管道供水工程

1、管管 道道 供供 水水 工工 程程河北水利電力學(xué)院水利工程系河北水利電力學(xué)院水利工程系王慧王慧內(nèi)容綱要： 管道的定義及分類管道的定義及分類 管道水頭損失的類型及計(jì)算管道水頭損失的類型及計(jì)算 真空現(xiàn)象真空現(xiàn)象 有壓管道中的水擊（水錘）有壓管道中的水擊（水錘） 管道的定義及分類管道的定義及分類一、水流運(yùn)動(dòng)的類型一、水流運(yùn)動(dòng)的類型1、恒定流與非恒定流恒定流與非恒定流若流場(chǎng)中所有空間點(diǎn)上的一切運(yùn)動(dòng)要素都不隨時(shí)間變化，稱為恒定流；否則，稱之為非恒定流。恒定流中，一切運(yùn)動(dòng)要素只是空間位置坐標(biāo)的函數(shù)而與時(shí)間t無關(guān)。若水箱中的水位不恒定，管中各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)要素隨t 變化，為非恒定流；若補(bǔ)水使水箱中的水位恒定，則管

2、中水流可為恒定流。水庫水庫t0時(shí)刻t1時(shí)刻2、均勻流與非均勻流、均勻流與非均勻流流線為相互平行的直線？流線為相互平行的直線？均勻流均勻流非均勻流非均勻流均勻流的流線必為相互平行的直線，而非均勻流的流線要么是曲線，要么是不相互平行的直線。問題：直徑不變的圓管中的水流是均勻流嗎？問題：直徑不變的圓管中的水流是均勻流嗎？（1）均勻流l流線是流速場(chǎng)的矢量線，是指某一瞬時(shí)，在流場(chǎng)中繪出的一條光滑的矢量曲線（或直線），其上所有各點(diǎn)的速度向量都與該線相切。l過水?dāng)嗝媸桥c流線正交的橫斷面，當(dāng)流線互相平行時(shí)，過水?dāng)嗝鏋槠矫?，?dāng)流線互不平行時(shí)，過水?dāng)嗝鏋榍?。?）非均勻流漸變流漸變流急變流急變流是否接近是否接近

3、均勻流均勻流？是是否否l流線雖不平行，但夾角較小流線雖有彎曲，但曲率較小l流線間夾角較大；流線彎曲的曲率較大。l流線是近似平行的直線。l流線是曲線或非常的不平行的直線。流線圖流線圖均勻流均勻流均勻流均勻流非均勻流非均勻流均勻流均勻流非均勻流非均勻流均勻流均勻流非均勻流非均勻流非均勻流非均勻流漸變流漸變流急變流急變流急變流急變流急變流急變流 根據(jù)液流在流動(dòng)過程中有無自由表面，可將其分為有壓流與無壓流。液體沿流程整個(gè)周界都與固體壁面接觸，而無自由表面的流動(dòng)稱為有壓流。它主要依靠壓力作用而流動(dòng)，其過水?dāng)嗝嫔先我庖稽c(diǎn)的動(dòng)水壓強(qiáng)一般與大氣壓強(qiáng)不等。例如，自來水管和水電站的壓力管道中的水流，均為有壓流。3

4、、有壓、有壓流與流與無壓流無壓流 若液體沿流程一部分周界與固體壁面接觸，另一部分與空氣接觸，具有自由表面的流動(dòng)，稱為無壓流。它主要是依靠重力作用而流動(dòng)，因無壓流液面與大氣相通，故又稱為重力流或明渠流。例如，河渠中的水流和未充滿管道斷面中的水流，均為無壓流。有無自由表面有無自由表面 無壓流無壓流有壓流有壓流 自由液面是指直接與外界大氣相接觸的液面，自由液面上各點(diǎn)的相對(duì)壓強(qiáng)為零。自由液面的確定自由液面的確定p0ABh管道有壓管道無壓管道有壓管恒定流非恒定流二、管道的定義及分類二、管道的定義及分類 輸水管道屬于有壓管道。n有壓管道：管道周界上的各點(diǎn)均受到液體壓強(qiáng)的作用。有壓管中的恒定流：有壓管中液體

