第3章給水排水管網(wǎng)水力學(xué)基礎(chǔ)ppt課件

1、第三章 給水排水管網(wǎng)水力學(xué)根底.3.1 給水排水管網(wǎng)水力學(xué)根底流態(tài)特征水的三種流態(tài)：層流 Re4000 過(guò)渡流 20004000給水排水管網(wǎng)水流普通處在紊流流態(tài)紊流流態(tài)分為三個(gè)阻力特征區(qū)：阻力平方區(qū) 水頭損失與流速平方成正比 過(guò)渡區(qū) 水頭損失和流速1.752次方成正比水力光滑管區(qū) 水頭損失和流速1.75次方成正比給水排水管網(wǎng)水流普通處在阻力平方區(qū)和過(guò)渡區(qū).當(dāng)流速較小時(shí)，各流層質(zhì)點(diǎn)互不混雜，這種型態(tài)的流動(dòng)叫層流。當(dāng)流速較大時(shí)，各流層質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成渦體相互混摻，這種型態(tài)的流動(dòng)叫做紊流。.層流：液體質(zhì)點(diǎn)作有條不紊的線狀運(yùn)動(dòng)，水流各層或各微小流束上的質(zhì)點(diǎn)彼此互不混摻。.紊流：液體質(zhì)點(diǎn)在沿管軸方向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相

2、互混摻。.恒定流與非恒定流給水排水管網(wǎng)中，水流水力要素隨時(shí)間變化，屬于非恒定流，水力計(jì)算復(fù)雜。在設(shè)計(jì)時(shí)普通只能按恒定流計(jì)算。.按運(yùn)動(dòng)要素能否隨時(shí)間變化表征液體運(yùn)動(dòng)的物理量，如流速、加速度、動(dòng)水壓強(qiáng)等恒定流非恒定流水庫(kù)水庫(kù)t0時(shí)辰t1時(shí)辰. 均勻流與非均勻流非均勻流：水流參數(shù)隨空間變化。滿管流動(dòng) 1假設(shè)管道截面在一段間隔內(nèi)不變且不發(fā)生轉(zhuǎn)彎，為均勻流，管道對(duì)水流阻力沿程不變，采用沿程水頭損失公式計(jì)算； 2當(dāng)管道在局部分叉、轉(zhuǎn)彎與變截面時(shí)，流動(dòng)為非均勻流，采用部分水頭損失公式計(jì)算。非滿管流或渠流，只需長(zhǎng)間隔截面不變，可以近似為均勻流。.均勻流均勻流非均勻流均勻流非均勻流均勻流非均勻流非均勻流漸變流急

3、變流急變流急變流.壓力流與重力流壓力流輸水經(jīng)過(guò)封鎖的管道進(jìn)展，水流阻力主要依托水的壓能抑制，阻力大小只與管道內(nèi)壁粗糙程度有關(guān)、管道長(zhǎng)度和流速有關(guān)，與管道埋設(shè)深度和坡度無(wú)關(guān)。重力流管渠中水面與大氣相通，非滿流，水流阻力依托水的位能抑制，構(gòu)成水面沿水流方向降低。給水多壓力流，排水多重力流；長(zhǎng)間隔輸水重力流，排水泵站出水管、倒虹管壓力流。 .水流的水頭與水頭損失 水頭：?jiǎn)挝环至康牧黧w所具有的機(jī)械能，用h或H表示，單位米水柱(mH2O)。位置水頭Z壓力水頭P/r 測(cè)壓管水頭流速水頭v2/2g.水頭損失流體抑制流動(dòng)阻力所耗費(fèi)的機(jī)械能稱為水頭損失。當(dāng)流體受固定邊境限制做均勻流動(dòng)時(shí)，流動(dòng)阻力中只需沿程不變的

