第3章給水管網(wǎng)水力計(jì)算基礎(chǔ)課件

1、第三章第三章 給水管網(wǎng)水力學(xué)基礎(chǔ)給水管網(wǎng)水力學(xué)基礎(chǔ)第第3章章 給水管網(wǎng)水力學(xué)基礎(chǔ)給水管網(wǎng)水力學(xué)基礎(chǔ) 3.1給水管網(wǎng)水流特征 3.2管渠水頭損失計(jì)算 3.3給水系統(tǒng)的水壓關(guān)系（補(bǔ)充） 3.4管道的水力等效簡化 3.5給水管網(wǎng)模型3.1 給水管網(wǎng)水流特征給水管網(wǎng)水流特征3.1.1管網(wǎng)中的流態(tài)分析管網(wǎng)中的流態(tài)分析流態(tài)特征流態(tài)特征水的三種流態(tài)：水的三種流態(tài)： 層流層流 Re4000 過渡流過渡流 20004000給水排水管網(wǎng)水流一般處在給水排水管網(wǎng)水流一般處在紊流流態(tài)紊流流態(tài)紊流流態(tài)分為三個(gè)阻力特征區(qū)：紊流流態(tài)分為三個(gè)阻力特征區(qū)： 阻力平方區(qū)阻力平方區(qū) 水頭損失與流速平方成正比水頭損失與流速平方成正比

2、 過渡區(qū)過渡區(qū) 水頭損失和流速水頭損失和流速1.752次方成正比次方成正比 水力光滑管區(qū)水力光滑管區(qū) 水頭損失和流速水頭損失和流速1.75次方成正比次方成正比給水排水管網(wǎng)水流一般處在給水排水管網(wǎng)水流一般處在阻力平方區(qū)和過渡區(qū)阻力平方區(qū)和過渡區(qū)3.1.2恒定流與非恒定流恒定流與非恒定流 給水排水管網(wǎng)中，給水排水管網(wǎng)中，水流水力因素隨時(shí)間變化水流水力因素隨時(shí)間變化，屬，屬于非恒定流，水力計(jì)算復(fù)雜。于非恒定流，水力計(jì)算復(fù)雜。 在設(shè)計(jì)時(shí)一般只能按恒定流計(jì)算。在設(shè)計(jì)時(shí)一般只能按恒定流計(jì)算。 3.1.3均勻流與非均勻流均勻流與非均勻流 非均勻流：非均勻流：水流參數(shù)隨空間變化水流參數(shù)隨空間變化。 滿管流動滿

3、管流動 1）如果管道截面在一段距離內(nèi)不變且不發(fā)生轉(zhuǎn)）如果管道截面在一段距離內(nèi)不變且不發(fā)生轉(zhuǎn)彎，為均勻流，管道對水流阻力沿程不變，采用彎，為均勻流，管道對水流阻力沿程不變，采用沿程水頭損失公式沿程水頭損失公式計(jì)算；計(jì)算； 2）當(dāng)管道在局部分叉、轉(zhuǎn)彎與變截面時(shí)，流動）當(dāng)管道在局部分叉、轉(zhuǎn)彎與變截面時(shí)，流動為非均勻流，采用為非均勻流，采用局部水頭損失公式局部水頭損失公式計(jì)算。計(jì)算。 非滿管流或渠流，只要長距離截面不變，可以近非滿管流或渠流，只要長距離截面不變，可以近似為均勻流。似為均勻流。3.1.4 壓力流與重力流壓力流與重力流 壓力流壓力流輸水通過封閉的管道進(jìn)行，水流阻力主要輸水通過封閉的管道進(jìn)行