5、的運(yùn)動(dòng)要素不隨時(shí)間而變。n1.1.簡(jiǎn)單管道和復(fù)雜管道簡(jiǎn)單管道和復(fù)雜管道n 根據(jù)管道的組成情況我們把它分為簡(jiǎn)單管道和復(fù)雜管道。 簡(jiǎn)單管道是指直徑和流量沿流程不變的管道； 復(fù)雜管道是指由兩根以上管道組成的管道系統(tǒng)。復(fù)雜管道又可以分為串聯(lián)管道、并聯(lián)管道、分叉管道和管網(wǎng)。hhhf1fABCDld,dlf2Q,dlQ2Q1HH112221枝狀管網(wǎng)枝狀管網(wǎng) 定義呈樹狀向供水區(qū)延伸，一般是管徑隨所供給用戶的減少而變小。 優(yōu)點(diǎn)長(zhǎng)度短、構(gòu)造簡(jiǎn)單、投資省。 缺點(diǎn)一段管路停水檢修時(shí)，其后續(xù)管路均要斷水。 n環(huán)狀管網(wǎng)環(huán)狀管網(wǎng)是各管段首尾相連形成了若干個(gè)閉合環(huán)形的管網(wǎng)。n優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：從水塔到用戶的水流路線有很多條，任一

6、管段出現(xiàn)問題，其他管路可以進(jìn)行供水補(bǔ)給，供水可靠性高。n缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：管路總長(zhǎng)度較大，管網(wǎng)布局復(fù)雜，造價(jià)高，設(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)雜。一般用于大型給水工程和通風(fēng)系統(tǒng)。環(huán)狀管網(wǎng)環(huán)狀管網(wǎng) n2. 自由出流和淹沒出流自由出流和淹沒出流 n 自由出流自由出流是指管道出口水流流入大氣之中；n 淹沒出流淹沒出流是指管道出口在下游水面以下，被水淹沒。 n3.3.短管和長(zhǎng)管短管和長(zhǎng)管 n 短管短管是指管路中水流的沿程水頭損失和局部水頭損失都不能忽略不計(jì)的管道；n 長(zhǎng)管長(zhǎng)管是指局部水頭損失遠(yuǎn)小于沿程水頭損失，在計(jì)算中可以忽略的管道，只考慮沿程水頭損失。 n需要注意的是：短管和長(zhǎng)管不是完全按管道的長(zhǎng)短來區(qū)分的。將有壓管道按長(zhǎng)管

7、計(jì)算，可以簡(jiǎn)化計(jì)算過程。但在不能判斷局部水頭損失遠(yuǎn)小于沿程水頭損失之前，按短管計(jì)算不會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。 管道水頭損失的類型及計(jì)算管道水頭損失的類型及計(jì)算水頭損失水頭損失沿程水頭損失沿程水頭損失局部水頭損失局部水頭損失邊界不同邊界不同當(dāng)液體作均勻流時(shí)，沿程不變的切應(yīng)力。當(dāng)液體作均勻流時(shí)，沿程不變的切應(yīng)力。沿程阻力沿水流沿程阻力沿水流長(zhǎng)度均勻分布長(zhǎng)度均勻分布 沿程水頭損失形成條件：沿程水頭損失形成條件： 固體邊界沿程不變，發(fā)生均勻流。固體邊界沿程不變，發(fā)生均勻流。 工程中，長(zhǎng)直管道和長(zhǎng)直渠道內(nèi)的液流工程中，長(zhǎng)直管道和長(zhǎng)直渠道內(nèi)的液流沿程阻力沿程阻力:沿程水頭損失沿程水頭損失: 與流程長(zhǎng)度與流程長(zhǎng)度