4、切應(yīng)力，稱為沿程阻力。由沿程阻力引起的水頭損失成為沿程水頭損失。當(dāng)流體的固定邊境發(fā)生忽然變化，引起流速分布或方向發(fā)生變化，從而集中發(fā)生在較短范圍的阻力稱為部分阻力。由部分阻力引起的水頭損失成為部分水頭損失。.3.2 管渠水頭損失計(jì)算謝才公式hf沿程水頭損失，m；v過(guò)水?dāng)嗝嫫骄魉?，m/s；C謝才系數(shù)；R過(guò)水?dāng)嗝嫠Π霃剑琺，圓管流R=0.25D；l管渠長(zhǎng)度，m。3.2.1 沿程水頭損失計(jì)算.沿程水頭損失計(jì)算對(duì)于圓管滿流，達(dá)西公式：D管段直徑，m；g 重力加速度，m/s 2；沿程阻力系數(shù)， =8g/C2.沿程阻力系數(shù)的變化規(guī)律尼古拉茲實(shí)驗(yàn)或Lg100lgRe層流時(shí),水力光滑壁面, 稱為紊流光滑區(qū)

5、水力粗糙壁面,稱為紊流粗糙區(qū)過(guò)渡粗糙壁面,稱為率流過(guò)渡粗糙區(qū).謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)確實(shí)定1舍維列夫公式 適用于舊鑄鐵管和舊鋼管滿管紊流，水溫10度，常用于給水管道水力計(jì)算。.謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)確實(shí)定2海曾-威廉公式 適用于較光滑的圓管滿流管紊流計(jì)算，主要用于給水管道水力計(jì)算。 q流量，m3/s； Cw海曾-威廉粗糙系數(shù)。.謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)確實(shí)定3柯爾勃洛克-懷特公式 適用于各種紊流，是適用性和計(jì)算精度最高的公式之一。 e 管壁當(dāng)量粗糙度，m。.謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)確實(shí)定4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。.謝才系數(shù)或沿程阻力系數(shù)確實(shí)定5曼寧公式 巴甫洛夫斯基公式

6、中y=1/6時(shí)的特例，適用于明渠或較粗糙的管道計(jì)算。 nM曼寧公式粗糙系數(shù)。.排水管渠粗糙系數(shù)表 管渠類別粗糙系數(shù) n管渠類別粗糙系數(shù) n石棉水泥管、鋼管0.012漿砌磚渠道0.015木槽0.0120.014漿砌塊石渠道0.017陶土管、鑄鐵管0.013干砌塊石渠道0.0200.025混凝土管、鋼筋混凝土管水泥砂漿抹面渠道0.0130.014土明渠包括（帶草皮）0.0250.030.沿程水頭損失計(jì)算公式的比較與選用柯爾勃洛克-懷特公式具有較高的精度;巴甫洛夫斯基公式具有較寬的適用范圍，1.0e 5.0mm;曼寧公式適用于較粗糙的管道, 0.5e 4.0mm;海曾-威廉公式適用于較光滑的管道,e

7、 0.25mm;舍維列夫公式適用于1.0e 1.5mm.部分水頭損失計(jì)算局部阻力設(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。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0.1.水頭損失公式的指數(shù)方式沿程水頭損失計(jì)算公式的指數(shù)方式： 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.部分水頭損失公式的指數(shù)方式：沿程水頭損失與部分水頭損失之和：式中 Sg管道阻力系數(shù)；.3.3 非滿流管渠水力計(jì)算排水管網(wǎng)和長(zhǎng)間隔輸水工程常采用非滿管流。非滿管流水

8、力計(jì)算的目的：確定管段流量、流速、斷面尺寸、充溢度和坡度之間的關(guān)系。.3.3.1 非滿流管渠水力計(jì)算公式 充溢度h/D指設(shè)計(jì)流量下，管道內(nèi)的有效水深與管徑的比值。 過(guò)水?dāng)嗝鍭=AD，h/D 水力半徑R=R(D,h/D) 采用謝才公式計(jì)算水頭損失，將曼寧公式代人并轉(zhuǎn)換： 由流量和流速關(guān)系得：hD.5個(gè)水力參數(shù)q、D、h、I、v, 知其中3個(gè)才干求出另一個(gè)，水力計(jì)算很復(fù)雜。非滿流管渠水力計(jì)算根本公式.污水管道按不滿流設(shè)計(jì)的緣由1流量時(shí)辰變化，很難確定計(jì)算，而且雨水、地下水能夠經(jīng)過(guò)檢查井蓋或管道接口滲入污水管道。因此，要保管一部分管道斷面，為未預(yù)見的水量留有余地，防止污水移出，妨礙環(huán)境衛(wèi)生，同時(shí)使?jié)B

