管段流量管径和水头损失第05章

1第五章管段流量、管径和水头损失2第五章管段流量、管径和水头损失管网的正确设计和经济计算在给水工程的设计中是很重要。因为管网的造价占总造价的50～80%，输配水所需的动力费用占给水系统运行总费用的40％～70%。在有关管网的计算中常会涉及到三类课题：一、设计课题在管网定线后：Q时→Q节→Q分（管段）→D→h→Hp（Ht）也就是按昀高用水时的流量求出各节点流量，进行流量的分配，求出管段流量；再根据所要求的管内流速，求出管径，而求出水头损失，然后根据控制点的位置，求出Hp，Ht。5.1管网计算的课题3二、设计核算课题在管径确定后：Q时→Q节→Q’分（管段）→h’→Hp’目的在于确定其他情况下的管网水头损失大小。校核按昀高用水时选出的泵扬程能否满足需要。实际上，这两类课题并不是完全分开的。三、改扩建优化课题Hp→ξ旧→h→p节→Q增→D新→Hp’第五章管段流量、管径和水头损失45.2沿线流量和节点流量一、沿线流量1、干管的配水情况描述工业企业内部的管网，用水集中在少数几个车间，且车间的用水量较大，所以配水情况比较简单、明确。但是在城镇的干管上，承接各种用户。沿线配水，供给学校、工厂、机关等大用户，也给小用户，配水情况较复杂。干管的这种复杂的配水情况是通过分配管实现的。第五章管段流量、管径和水头损失52、用户情况：¾分散用水户：（居民）这些用户用水量逐时变化，位置不定，沿线分布；¾集中用水户：（工厂）这些用户用水量逐时不变，位置已知，集中出流；3、影响因素：¾管网构造的复杂性¾干管配水特性不均匀性——管网同时向各种用户配水不确定性——配水点的差异，配水量的差异¾干管服务对象的划分分散型；集中型¾水力条件的改变第五章管段流量、管径和水头损失64、比流量虽然已把较复杂的用配水情况分成分散、集中两类，可是按这样的分配情况是很难计算管网的，也是不必要的，原因是：用水量经常变化；出流位置也不固定，即使固定，其间距又不均匀。因此，实际在管网进行设计计算时，往往加以简化：假定用水量均匀分布在全部干管上，据此算出的单位长度管线的流量，称为比流量。第五章管段流量、管径和水头损失75、比流量计算及意义Q——管网总用水量∑q——大用户集中用水量之和∑L——干管总长度（m），是实际配水长度。不计配水区，如单侧配水，计长度的二分之一。意义：配水的均匀化——分散型用户用水状态的统一；反映干管的实际负荷，∑L为配水实际长度。)/(米秒升∑∑−=LqQqs第五章管段流量、管径和水头损失8qs的影响因素A、用水量的变化（），各时刻的qs不同，须分别计算B、用水量标准，如各区房屋内卫生设备情况不同，应分别求qs（标准不同）z注意Q总包括未预见水量∑−qQ第五章管段流量、管径和水头损失96、qs的补充只根据管长求沿线流量，而忽视了沿线用水量多少和供水人数的差别。显然，同长度管段，它的服务面积不同，配水情况是不同的，是不均匀的。所以提出一种计算方法：用∑A代替∑L（∑A供水区总面积）第五章管段流量、管径和水头损失107、沿线流量的求定干管有效长度与比流量的乘积，为沿线流量。ql=qsL（升/秒）ql是沿线均匀的流量Q总=∑ql+∑q（升/秒）引入比流量是把原来分散的配水情况变成均匀分布。第五章管段流量、管径和水头损失11二、节点流量按照用水量在干管上均匀分配的假定求出沿线流量。但是，这种根据qs求出的ql还是变化的（均匀），不便求出管径和水头损失。必须将沿线流量化成节点流出的流量，也就是在一管段上的沿线流量，让其在两端流出，中途不流出，这样管段中的流量不再沿管线变化了。1、沿线流量的水头损失计算第五章管段流量、管径和水头损失12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。这两部分流量，转输流量在该管段内是沿程不变的，而该管段的沿线流量则因管段沿线配水逐渐减小到该管段末端为零，只剩下转输流量。