8、成正比成正比fh一、沿程水頭損失一、沿程水頭損失: 水流克服沿程阻力作功而引起的水流克服沿程阻力作功而引起的水頭損失，水頭損失， 用用 表示。表示。fh二二 、局部水頭損失、局部水頭損失由于固體由于固體邊界急劇改變邊界急劇改變而產(chǎn)生的阻力，而產(chǎn)生的阻力，（主要由漩渦碰撞摩擦造成）（主要由漩渦碰撞摩擦造成） 由局部阻力引起的局部范圍之內(nèi)的能量損由局部阻力引起的局部范圍之內(nèi)的能量損失，用失，用 表示表示 mh局部阻力局部阻力：局部水頭損失：局部水頭損失：局部損失形成條件：局部損失形成條件： 固體邊界急劇改變，形成急變流固體邊界急劇改變，形成急變流水頭損失產(chǎn)生原因水頭損失產(chǎn)生原因 外因：固體邊界影響

9、外因：固體邊界影響內(nèi)因：液體具有粘滯性內(nèi)因：液體具有粘滯性 （決定作用）（決定作用）某一流段的總水頭損失：某一流段的總水頭損失：mfwhhhH123三、沿程損失計(jì)算公式（達(dá)西公式）三、沿程損失計(jì)算公式（達(dá)西公式）沿程阻力系數(shù)沿程阻力系數(shù)斷面濕周斷面濕周過水?dāng)嗝婷娣e過水?dāng)嗝婷娣e水力半徑28gC沿程阻力系數(shù)沿程阻力系數(shù)式中，式中，C C謝才系數(shù)，單位為謝才系數(shù)，單位為m m1/21/2/s/s。謝才系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式：謝才系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式：1 、曼寧公式、曼寧公式2、 巴甫洛夫斯基公式巴甫洛夫斯基公式11yCRn161CRn適用范圍適用范圍:管道及較小渠道，管道及較小渠道，n0.020，R0.5m n粗

10、糙系數(shù)，簡(jiǎn)稱糙率。綜合反映壁面對(duì)水流粗糙系數(shù)，簡(jiǎn)稱糙率。綜合反映壁面對(duì)水流阻滯作用，查規(guī)范或水力學(xué)手冊(cè)。阻滯作用，查規(guī)范或水力學(xué)手冊(cè)。適用范圍；適用范圍；0.1mR3m， 0.011n0.04。 )10. 0(75. 013. 05 . 2nRny四、局部水頭損失的計(jì)算公式四、局部水頭損失的計(jì)算公式 gvhm22局部損失計(jì)算公式局部損失計(jì)算公式局部阻力系數(shù)，查規(guī)范或水力學(xué)手冊(cè)。局部阻力系數(shù)，查規(guī)范或水力學(xué)手冊(cè)。AQvvAvdAudAQAA計(jì)算流量、流速計(jì)算流量、流速能量方程、連續(xù)性方程能量方程、連續(xù)性方程whgvpzgvpz2222222211110012z112z22211AvAvQ 真空現(xiàn)

11、象真空現(xiàn)象絕對(duì)壓強(qiáng)：絕對(duì)壓強(qiáng)：以設(shè)想沒有大氣存在的絕對(duì)真空狀態(tài)作為零點(diǎn)計(jì)量的壓強(qiáng)，用pabs表示。相對(duì)壓強(qiáng)：相對(duì)壓強(qiáng)：以當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)作為零點(diǎn)計(jì)量的壓強(qiáng)用p表示（可正可負(fù)可正可負(fù)）。二者關(guān)系：二者關(guān)系：相差一個(gè)當(dāng)?shù)卮髿鈮簆a。p abs=p+pa 或 p = p abs-pa pa絕對(duì)真空絕對(duì)真空絕對(duì)壓強(qiáng)相對(duì)壓強(qiáng)一、一、 絕對(duì)壓強(qiáng)、相對(duì)壓強(qiáng)、真空值、真空度絕對(duì)壓強(qiáng)、相對(duì)壓強(qiáng)、真空值、真空度真空值：真空值：真空程度大小的度量，即該點(diǎn)絕對(duì)壓強(qiáng)小于當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)pa 的數(shù)值，用 pv 表示。absavppp真空：真空：液體中某點(diǎn)的絕對(duì)壓強(qiáng)小于小于當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)時(shí)，稱該點(diǎn)存在真空。真空也稱負(fù)壓。pa絕對(duì)真空

