管道设计原理-第3章

管道设计原理王美艳河北工业大学能源与环境工程学院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3.1.1管网中的流态分析要计算沿程水头损失，首先要判别流态。在水力学中，水在圆管中的流动有层流、紊流及过渡流三种流态，可以根据雷诺数Re进行判别，其表达式如下：ReVdv式中：V－管内平均流速（m/s）；D－管径(m)；ν－水的运动粘性系数。当水温为10℃时，ν＝1.308×10-6m2/s，当水温为20℃时，ν＝1.007×10-6m2/s，当水温为30℃时，ν＝0.804×10-6m2/s，当水温为50℃时，ν＝0.556×10-6m2/s。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。3.1给水排水管网水流特征3.1.1管网中的流态分析3.1给水排水管网水流特征层流：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。3.1.1管网中的流态分析3.1给水排水管网水流特征3.1.1管网中的流态分析3.1给水排水管网水流特征3.1.1管网中的流态分析紊流：液体质点在沿管轴方向运动过程中互相混掺。Re20001.:2000Re4000Re4000层流：流态过渡流紊流：（给排水管网一般按紊流考虑）75.1275.12.2vhDvhDvh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给水排水管网水流特征给水排水管网中，流速一般在0.5~1.5m/s之间，管径多在0.1~1.0m之间，水温一般在5~25℃之间，水的动力粘滞系数在1.52~0.89×10-6m2/s之间，水流雷诺数约在33000～1680000之间，处于紊流状态。给水排水管网中，阻力平方区与过渡区的流速界限在0.6~1.5m/s之间，过渡区与光滑区的流速界限则在0.1m/s以下。多数管道的水流状态处于紊流过渡区和阻力平方区，部分管道因流速很小而可能处于紊流光滑管区，水头损失与流速的1.75~2.0次方成正比。3.1.1管网中的流态分析ReVdv3.1给水排水管网水流特征3.1.2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，特别是雨水排水及合流制排水管网，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。恒定流：水体在运动过程中，其各点的流速和压力不随时间而变化。非恒定流：水体各点的流速和压力随时间而变化的流动。3.1给水排水管网水流特征3.1.2恒定流与非恒定流水库t0时刻t1时刻3.1给水排水管网水流特征满管流动1）如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。非满管流或明渠流只要长距离截面不变，可以近似为均匀流，按沿程水头损失公式计算。非均匀流：液体质点流速的大小和方向沿流程变化，水流参数随空间变化。均匀流：液体质点流速的大小和方向沿流程不变。3.1.3均匀流与非均匀流3.1给水排水管网水流特征3.1.3均匀流与非均匀流均匀流均匀流非均匀流均匀流非均匀流均匀流渐变流急变流非均匀流急变流3.1给水排水管网水流特征3.1.3压力流与重力流压力流：水体沿流程整个周界与固体壁面接触，无自由液面，满管流动，又称管流。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：水体沿流程一部分与固体壁面接触，另一部分与空气接触，具有自由液面。非满管流动，又称明渠流。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。水头是指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。3.1给水排水管网水流特征3.1.3水流的水头与水头损失沿程水头损失局部水头损失22pvHZgg22,22PvvZgg忽略3.2管渠水头损失计算对于任意形状管渠断面，谢才（Chezy）公式式中：hf——沿程水头损失，m；v——过水断面平均流速，m/s；C——谢才系数；R——过水断面水力半径，m，圆管流R=0.25D；l——管渠长度，m。3.2.1沿程水头损失计算lRCvhf223.2管渠水头损失计算3.2.1沿程水头损失计算对于圆管满流，达西-韦伯（DarcyWeisbach）公式：式中：D——管段直径，m；g——重力加速度，m/s2；λ——沿程阻力系数，λ=8g/C2gvDlhf22谢才系数或沿程阻力系数的确定（1）柯尔勃洛克-怀特（Colebrook-White）公式适用于各种流态，是适用性和计算精度最高的公式之一。式中：e——管壁当量粗糙度，m。)Re462.47D.3(lg21)Re462.48.14(lg7.17875.0875.0eReC或谢才系数或沿程阻力系数的确定管壁材料光滑平均粗糙玻璃拉成的材料00.0030.006钢、PVC或AC0.0150.030.06有覆盖的钢0.030.060.15镀锌管、陶土管0.060.150.3铸铁或水泥衬里0.150.30.6预应力混凝土或木管0.30.61.5铆接钢管1.536脏的污水管道或结瘤的给水主管线61530毛砌石头或土渠60150300常用管材内壁当量粗糙度e(mm)表3.1谢才系数或沿程阻力系数的确定谢才系数或沿程阻力系数的确定（2）海曾-威廉（Hazen-Williams）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。