tlqq+tqlqqsl⋅=第五章管段流量、管径和水头损失13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。沿线流量转换成节点流量的原则是管段的水头损失相同。tlqq+tqlq⋅α()lq⋅−α1第五章管段流量、管径和水头损失14tlqq+tqxdxL⎟⎠⎞⎜⎝⎛−+=−+=LxLqLxLqqqlltxγnnlnxLxLqdxaqdxadh⎟⎠⎞⎜⎝⎛−+⋅⋅=⋅⋅=γlaQSQalQhnnn===Lqnahnnnl])1[(111++−++=∴γγ这是通过该管段变化流量qx引起的水头损失。式中第五章管段流量、管径和水头损失152、折算流量的水头损失计算现在要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由沿线变化的流量qx引起的水头损失。设折算流量为q=qt+αqlα——折算系数，用来把沿线流量折算成在管段两端节点出流的流量，即节点流量。q产生的水头损失令（供水压力满足用水均匀配水要求；工程意义）'hh=γγγαγγαγγγαγαγγγ−−++=−++=+−++=++=−++++++++++nnnnnnnnnnnlnnnlnnnLaqLqn])1[(11])1[(11])1[(11)()(])1[(111111111annlnaLqaLqh)('αγ+==ltqq=γ第五章管段流量、管径和水头损失16一般，n=2可见α只与有关管网末端：管网首端：在计算中取ltqq=γ577.031,0,0====αγtq5.0,⇒≥≥αltqq5.0=α∑=∴lqq21节γγγαγγγγγγγα−++=∴+++=+−−+=31133)1(])1[(31223333Θ第五章管段流量、管径和水头损失173、α的意义α的工程意义——将沿线流量折半作为管段两端的节点流量。在解决工程实际问题时，已足够精确。任意点的节点流量等于与该点相连的管段的沿线流量总和的一半。对于工厂等集中流量在设计计算时，可直接加在节点上。到此为止，把干管配水的用户的流量，全部集中在节点上，这一过程是经过两步化简：第一步：杂乱分散——均匀分散第二步：均匀分散——节点出流所以，对管网来讲，节点数的多少对计算精度（与实际符合）有影响。第五章管段流量、管径和水头损失18三、管网计算节点的选定那么节点的位置如何确定：干管与连接管交点，变径点，大用户点，500～800m点，在求沿线流量时确定L管段长，两节点间距。节点的意义：计算方便；可反映计算的精确度。第五章管段流量、管径和水头损失195.3流量分配求出节点流量以后，可引进流量分配，其目的是为了确定各管段中的流量，据此选出管径，进行水力计算。这是管网计算中的一个重要环节。进行管网的流量分配，是根据已求出节点流量将管网中的供水量分配到各管段上，即求出所谓管段流量。某一管段流量包括该管段的沿线流量和后续管段的转输流量。‹区分：比流量、沿线流量、节点流量、管段流量第五章管段流量、管径和水头损失20一、树状管网的流量分配因为在树状管网中，从水源到控制点，只有一个可循的方向供水，因此各管段的流量等于该管段以后（顺水流方向）所有节点流量之和。管段1—2所以，树状管网的流量分配具有唯一性∑=−=5121iqQ第五章管段流量、管径和水头损失21二、环状管网的流量分配1、节点流量连续性方程对节点而言，流向节点和流出节点的流量相等。设定流向节点的流量为负号，流出节点的流量为正好。∑Q=02、流量分配特点以1节点为例：、固定，而有多种组合，等式成立所以，环状管网的流量分配不具有唯一性。041211=++−−−qqQQ41211−−+=−qqQQ1QQ−4121,−−qq第五章管段流量、管径和水头损失223、流量分配合理性问题已经由上面得出每一管段的流量分配是不唯一的，可以有多种分法。显然，每种分法就对应有每种管径。管径不同，对于总长度相同的管道来说，造价是不一样的。因此，环状网的流量分配直接影响管网工程的造价。而且往往造价问题和供水的安全性（可靠性）是矛盾的。