4、，水流阻力主要依靠水的壓能克服，依靠水的壓能克服，阻力大小只與管道內(nèi)壁粗糙阻力大小只與管道內(nèi)壁粗糙程度有關(guān)、管道長度和流速有關(guān)，與管道埋設(shè)深程度有關(guān)、管道長度和流速有關(guān)，與管道埋設(shè)深度和坡度無關(guān)度和坡度無關(guān)。 重力流重力流管渠中水面與大氣相通，非滿流，水流阻管渠中水面與大氣相通，非滿流，水流阻力依靠水的位能克服，形成水面沿水流方向降低。力依靠水的位能克服，形成水面沿水流方向降低。 給水多壓力流，排水多重力流；給水多壓力流，排水多重力流； 長距離輸水重力流，排水泵站出水管、倒虹管壓長距離輸水重力流，排水泵站出水管、倒虹管壓力流。力流。 3.1.5水流的水頭與水頭損失水流的水頭與水頭損失 水頭：單

5、位重量的流體所具有的機(jī)械能，水頭：單位重量的流體所具有的機(jī)械能，用用h或或H表示，單位米水柱表示，單位米水柱(mH2O)。 位置水頭位置水頭Z 壓力水頭壓力水頭P/r 測壓管水頭測壓管水頭 流速水頭流速水頭v2/2g3.2 管渠水頭損失管渠水頭損失 流體克服流動阻力所消耗的機(jī)械能稱為水流體克服流動阻力所消耗的機(jī)械能稱為水頭損失。頭損失。 當(dāng)流體受固定邊界限制做均勻流動時(shí)，流當(dāng)流體受固定邊界限制做均勻流動時(shí)，流動阻力中只有沿程不變的切應(yīng)力，稱為沿動阻力中只有沿程不變的切應(yīng)力，稱為沿程阻力。由沿程阻力引起的水頭損失成為程阻力。由沿程阻力引起的水頭損失成為沿程水頭損失。沿程水頭損失。 當(dāng)流體的固定邊

6、界發(fā)生突然變化，引起流當(dāng)流體的固定邊界發(fā)生突然變化，引起流速分布或方向發(fā)生變化，從而集中發(fā)生在速分布或方向發(fā)生變化，從而集中發(fā)生在較短范圍的阻力稱為局部阻力。由局部阻較短范圍的阻力稱為局部阻力。由局部阻力引起的水頭損失成為力引起的水頭損失成為局部水頭損失局部水頭損失。3.2 管渠水頭損失計(jì)算管渠水頭損失計(jì)算謝才公式謝才公式hf沿程水頭損失，沿程水頭損失，m；v過水?dāng)嗝嫫骄魉?，過水?dāng)嗝嫫骄魉?，m/s；C謝才系數(shù)；謝才系數(shù)；R過水?dāng)嗝嫠Π霃?，過水?dāng)嗝嫠Π霃?，m，圓管流，圓管流R=0.25D；l管渠長度，管渠長度，m。lRCvhf223.2.1 沿程水頭損失計(jì)算沿程水頭損失計(jì)算沿程水頭損失計(jì)

7、算沿程水頭損失計(jì)算對于圓管滿流，對于圓管滿流，達(dá)西公式達(dá)西公式：D管段直徑，管段直徑，m；g 重力加速度，重力加速度，m/s 2；沿程阻力系數(shù)，沿程阻力系數(shù)， =8g/C2gvDlhf22謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)的確定謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)的確定（1）舍維列夫公式）舍維列夫公式 適用于舊鑄鐵管和舊鋼管滿管紊流適用于舊鑄鐵管和舊鋼管滿管紊流，水溫，水溫10度，度，常用于給水管道水力計(jì)算。常用于給水管道水力計(jì)算。smvvDsmvDg/2 . 1)867. 01 (001824. 0/2 . 100214. 03 . 03 . 03 . 0謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)的確定謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)的確定（2）

