给水管网水力计算基础.ppt

第3章 给水管网水力学基础 第3章 给水管网水力学基础 3.1给水管网水流特征 3.2管渠水头损失计算 3.3给水系统的水压关系（补充） 3.4管道的水力等效简化 3.5给水管网模型 3.1 给水管网水流特征 3.1.1管网中的流态分析 流态特征 水的三种流态： 层流 Re4000 过渡流 20004000 给水排水管网水流一般处在紊流流态 紊流流态分为三个阻力特征区： 阻力平方区 水头损失与流速平方成正比 过渡区 水头损失和流速1.752次方成正比 水力光滑管区 水头损失和流速1.75次方成正比 给水排水管网水流一般处在阻力平方区和过渡区 3.1.2恒定流与非恒定流 给水排水管网中，水流水力因素随时间变化，属 于非恒定流，水力计算复杂。 在设计时一般只能按恒定流计算。 3.1.3均匀流与非均匀流 非均匀流：水流参数随空间变化。 满管流动 1）如果管道截面在一段距离内不变且不发生转 弯，为均匀流，管道对水流阻力沿程不变，采用 沿程水头损失公式计算； 2）当管道在局部分叉、转弯与变截面时，流动 为非均匀流，采用局部水头损失公式计算。 非满管流或渠流，只要长距离截面不变，可以近 似为均匀流。 3.1.4 压力流与重力流 压力流输水通过封闭的管道进行，水流阻力主要 依靠水的压能克服，阻力大小只与管道内壁粗糙 程度有关、管道长度和流速有关，与管道埋设深 度和坡度无关。 重力流管渠中水面与大气相通，非满流，水流阻 力依靠水的位能克服，形成水面沿水流方向降低 。 给水多压力流，排水多重力流； 长距离输水重力流，排水泵站出水管、倒虹管压 力流。 3.1.5水流的水头与水头损失 水头：单位重量的流体所具有的机械能， 用h或H表示，单位米水柱(mH2O)。 位置水头Z 压力水头P/r 测压管水头 流速水头v2/2g 3.2 管渠水头损失 流体克服流动阻力所消耗的机械能称为水 头损失。 当流体受固定边界限制做均匀流动时，流 动阻力中只有沿程不变的切应力，称为沿 程阻力。由沿程阻力引起的水头损失成为 沿程水头损失。 当流体的固定边界发生突然变化，引起流 速分布或方向发生变化，从而集中发生在 较短范围的阻力称为局部阻力。由局部阻 力引起的水头损失成为局部水头损失。 3.2 管渠水头损失计算 谢才公式 hf沿程水头损失，m； v过水断面平均流速，m/s； C谢才系数； R过水断面水力半径，m，圆管流R=0.25D ； l管渠长度，m。 3.2.1 沿程水头损失计算 沿程水头损失计算 对于圆管满流，达西公式： D管段直径，m； g 重力加速度，m/s 2； 沿程阻力系数， =8g/C2 谢才系数或沿程阻力系数的确定 （1）舍维列夫公式 适用于旧铸铁管和旧钢管满管紊流，水温10度 ，常用于给水管道水力计算。 谢才系数或沿程阻力系数的确定 （2）海曾-威廉公式 适用于较光滑的圆管满流管紊流计算，主要 用于给水管道水力计算。 q流量，m3/s； Cw海曾-威廉粗糙系数。 谢才系数或沿程阻力系数的确定 （3）柯尔勃洛克-怀特公式 适用于各种紊流，是适用性和计算精度最高 的公式之一。 e 管壁当量粗糙度，m。 谢才系数或沿程阻力系数的确定 （4）巴甫洛夫斯基公式 适用于明渠流和非满流排水管道计算。 谢才系数或沿程阻力系数的确定 （5）曼宁公式 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。 nM曼宁公式粗糙系数。 3.2.2沿程水头损失计算公式的比较与选用 柯尔勃洛克-怀特公式具有较高的精度; 巴甫洛夫斯基公式具有较宽的适用范围， 1.0e 5.0mm; 曼宁公式适用于较粗糙的管道, 0.5e 4.0mm; 海曾-威廉公式适用于较光滑的管道,e 0.25mm; 舍维列夫公式适用于1.0e 1.5mm. 3.2.3 局部水头损失计算 局部阻力设施局部阻力设施 全开闸阀0.1990。弯头0.9 50%开启闸阀2.0645。