12、pabspv 0abspmhv10時(shí)，達(dá)到理論最大真空度，時(shí)，達(dá)到理論最大真空度，此時(shí)的真空稱為完全真空，完全真空不會(huì)存在。此時(shí)的真空稱為完全真空，完全真空不會(huì)存在。答：當(dāng)答：當(dāng)思考：真空度理論最大值為多大？真空度真空度：真空值的液柱高表示,即AphA點(diǎn)的絕對(duì)壓強(qiáng) A點(diǎn)的相對(duì)壓強(qiáng) 實(shí)際工程中，建筑物多暴露于大氣實(shí)際工程中，建筑物多暴露于大氣，如無如無特殊說明，后面所討論壓強(qiáng)均為特殊說明，后面所討論壓強(qiáng)均為相對(duì)壓強(qiáng)。hppaAabshA敞口容器壓強(qiáng)計(jì)算敞口容器壓強(qiáng)計(jì)算10rhppA10hppAabs若p0為相對(duì)壓強(qiáng)若p0為絕對(duì)壓強(qiáng)P0pah1AaAabsprhpp10aAphpp10A點(diǎn)相對(duì)壓強(qiáng)

13、A點(diǎn)絕對(duì)壓強(qiáng)A點(diǎn)相對(duì)壓強(qiáng)A點(diǎn)絕對(duì)壓強(qiáng)密閉容器壓強(qiáng)計(jì)算密閉容器壓強(qiáng)計(jì)算二、管道中存在的真空現(xiàn)象二、管道中存在的真空現(xiàn)象1.虹吸管 虹吸管是一種壓力輸水管道，頂部彎曲且其高程虹吸管是一種壓力輸水管道，頂部彎曲且其高程高于上游供水水面。在虹吸管內(nèi)造成真空，使水流則高于上游供水水面。在虹吸管內(nèi)造成真空，使水流則能通過虹吸管最高處引向其他處。能通過虹吸管最高處引向其他處。 虹吸管的優(yōu)點(diǎn)在于能跨越高地，減少挖方。虹吸管的優(yōu)點(diǎn)在于能跨越高地，減少挖方。 虹吸管長(zhǎng)度一般不長(zhǎng)，故按照短管計(jì)算。虹吸管長(zhǎng)度一般不長(zhǎng)，故按照短管計(jì)算。pa1122zzs虹吸管頂部虹吸管頂部 虹吸管頂部的真空的理論值不能大于最大真空值（

14、10mH2O）。 當(dāng)虹吸管內(nèi)壓強(qiáng)接近該溫度下的汽化壓強(qiáng)時(shí)，液體將產(chǎn)生汽化，破壞水流連續(xù)性，可能產(chǎn)生空蝕破壞，故一般虹吸管中的真空值78mH O。 2水泵的水力計(jì)算：水泵的水力計(jì)算：吸水管和壓力水管 吸水管: 短管 壓力水管:長(zhǎng)管2.水泵工作原理：工作原理：首先向渦室灌水，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，首先向渦室灌水，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，由于離心力作用，水被拋出去進(jìn)入壓水管，室內(nèi)空由于離心力作用，水被拋出去進(jìn)入壓水管，室內(nèi)空氣隨之帶走，使水泵進(jìn)口處形成真空，氣隨之帶走，使水泵進(jìn)口處形成真空，使水流在池使水流在池面大氣壓強(qiáng)的作用下沿吸水管上升，面大氣壓強(qiáng)的作用下沿吸水管上升，通過吸水管將通過吸水管將水吸進(jìn)渦

15、室。水吸進(jìn)渦室。流經(jīng)水泵時(shí)從水泵獲得新的能量，進(jìn)流經(jīng)水泵時(shí)從水泵獲得新的能量，進(jìn)入壓力管，再流入水塔。入壓力管，再流入水塔。 圖中陰影部分為真空區(qū)。當(dāng)管內(nèi)存在較大的負(fù)壓時(shí)，其水流處于不穩(wěn)定狀態(tài)，且有可能產(chǎn)生空蝕破壞，因此應(yīng)采用必要措施改變管內(nèi)的受壓情況。較有效的方法就是降低管線的高度，以提高管道中的壓強(qiáng)，避免管道中產(chǎn)生負(fù)壓。3 3、調(diào)整管道布置避免產(chǎn)生負(fù)壓、調(diào)整管道布置避免產(chǎn)生負(fù)壓 有壓管道中的水擊（水錘）有壓管道中的水擊（水錘） 水擊是有壓管道中的非恒定流現(xiàn)象。水擊是有壓管道中的非恒定流現(xiàn)象。在壓力管道中，由于液體流速的急劇改變，從而造成瞬時(shí)壓力顯著、反復(fù)、迅速變化的現(xiàn)象，稱為水擊，也稱水錘