8、海曾）海曾-威廉公式威廉公式 適用于較光滑的圓管滿流管紊流計(jì)算適用于較光滑的圓管滿流管紊流計(jì)算，主要，主要用于給水管道水力計(jì)算。用于給水管道水力計(jì)算。 q流量，流量，m3/s； Cw海曾海曾-威廉粗糙系數(shù)。威廉粗糙系數(shù)。148. 0852. 113. 016.13qCgDw謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)的確定謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)的確定（3）柯爾勃洛克）柯爾勃洛克-懷特公式懷特公式 適用于各種紊流，是適用性和計(jì)算精度最高適用于各種紊流，是適用性和計(jì)算精度最高的公式之一的公式之一。 e 管壁當(dāng)量粗糙度，管壁當(dāng)量粗糙度，m。)Re462. 47D. 3e(2lg1)Re462. 48 .14lg(71.1

9、7875. 0875. 0或ReC謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)的確定謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)的確定（4）巴甫洛夫斯基公式）巴甫洛夫斯基公式 適用于明渠流和非滿流排水管道計(jì)算適用于明渠流和非滿流排水管道計(jì)算。系數(shù)巴甫洛夫斯基公式粗糙式中BBBn) 1 . 0n(R75. 013. 0n5 . 2yBynRC謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)的確定謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)的確定（5）曼寧公式）曼寧公式 巴甫洛夫斯基公式中巴甫洛夫斯基公式中y=1/6時(shí)的特例，適用于時(shí)的特例，適用于明渠或較粗糙的管道計(jì)算。明渠或較粗糙的管道計(jì)算。 nM曼寧公式粗糙系數(shù)。曼寧公式粗糙系數(shù)。MnRC63.2.2沿程水頭損失計(jì)算公式的比較與選用

10、沿程水頭損失計(jì)算公式的比較與選用 柯爾勃洛克柯爾勃洛克-懷特公式懷特公式具有較高的精度具有較高的精度; 巴甫洛夫斯基公式巴甫洛夫斯基公式具有較寬的適用范圍，具有較寬的適用范圍，1.0e 5.0mm; 曼寧公式曼寧公式適用于較粗糙的管道適用于較粗糙的管道, 0.5e 4.0mm; 海曾海曾-威廉公式威廉公式適用于較光滑的管道適用于較光滑的管道,e 0.25mm; 舍維列夫公式舍維列夫公式適用于適用于1.0e 1.5mm.3.2.3 局部水頭損失計(jì)算局部水頭損失計(jì)算局部阻力系數(shù)。；局部水頭損失，m22mmhgvh 局部阻力設(shè)施局部阻力設(shè)施全開閘閥0.1990。彎頭0.950%開啟閘閥2.0645。

11、彎頭0.4截止閥35.5三通轉(zhuǎn)彎1.5全開蝶閥0.24三流直流0.13.2.4水頭損失公式的指數(shù)形式水頭損失公式的指數(shù)形式 沿程水頭損失計(jì)算公式的指數(shù)形式：沿程水頭損失計(jì)算公式的指數(shù)形式： mfnffmnfDklssmnkqshlDkqhf,摩阻系數(shù)指數(shù)公式參數(shù)或參數(shù)海曾威廉公式曼寧公式舍維列夫公式K10.67/Cw1.85210.29nM20.001798n1.8522.01.911m4.875.3335.123局部阻力系數(shù)mnmsqshm局部水頭損失公式的指數(shù)形式局部水頭損失公式的指數(shù)形式3.3 給水系統(tǒng)的水壓關(guān)系dsPhhHH0管線中水頭損失。壓水管和泵站到絮凝池吸水管中水頭損失；的高程

12、差；最高水位水廠前端處理構(gòu)筑物與最低水位靜揚(yáng)程，指水泵吸水井d0hhHs無水塔時(shí)二泵站壓力無水塔時(shí)二泵站壓力管網(wǎng)中水頭損失。所需最小服務(wù)水頭；控制點(diǎn)nhCHhhhHZHCndsCCP向前置水塔和管網(wǎng)供水時(shí)的壓力。最高水位水塔地面高度；離水柜底水塔的設(shè)置水塔處地面標(biāo)高；0t0HHZhhHHZHtdsttPctnctnccttzzhhHHHZZH水塔高度的確定消防時(shí)水壓hHZHPff消3.4 管道的水力等效簡化管道的水力等效簡化 采用水力等效的原理，將局部管網(wǎng)簡化成簡單的采用水力等效的原理，將局部管網(wǎng)簡化成簡單的形式。形式。 多條管道串聯(lián)或并聯(lián)，等效為單條管道；多條管道串聯(lián)或并聯(lián)，等效為單條管道；

