWithinCompleteDepthCellAreaMeasuresCurrentOnlyataLocalizedPointintheAreaADCPMooredLineofStandardCueentMeters深度单元和流速剖面1234567891011Depthcells深度单元ADCP机械式流速仪粒子成像速度计(PIV)•PIV原理YX粒子第一个的像t后，粒子第二个的像121212lim,lim12ttYYVttXXUt2t1t2t1粒子成像速度计(PIV)•典型系统:CCD电子同步器计算机Nd:YAG激光器粒子成像速度计(PIV)•算法双曝光的图象第一次曝光的图象第二次曝光的图象4粒子成像速度计(PIV)•算法CCD计算机流场的像100X125mm查询区1X1mm流场的速度分布自相关、互相关粒子成像速度计(PIV)尾迹中的粒子图尾迹的速度场PIV定量测量的活鱼尾迹流场（来流速度88mm/s，脉冲的间隔3ms，查询区为2.74mmX2.74mm）差压式流量计•文丘利流量计属于差压式流量计•当充满圆管的流体流经在管道内部安装的节流装置时，流束将在节流件处形成局部收缩，使流速增大，静压力降低，于是在节流件前后产生压力差．该压力差通过差压计检出．流体的体积流量或质量流量与差压计所测得的差压值有确定的数值关系。涡街流量计涡街流量计•电压式涡街流量计•插入式涡街流量计•分体式涡街流量计•潜水型涡街流量计精度：±0.1%适用流体：液体、蒸汽（饱和、过热）明渠均匀流的基本公式RiCRJCvRiACQ2132iRnAQ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）0.025～0.03067排水管渠粗糙系数表AB哪个断面的过水能力大？矩形断面n=0.013•满流：•V=1/nR^(2/3)i^(