第三章 给水排水管道系统水力计算基础 [自动保存的]

第3章给水排水管网水力学基础3.1给排水管网水流特征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：渐变流流线虽不平行，但夹角较小；流线虽有弯曲，但曲率较小。急变流流线间夹角较大；流线弯曲的曲率较大。是否是否接近均匀流？有无自由表面有压流无压流（三）有压流、无压流、射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：控制流动的规律•能量守恒•质量守恒7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恒定总流的能量方程总流是无数元流的累加恒定总流恒定元流dQhgupzdQgupz)2()2(22222111QQQQQdQhdQgudQpzdQgudQpz2)(2)(22222111解决测压管水头的积分寻求平均测压管水头均匀流或渐变流过水断面上测压管水头为常数。QpzdQpzdQpzQQ)()()(用断面平均流速v代替实际流速u，解决流速水头的积分gvguQ2222动水压强的分布规律均匀流或渐变流同一过水断面上测压管水头是常数。31OO1232pzCpz恒定总流的能量方程恒定总流QQQQQdQhdQgudQpzdQgudQpz2)(2)(22222111gvQdQguQ2222QpzdQpzQ)()(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）水流运动的两种流态一、雷诺（O.Reynolds)试验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。层流（Laminarflow）液体质点在沿管轴方向运动过程中互相混掺，作无序紊乱运动。紊流（Turbulentflow)雷诺实验表明：水流流动型态不同，沿程水头损失的规律也不相同。水头损失就等于测压管水面高差)2()2(2222221111gvpzgvpzhf)()(2211pzpz体积法测流量tVQ确定断面平均速度42dQv层流向紊流进行：EDCBAkv：上临界流速kv：下临界流速紊流向层流进行：ABDEvmkhflglglgmfkvhAB段，层流,KVV1,4501mDE段，紊流,'KVV0.2~75.1,43.63~25.60002m二、层流和紊流的判别雷诺数：管流）(Revd（明渠流）RevR临界流速？二、水流型态的判别上临界临界雷诺数下临界临界雷诺数2320Rek500Rek明渠流下临界雷诺数：管流下临界雷诺数：判别条件：，为层流；kReRe，为紊流；kReRe•计算：设宿舍管道直径10cm，3分钟接满1桶水，试问管道中的流动是层流还是紊流？21计算题例1某管道直径d=50mm，通过温度为10℃燃料油，燃油的运动粘滞系数υ=5.16×10-6m2/s，试求保持层流状态的最大流量Qmax。解：根据保持层流状态的最大来雷诺数确定对应的流速sLAVsmdVkkk/471.024.005.0785.0Q/24.005.01016.52320Re2max6233.1给排水管网水流特征流考虑）（给排水管网一般按紊紊流：过渡流层流：流态4000Re4000Re2000:2000Re.1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243．1．2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251．压力流：hf与n、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＋v2/2ggvgvPZ2,222忽略26圆管满流，沿程水头损失也可以用达西公式表示：228)(2CgmgvDlhf＝－沿程阻力系数，式中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：1．舍维列夫公式27适用：旧铸铁管和旧钢管满管紊流，水温10C0（给水管道计算）1.2m/sv867.010.001824g1.2m/svD0.00214g3.03.00.3vD2．海曾－威廉公式281.2m/sv867.010.000912v1.2m/svD0.00107v3.03.121.32lvDlhf适用：较光滑圆管满流紊流（给水管道）－海曾－威廉粗糙系数－流量，式中＝wwCsmqqCgD/16.133148.0852.113.03．柯尔勃洛克－怀特公式29lDCqhwf87.4852.1852.167.10＝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＝－30875.0875.02Re462.47.3lg21Re462.48.14lg71.17;/4ReReDeReCmesmvDvR＝－或＝－直接计算的形式：便于应用，可以简化为但此式需迭代计算，不，由实验确定。－管壁当量粗糙度，水动力粘度系数，是与水温有关的，其中＝－雷诺数，式中4.巴甫洛夫斯基公式lRvnhnnRnynRCyBfBBBBy1222)10.0(75.013.05.2系数。巴甫洛夫斯基公式粗糙式中＝31适用：明渠流、非满流排水管道5．曼宁公式32曼宁公式是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。lDqnhlRvnhnnnRCMfMfBMM333.522333.122629.10或相同。甫洛夫斯基公式－曼宁粗糙系数，与巴式中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。33作业1：绘制摩迪图要求：1.对数坐标2.相对粗糙度分别为0.0001,0.001,0.01,0.053.Re从1到1e8，4.加入层流时的结果圆管满流水力计算•例：当流量q=14L/s,管长为3500m,钢管直径DN=175mm,求水头损失。•舍维列夫公式•计算流速：v:0.596m/s•计算水头损失：hf=λv^2/(2g)l/d=11.4m35圆管满流水力计算•例：当流量q=14L/s,管长为3500m,钢管直径DN=175mm,求水头损失。•海曾威廉公式：Cw0=120,cw=(0.9/0.6)^0.081*cw0=124•计算水头损失：hf=9.43m36圆管满流水力计算•例：当流量q=14L/s,管长为3500m,钢管直径DN=175mm,求水头损失。•colebrook公式：•λ用迭代法求解Re=0.59*0.175/1e-6•计算水头损失：hf=λv^2/(2g)l/d=13.29m37圆管满流水力计算•例：当流量q=14L/s,管长为3500m,钢管直径DN=175mm,求水头损失。•曼宁公式：n=0.013•计算水头损失：hf=n^2v^2l/R^1.33=13.6m38圆管满流水力计算•例：当流量q=14L/s,管长为3500m,钢管直径DN=175mm,求水头损失。•巴普洛夫：n=0.013•计算y：y=2.5\n-9.13-0.75\r(\n-0.1)•计算水头损失：hf=n^2v^2l/R^(2y+1)=12.499m39圆管满流水力计算•当流量q=7l/s,求DN=150mm,管长为2000m的铸铁的水头损失。•参考答案：4.93m40圆管满流水力计算•已知流量Q=15L/s,求管长2000m,直径200mm,水头损失以及平均水流速度。•参考答案：3.6m0.57m/s41作业2•P68，习题1423．2．3局部水头损失计算43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44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：45nmmqsh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。3．3非满流管渠水力计算46水力计算目的：确定之间的水力关系。、、、、iDhDvq3．3．1非满流管渠水力计算公式1．非满流管渠水力计算公式)21(cos2)1()21(4/)1()21(2)21(cos4/1212DhDhDhDhDDDhDRRDhDhDhDDhDDhDAA）＝，（）＝，（＝476/11RnCRICvM曼宁公式谢才公式常用的均匀流基本公式有：vQ21321IRnv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（见表）。hD图9.2充满度示意图管渠类别粗糙系数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）0.025～0.03048排水管渠粗糙系数表――非满流管渠水力计算基本公式492132213221322132h/D)I(D,h/D)(D,1I1qh/D)I(D,1I1RAnARnRnRnvMMMMv、q、D、h/D、I五个变量，已知三个，求另两个。50简化：水力计算表，按两个公式制成图表。简单，精度较差，且只适用于一种管材。借助满流水力计算公式并通过一定的比例变换进行计算。假设一条满流管渠与待计算的非满流管渠具有相同的D和I，满流时，2/13/22/13/2211441IRnvIRAnqDRDAoMoooMooo51)()()()()1()21(2)21(cos1)()