13、 管道沿線分散出流或入流，等效為集中出流或如管道沿線分散出流或入流，等效為集中出流或如流；流； 泵站多臺水泵并聯(lián)工作可以等效為單臺水泵。泵站多臺水泵并聯(lián)工作可以等效為單臺水泵。l1 l2 lNd1 d2 dNmNimiiNimiinmndllddlkqdlkq111經(jīng)變換有：3.4.1 串聯(lián)管道的簡化串聯(lián)管道的簡化l 根據(jù)水力等效的原則：根據(jù)水力等效的原則：3.4.1并聯(lián)管道的簡化并聯(lián)管道的簡化 將它們等效為一條直徑為將它們等效為一條直徑為d，長度為，長度為l的管道，輸送流量的管道，輸送流量q=q1+q2+qN。 根據(jù)水力等效的原則：根據(jù)水力等效的原則：mnNinmimNnNmnmnmnddd

14、lkqdlkqdlkqdlkq12211經(jīng)變換：d1 q1d2 q2dN qNq任一管段的流量：任一管段的流量：沿線流量，轉(zhuǎn)輸流量沿線流量，轉(zhuǎn)輸流量。tlqq tqlqqsl3.4.2 沿線均勻出流簡化沿線均勻出流簡化假設(shè)沿線出流均勻，則管道內(nèi)任意斷面假設(shè)沿線出流均勻，則管道內(nèi)任意斷面x上的流量可以表示上的流量可以表示為：為：沿程水頭損失計(jì)算如下：沿程水頭損失計(jì)算如下：ltxqlxlqqlqdnqqqkdxdqlxlqkhlmntnltlmnltf) 1()()(110tlqq tqxdxL為簡化計(jì)算，將沿線流量為簡化計(jì)算，將沿線流量ql分為兩個(gè)集中流量，分分為兩個(gè)集中流量，分別轉(zhuǎn)移到管段的兩

15、個(gè)節(jié)點(diǎn)。別轉(zhuǎn)移到管段的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。假設(shè)轉(zhuǎn)移到末端的流量為假設(shè)轉(zhuǎn)移到末端的流量為aql，則通過管道流量為：則通過管道流量為：水頭損失為：水頭損失為：tlqq tqlqlq1ldaqqkhmnltf)( 根據(jù)水力等效原則：根據(jù)水力等效原則：31/333. 5m, 2)() 1()(211aqqnldaqqklqdnqqqkhltmnltlmntnltf代入上式可以求得：，令5 . 0,577. 0, 0aa3.5 給水管網(wǎng)模型給水管網(wǎng)模型 給水管網(wǎng)是一類大規(guī)模且復(fù)雜多變的網(wǎng)絡(luò)給水管網(wǎng)是一類大規(guī)模且復(fù)雜多變的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為了便于規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理，系統(tǒng)，為了便于規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理，應(yīng)將其簡化和抽象以

16、便于用圖形和數(shù)據(jù)表應(yīng)將其簡化和抽象以便于用圖形和數(shù)據(jù)表達(dá)和分析的系統(tǒng)，稱為給水管網(wǎng)模型。達(dá)和分析的系統(tǒng)，稱為給水管網(wǎng)模型。3.5.1 給水管網(wǎng)的簡化給水管網(wǎng)的簡化 所謂簡化，就是從實(shí)際系統(tǒng)中去掉一些比所謂簡化，就是從實(shí)際系統(tǒng)中去掉一些比較次要的給水排水設(shè)施，使分析和計(jì)算集較次要的給水排水設(shè)施，使分析和計(jì)算集中于主要對象。中于主要對象。 簡化原則簡化原則：宏觀等效原則；最小誤差原則。：宏觀等效原則；最小誤差原則。簡化方法簡化方法：1）刪除次要管線，保留主管線；）刪除次要管線，保留主管線；2）交叉點(diǎn)近可合并為同一交叉點(diǎn)；）交叉點(diǎn)近可合并為同一交叉點(diǎn)；3）將全開閥門去掉，將管線從全閉閥門處切斷；）將