9、入的地下水順利流瀉。2污水管道內(nèi)堆積的污泥能夠分解出一些有害氣體。此外，污水中如含有汽油、苯、石油等易燃液體時(shí)，能夠構(gòu)成爆炸性氣體。故需求留出適當(dāng)?shù)目臻g，以利于管道的通風(fēng)，排除有害氣體。3管道部分滿流時(shí)，管道內(nèi)水流速度在一定條件下比滿流大一些。流速大，有利于沖刷淤泥。 .非滿流水力計(jì)算簡(jiǎn)化方法1水力計(jì)算圖表2借助滿流水力計(jì)算公式并經(jīng)過(guò)一定的比例變換進(jìn)展計(jì)算.充溢度流量坡度流速1水力計(jì)算圖表精度低，通用性差。. 水力計(jì)算圖適用于混凝土及鋼筋混凝土管道，其粗糙系數(shù) n0.014。每張圖適用于一個(gè)指定的管徑。圖上的縱座標(biāo)表示坡度 I，即是設(shè)計(jì)管道的管底坡度，橫座標(biāo)表示流量 Q，圖中的曲線分別表示流量

10、、坡度、流速和充溢度間的關(guān)系。中選定管材與管徑后，在流量 Q、坡度 I、流速 v、充溢度 h/D 四個(gè)要素中，只需知其中恣意兩個(gè)，就可由圖查出另外兩個(gè)。 .排水管渠粗糙系數(shù)表 管渠類別粗糙系數(shù) n管渠類別粗糙系數(shù) n石棉水泥管、鋼管0.012漿砌磚渠道0.015木槽0.0120.014漿砌塊石渠道0.017陶土管、鑄鐵管0.013干砌塊石渠道0.0200.025混凝土管、鋼筋混凝土管水泥砂漿抹面渠道0.0130.014土明渠包括（帶草皮）0.0250.030.(2)比例變換法假設(shè)有一條滿流管渠與待計(jì)算的非滿流管渠具有一樣的管徑D和水力坡度I，其過(guò)水?dāng)嗝婷娣e為A0，水力半徑為R0，經(jīng)過(guò)流量為qo

11、，流速為vo，可以證明：A/ A0 、R/ R0 、q/ qo 、v/ vo只和充溢度有關(guān)。.非滿流管渠水力計(jì)算方法一、知流量 q、管徑 D 和水力坡度 I ，求充溢度 h/D 和流速1、先由下式計(jì)算 q/q0，反查表 3.7 得充溢度h/D;2、根據(jù)充溢度h/D，查表3.7得A/A0，然后用下式計(jì)算流速v。.例3.1 知某污水管道設(shè)計(jì)流量為q=100L/s，根據(jù)地形條件可以采用水力坡度為I=7%，初擬采用管徑D=400mm的鋼筋混凝土管，粗糙系數(shù)nM=0.014，求其充溢度h/D和流速v。解 用粗糙度系數(shù)、管徑和水力坡度帶入式3.32計(jì)算：反查表3.7的充溢度h/D=56.9%，相應(yīng)A/AO

12、=0.587，由式3.33計(jì)算： .非滿流管渠水力計(jì)算方法二、知流量q、管徑D和流速v，求充溢度h/D和水力坡度I求解步驟：1、先由下式計(jì)算A/A0，反查表3.7得充溢度h/D2、根據(jù)充溢度h/D，查表3.7得R/R0，然后用下式計(jì)算水力坡度I.非滿流管渠水力計(jì)算方法三、知流量q、管徑D和充溢度h/D，求水力坡度I和流速v求解步驟：1、先根據(jù)充溢度h/D查表3.7求出q/q0，然后用下式計(jì)算水力坡度I2、根據(jù)充溢度h/D查表3.7得A/A0，然后用下式求流速v。.非滿流管渠水力計(jì)算方法四、知流量q、水力坡度I和充溢度h/D，求管徑D和流速v1、根據(jù)充溢度h/D查表3.7得q/q0，然后用下式計(jì)