16、。 當(dāng)壓力管道上閥門突然關(guān)閉或水輪機(jī)、水泵突然停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，管中流速迅速減小，壓強(qiáng)急劇升高，這種以壓強(qiáng)急劇升高為特征的水擊，稱為正水擊。正水擊的破壞性很大。 當(dāng)壓力管道上閥門突然打開時(shí)，管中流速迅速加大，壓強(qiáng)急劇減小，這種以壓強(qiáng)急劇降低為特征的一、一、水擊的定義在壓力管道中發(fā)生水擊現(xiàn)象的原因通常有以下幾種情況：（1）因閥門急速開啟而引起水擊。在這種情況下，若管路內(nèi)有氣囊，則會(huì)增強(qiáng)水擊作用，一般在向管路充水時(shí)引起此類水擊事故的情況較多。二、二、水擊現(xiàn)象產(chǎn)生的原因水擊，稱為負(fù)水擊。負(fù)水擊時(shí)的壓強(qiáng)降低，可能使管中發(fā)生不利的真空。（2）水泵緊急啟動(dòng)、緊急停車，使出口壓力產(chǎn)生急變時(shí)容易引起水擊。（3）沿管

17、流來的細(xì)桿等異物擋在閥門上而使閥門突然閉塞時(shí)。（4）急速關(guān)閉球形閥、給水栓等亦會(huì)發(fā)生水擊。 因此，水擊現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是由于管道內(nèi)因此，水擊現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是由于管道內(nèi)水體流速的水體流速的改變改變，導(dǎo)致水體的動(dòng)量發(fā)生急劇改變而引起作用力，導(dǎo)致水體的動(dòng)量發(fā)生急劇改變而引起作用力變化的結(jié)果。變化的結(jié)果。 水擊現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，壓力升高值可能為正常壓力的好多倍，使管壁材料承受很大應(yīng)力；壓力的反復(fù)變化，會(huì)引起管道和設(shè)備的振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成管道、管道附件及設(shè)備的損壞。 水擊具有破壞性1、開關(guān)閥門過快引起的水錘（1） 延長(zhǎng)開閥和關(guān)閥時(shí)間。（2） 離心泵和混凝泵應(yīng)在閥門半閉15%-30%時(shí)而不是全關(guān)時(shí)停泵。2、泵引起的水錘（

18、1） 排除管道內(nèi)的空氣，使管道內(nèi)充滿水后再開啟水泵，凡是長(zhǎng)距離輸水管道的高起部位都應(yīng)設(shè)自動(dòng)排氣閥。三、三、水擊（水錘）的類型（2） 停泵水錘主要因出水管止回閥關(guān)閉過快引起，因此，取消止回閥可以消除停水泵水錘的危害，并且可以減少水頭損失，節(jié)約電耗；目前經(jīng)過一些大城市的實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為一級(jí)泵房可以取消，二級(jí)泵房不宜取消；取消止回閥時(shí)應(yīng)進(jìn)行停水錘壓力計(jì)算，為減少和消除水錘，目前常在大口徑管道上安裝微阻緩閉止回閥。采用緩沖止回閥、微閉蝶閥安裝在大口徑的水泵出水管上，可有效的消除停泵水錘，但因閥門動(dòng)作時(shí)有一定的水量倒流，吸水井須有溢流管。緊靠止回閥并在其下游安裝水錘消除器。 防止水擊危害一般采取以下幾種措施：（1）安裝水擊消除閥。 消除閥安裝在管道上，當(dāng)產(chǎn)生水擊時(shí)，壓力達(dá)到一定數(shù)值，則閥門自動(dòng)打開，將一部分水從管道中放出，以達(dá)到降低水