式中：q——流量，m3/s；Cw——海曾-威廉粗糙系数。lDCqhqCgDwfw87.4852.1852.1148.0852.113.067.1016.13代入达西公式谢才系数或沿程阻力系数的确定海曾-威廉系数Cw值表3.2管道材料Cw管道材料Cw塑料管150新铸铁管、涂沥青或水泥的铸铁管130石棉水泥管120~140使用5年的铸铁管、焊接钢管120混凝土管、焊接钢管、木管120使用10年的铸铁管、焊接钢管110水泥衬里管120使用20年的铸铁管90~100陶土管110使用30年的铸铁管75~90海曾-威廉系数的修正海曾-威廉系数与流速V的0.081次方成反比，即：081.000vvCCww式中：v0＝0.9m/s，Cw0为表3.2中推荐值，v为实际流速，Cw为与v对应的系数。谢才系数或沿程阻力系数的确定（3）曼宁（Manning）公式引入曼宁粗糙系数n，适用于明渠、非满管流或较粗糙的管道计算。代入谢才公式和达西-韦伯公式：式中：n——曼宁公式粗糙系数;I——水力坡度，hf/l。6/11RnC2/13/2333.5223/422129.10IRnvlDqnhlRvnhff或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、非满管流或较粗糙的管道计算。曼宁粗糙系数。式中nnRnlRvnhRnCyfy)10.0(75.013.05.2y11222柯尔勃洛克-怀特公式适用于较广的流态范围具有较高的精度;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;3.2管渠水头损失计算3.2.2沿程水头损失计算公式的比较与选用3.2管渠水头损失计算3.2.3局部水头损失计算gvhm22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式中：hm——沿程水头损失，m；ξ——局部阻力系数；局部阻力系数ξ表3.53.2管渠水头损失计算3.2.4水头损失公式的指数形式nffnfmnfqshlaqhlDkqh或或参数海曾-威廉公式曼宁公式k10.67/Cw1.85210.29n2n1.8522.0m4.875.333式中：k、n、m─指数公式的参数。见表3.6；α―比阻，即单位管长的摩阻系数，α=k/Dm；Sf―摩阻系数，Sf=αl=kl/Dm。沿程水头损失计算公式的指数形式：沿程水头损失指数公式的参数表3.63.2管渠水头损失计算3.2.4水头损失公式的指数形式局部水头损失计算公式的指数形式：nmqshmngnfmfmgqsqsshhh)(沿程水头损失与局部水头损失之和：式中：Sm——局部阻力系数；Sg——管道阻力系数；fmgsss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，避免污水逸出，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）管道非满流时，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。在排水管网中，污水管道一般采用非满管流设计，雨水管网一般采用满管流设计，3.3非满流管渠水力计算3.3非满流管渠水力计算图3.1圆形管道非满管流和满管流示意图（a）非满管流；（b）满管流图3.2圆形管道充满度示意图（a)非满管流（b)满管流3.3非满流管渠水力计算非满管流水力计算的目的：确定管段流量(q)、流速(v)、断面尺寸(θ)、充满度(y/D)和坡度之间(I)的关系。1）图表分析法2）解析计算法3.3.1非满管流水力计算公式3.3非满流管渠水力计算设管径为D，管内水深为y，充满度为y/D，由管中心到水面线两端的夹角计算公式：式中，θ的单位为弧度。2/)2cos1(/)21(cos21DyDy或充满度y/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,y)水力半径R=R(D,y)流量212132),(),(132IyDRyDAnIRnAvAq1）图表分析法：设该管道的坡度为I，满管流的湿周、水力半径、过水断面面积、流速和流量分别为χ0、A0、R0、q0和v0，非满管流湿周、水力半径、过水断面面积、流速和流量分别为χ0、A0、R0、q0和v0满管流非满管流比例D02D40DR420DA2132001IRnv213200000IRnAvAqsin4DARsin82DA21321IRnv2132IRnAAvqsin10RR2sin0AA323200sin1RRvv3232320002sinRRAAqq3.3非满流管渠水力计算任意充满度下的水力半径R、过水断面面积A、流量q和流速v与满管流A0、R0、q0和v0的比值关系图图3.3非满流圆管水力特性0AA0qq0vv0RRy/D3.3非满流管渠水力计算2/32/13/83/516.20sinnqID当流量q、管径D、坡度I和粗糙系数n已知时，可以推导得出管中心到水面线两端的夹角隐函数计算式，可以近似设定夹角θ的初值，采用迭代法计算。公式如下：下式可以用于直接计算管道的水力坡度：23/83/53/2sin16.20DnqI注：θ的单位为弧度。2）解析计算法：一、已知流量q、管径D和水力坡度I，求充满度y/D和流速v