17、全開閥門去掉，將管線從全閉閥門處切斷；4）采用水力等效原則將不同管材和規(guī)格等效為單一）采用水力等效原則將不同管材和規(guī)格等效為單一管材和規(guī)格；管材和規(guī)格；5）并聯(lián)管線可簡化為單管線；）并聯(lián)管線可簡化為單管線；6）大系統(tǒng)可拆分為多個(gè)小系統(tǒng)。）大系統(tǒng)可拆分為多個(gè)小系統(tǒng)。附屬設(shè)施簡化附屬設(shè)施簡化：1）刪除不影響全局水力特性的設(shè)施；）刪除不影響全局水力特性的設(shè)施；2）將同一處的多個(gè)相同設(shè)施合并。）將同一處的多個(gè)相同設(shè)施合并。節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)合并合并管段合并管段合并分解分解忽略忽略3.5.2 給水管網(wǎng)的抽象給水管網(wǎng)的抽象 所謂抽象，就是忽略所分析和處理對象的所謂抽象，就是忽略所分析和處理對象的一些具體特征，而將它

18、們視為模型中的元一些具體特征，而將它們視為模型中的元素，只考慮它們的拓?fù)潢P(guān)系和水力特性。素，只考慮它們的拓?fù)潢P(guān)系和水力特性。 經(jīng)過簡化的給水排水管網(wǎng)進(jìn)一步抽象成為經(jīng)過簡化的給水排水管網(wǎng)進(jìn)一步抽象成為僅由僅由管段管段和和節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)兩類元素組成的管網(wǎng)模型。兩類元素組成的管網(wǎng)模型。管段和節(jié)點(diǎn)管段和節(jié)點(diǎn) 管段管段：管線和泵站等簡化后的抽象形式，只輸送：管線和泵站等簡化后的抽象形式，只輸送水量，水量，不允許改變水量，但可以改變水的能量不允許改變水量，但可以改變水的能量。 當(dāng)管線中間有較大的集中流量時(shí)，應(yīng)在集中流當(dāng)管線中間有較大的集中流量時(shí)，應(yīng)在集中流量點(diǎn)處劃分管段，設(shè)置節(jié)點(diǎn)。量點(diǎn)處劃分管段，設(shè)置節(jié)點(diǎn)。 泵站、減壓閥、跌水井、非全開閥門泵站、減壓閥、跌水井、非全開閥門等應(yīng)設(shè)于等應(yīng)設(shè)于管段上。管段上。 節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)：管線交叉點(diǎn)、端點(diǎn)或大流量出入點(diǎn)的抽象：管線交叉點(diǎn)、端點(diǎn)或大流量出入點(diǎn)的抽象形式。形式。水的能量唯一，但有流量的輸入或輸出水的能量唯一，但有流量的輸入或輸出。管段和節(jié)點(diǎn)的屬性管段和節(jié)點(diǎn)的屬性 管段屬性管段屬性 構(gòu)造屬性：管長、直徑、粗糙系數(shù)。構(gòu)造屬性：管長、直徑、粗糙系數(shù)。 拓?fù)鋵傩裕汗芏畏较?、起點(diǎn)、終點(diǎn)。拓?fù)鋵傩裕汗芏畏较?、起點(diǎn)、終點(diǎn)。 水力屬性：流量、流速、揚(yáng)程、摩阻，壓降。水力屬性：流量、流速、揚(yáng)程、摩阻，壓降。