13、算管徑D2、根據(jù)充溢度h/D查表3.7求出A/A0，然后用下式計(jì)算流速v.非滿流管渠水力計(jì)算方法五、知管徑D、充溢度h/D和水力坡度I，求流量q和流速v1、根據(jù)充溢度h/D查表3.7求出q/q0，然后用下式計(jì)算流量q2、根據(jù)充溢度h/D查表3.7求出A/A0，然后用下式計(jì)算流速v.非滿流管渠水力計(jì)算方法六、知管徑D、水力坡度I和流速v，求流量q和充溢度h/D1、根據(jù)下式計(jì)算R/R0，由表3.7反查得h/D2、根據(jù)充溢度h/D查表3.7求出A/A0，然后用下式計(jì)算流量q例題見教材p57.3.4 管道的水力等效簡(jiǎn)化 采用水力等效的原理，將部分管網(wǎng)簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)單的方式。多條管道串聯(lián)或并聯(lián)，等效為單條管道

14、；管道沿線分散出流或入流，等效為集中出流或如流；泵站多臺(tái)水泵并聯(lián)任務(wù)可以等效為單臺(tái)水泵。.l1 l2 lNd1 d2 dN1、串聯(lián)管道的簡(jiǎn)化l 根據(jù)水力等效的原那么：簡(jiǎn)化成一條后，在一樣的總輸入流量下，應(yīng)具有一樣水頭損失。.2、并聯(lián)管道的簡(jiǎn)化 將它們等效為一條直徑為d，長(zhǎng)度為l的管道，保送流量q=q1+q2+qN。 根據(jù)水力等效的原那么：簡(jiǎn)化成一條后，在一樣的總輸入流量下，應(yīng)具有一樣水頭損失。d1 q1d2 q2dN qNq當(dāng)管徑相等時(shí)：.任一管段的流量：沿線流量，轉(zhuǎn)輸流量。3、沿線均勻出流簡(jiǎn)化. 沿線流量和節(jié)點(diǎn)流量比流量：為簡(jiǎn)化計(jì)算而將除去大用戶集中流量以外的用水量均勻地分配在全部有效干管長(zhǎng)

15、度上，由此計(jì)算出的單位長(zhǎng)度干管承當(dāng)?shù)墓┧?。城?zhèn)中用水量規(guī)范不同的區(qū)域應(yīng)分別計(jì)算比流量。.公園鄰居鄰居鄰居鄰居鄰居鄰居鄰居鄰居.沿線流量：干管有效長(zhǎng)度與比流量的乘積。按管道長(zhǎng)度計(jì)算的比流量不能反映供水人數(shù)和用水量的差別，可采用按面積計(jì)算比流量的方法。. 管網(wǎng)中除最末端的管段外，其他任一管段的流量都由兩部分組成，一部分是本管段沿程配水產(chǎn)生的流量，即沿線流量，另一部分是經(jīng)過(guò)該管段保送到下游管段的流量，稱為轉(zhuǎn)輸流量。. 節(jié)點(diǎn)流量：沿線流量只需概念上的意義，在水力計(jì)算時(shí)應(yīng)將沿線流量按適當(dāng)比例分配到兩各節(jié)點(diǎn)，成為節(jié)點(diǎn)流量。沿線流量轉(zhuǎn)換成節(jié)點(diǎn)流量的原那么是管段的水頭損失一樣。.假設(shè)沿線出流均勻，那么管道內(nèi)

16、恣意斷面x上的流量可以表示為：沿程水頭損失計(jì)算如下：.為簡(jiǎn)化計(jì)算，將沿線流量ql分為兩個(gè)集中流量，分別轉(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aql，那么經(jīng)過(guò)管道流量為：水頭損失為：.根據(jù)水力等效原那么：由此闡明，管道沿線出流的流量可以近似地一分為二，轉(zhuǎn)移到兩個(gè)端點(diǎn)上。.4、部分水頭損失計(jì)算的簡(jiǎn)化可將部分水頭損失等效于一定長(zhǎng)度的管道稱為當(dāng)量管的沿程水頭損失，從而與沿程水頭損失合并計(jì)算。.3.5 水泵與泵站水力特性3.5.1 水泵水力特性公式及其參數(shù)計(jì)算 揚(yáng)程：水泵提供應(yīng)單位分量水的機(jī)械能mH2O。水泵水力特性：表征水泵流量和揚(yáng)程的關(guān)系，如下式：.12hp水泵揚(yáng)程，m；qp水泵流量，m3/s；he水泵凈揚(yáng)程，m；sp水泵內(nèi)阻