弯头0.4 截止阀35.5三通转弯1.5 全开蝶阀0.24三流直流0.1 3.2.4水头损失公式的指数形式 沿程水头损失计算公式的指数形式： 参数海曾威廉公式曼宁公式舍维列夫公式 K10.67/Cw1.85210.29nM20.001798 n1.8522.01.911 m4.875.3335.123 局部水头损失公式的指数形式 由一泵站供净水厂由一泵站供净水厂 3.3 给水系统的水压关系 无水塔时二泵站压力 控制点控制点 向前置水塔和管网供水时的压力 消防时水压 3.4 管道的水力等效简化 采用水力等效的原理，将局部管网简化成简单的 形式。 多条管道串联或并联，等效为单条管道； 管道沿线分散出流或入流，等效为集中出流或如 流； 泵站多台水泵并联工作可以等效为单台水泵。 l1 l2 lN d1 d2 dN 3.4.1 串联管道的简化 l 根据水力等效的原则： 3.4.1并联管道的简化 将它们等效为一条直径为d，长度为l的管道，输送流量 q=q1+q2+qN。 根据水力等效的原则： d1 q1 d2 q2 dN qN q 任一管段的流量：沿线流量，转输流量。 3.4.2 沿线均匀出流简化 假设沿线出流均匀，则管道内任意断面x上的流量可以表示 为： 沿程水头损失计算如下： 为简化计算，将沿线流量ql分为两个集中流量，分 别转移到管段的两个节点。 假设转移到末端的流量为aql，则通过管道流量为： 水头损失为： 根据水力等效原则： 由此表明，管道沿线出流的流量可以近似地一分为由此表明，管道沿线出流的流量可以近似地一分为 二，转移到两个端点上。二，转移到两个端点上。 3.5 给水管网模型 给水管网是一类大规模且复杂多变的网络 系统，为了便于规划、设计和运行管理， 应将其简化和抽象以便于用图形和数据表 达和分析的系统，称为给水管网模型。 3.5.1 给水管网的简化 所谓简化，就是从实际系统中去掉一些比较 次要的给水排水设施，使分析和计算集中于 主要对象。 简化原则：宏观等效原则；最小误差原则。 简化方法： 1）删除次要管线，保留主管线； 2）交叉点近可合并为同一交叉点； 3）将全开阀门去掉，将管线从全闭阀门处切断； 4）采用水力等效原则将不同管材和规格等效为单一 管材和规格； 5）并联管线可简化为单管线； 6）大系统可拆分为多个小系统。 附属设施简化： 1）删除不影响全局水力特性的设施； 2）将同一处的多个相同设施合并。 节点 合并 管段合并 分解 忽略 3.5.2 给水管网的抽象 所谓抽象，就是忽略所分析和处理对象的 一些具体特征，而将它们视为模型中的元 素，只考虑它们的拓扑关系和水力特性。 经过简化的给水排水管网进一步抽象成为 仅由管段和节点两类元素组成的管网模型 。 管段和节点 管段：管线和泵站等简化后的抽象形式，只输送 水量，不允许改变水量，但可以改变水的能量。 当管线中间有较大的集中流量时，应在集中流量 点处划分管段，设置节点。 泵站、减压阀、跌水井、非全开阀门等应设于管 段上。 节点：管线交叉点、端点或大流量出入点的抽象 形式。水的能量唯一，但有流量的输入或输出。 管段和节点的属性 管段属性 构造属性：管长、直径、粗糙系数。 拓扑属性：管段方向、起点、终点。 水力属性：流量、流速、扬程、摩阻，压降。 节点属性 构造属性：高程、位置。 拓扑属性：与节点关联的管段及其方向、节点的度；（ 与某节点关联的管段的数目称为该节点的度） 水力属性：节点流量、节点水头、自由水头。 3.5.3管网模型的标识 （1）节点和管段编号 节点（1）,（2） 管段1,2 （2）管段方向的设定 任意设定，不一定等于管段中水流的流向。实际流向 与设定方向不一致，用负值表示。 （3）节点流量方向的设定 流出节点为正，流入为负值。 Q8 （8） （1）（2）（3） （4）（5）（6） （7） 1 9 8 7 6 5 4 3 2 Q7 Q3Q2 Q1 Q4Q5Q6 q1,h1 q6,h6q5,h5 q2,h2q3,