如若将管段1-2分配很大的流量，而将管段1-4分配很小的流量，这样造价可能会低些。但是一旦管段1-2损坏，需要检修时，管段1-4的管径过小，负荷过重，可造成大面积给水区水量、水压下降，低于允许值。因此应从安全性和经济性两方面考虑。对环状网没有昀经济的流量分配，只有分配流量后才可得出经济管径。合理性是指在保证管网供水的可靠性的前提下，进行流量分配。第五章管段流量、管径和水头损失234、流量分配的步骤因为环状管网的管段流量有不唯一性，所以有多组流量分配方案，在考虑供水的安全性前提下，进行相对经济的流量分配。A、假定整个管网的主导水流方向，据此拟定各管段的流向，从水源到用户（基础资料：控制点和大用户的位置）B、拟定出干管和连接管段C、根据连续性方程，分配干管的流量大致均匀，连接管内流量供两侧用户D、具有供水分界线的管网，在分界线上的节点（管段）应是双水源提供流量第五章管段流量、管径和水头损失245.4管径确定一、管径确定的基本公式确定管网中每一管段的直径是输水和配水系统设计计算的主要课题之一。管段的直径应按分配后的流量确定。管段的管径按下式计算：式中D——管段直径，m；q——管段流量，m3／s；v——流速，m／s。Q一定，v↑——D↓——C（造价）↓——h↑——M电↑v↓——D↑——C（造价）↑——h↓——M电↓在各管段流量已知的条件下，选定相应的流速，方可确定管径。vQDπ4=第五章管段流量、管径和水头损失25二、影响管径确定的因素1、经济流速的概念流速的选择影响到管网造价和电耗两个因素。也就是应使管网造价和电耗都昀小为宜。经济流速——在一定年限内（投资偿还期），使得管网造价和管理费（电费）之和的年折算值为昀小值的流速。各地经济流速不同，因为Wt中参数因地而异。管径（mm）平均经济流速（m/s）D=100～400D≥4000.6～0.90.9～1.4第五章管段流量、管径和水头损失262、工程造价和运行管理费设造价为C管理费为M=M1+M2M1电耗，M2大修费M2=PC/100（P——大修折旧率）总费用：影响经济流速的因素：工程投资，材料差价，电费等。各地均有各自的经济流速。原水v≥0.6m/s，高：v＜2.5～3m/s用v经可以求得D经，D经要符合标准管径。以上为水泵供水，管径确定方法。对重力输水：应根据控制点和起点的水为差求D，充分利用起点水头。第五章管段流量、管径和水头损失275.5水头损失计算在管网计算中，主要考虑沿管线长度的水头损失，配件和附件如弯管、渐缩管和阀门等的局部水头损失，因和沿管线长度的水头损失相比很小，通常忽略不计，产生的误差极小。流量和水头损失的关系：一、给水管的水流流态1、阻力平方区，此时比阻α值仅和管径及管内壁粗糙度有关，而和Re数无关，例如旧铸铁管和旧钢管在流速v≥1.2m／s时或金属管内壁无特殊防腐措施时，就属于这种情况；2、过渡区，此时，比阻α值和管径、水管内壁粗糙度以及Re数有关，例如旧铸铁管和旧钢管在流速v＜1.2m／s时，以及石棉水泥管在各种流速时的情况；3、水力光滑区，此时比阻α值和管径及Re数有关，但和水管内壁粗糙度无关，例如应用塑料管和玻璃管时。2252282aLQLQgDgVdLHHhjiij===−=πλλ第五章管段流量、管径和水头损失28二、常用的水头损失公式1、舍维列夫公式（旧铸铁管、旧钢管）2、巴甫洛夫斯基公式第五章管段流量、管径和水头损失293、海曾—威廉公式4、柯尔勃洛克公式第五章管段流量、管径和水头损失305.6管网的稳定流方程组管网计算目的在于求出各水源节点(如泵站、水塔等)的供水量、各管段中的流量和管径以及全部节点的水压。首先分析环状网水力计算的条件。对于任何环状网，管段数P、节点数(包括泵站、水塔等水源节点)J和环数L之间存在下列关系：P=J+L-1在管网计算时，一般已知：节点流量、管段长度，管径要求管段流量，也就是要求出各管段的实际流量。有P根管段，就有P个未知数，需要有J+L-1个方程，才可求解，本节介绍一些