给水管网-第5章.ppt

1,给水管网,2,管网计算的课题,管网图形及简化,沿线流量和节点流量,5.1,5.2,5.3,第5章管段流量、管径和水头损失,授课主要内容,管段计算流量,5.4,3,管径计算,水头损失计算,管网计算基础方程,5.5,5.6,5.7,授课主要内容,管网计算方法分类,5.8,4,第5章管段流量、管径和水头损失5.1管网计算的课题,给水工程总投资中，输水管渠和管网所占费用（包括管道、阀门、附属设施等）是很大的，一般约占7080，因此必须进行多种方案比较，以得到经济合理地满足近期和远期用水的最佳方案。一、两类课题1管网设计计算（最高时）第一类课题2管网校核计算（消防时、事故时及最大转输时（对置水塔）第二类课题,5,6,求沿线流量和节点流量；求管段计算流量；确定各管段的管径和水头损失；进行管网水力计算或技术经济计算；确定水塔高度和水泵扬程。,二、计算步骤,7,新旧管网计算步骤一样：新管网计算在一张城市地形平面图上，原先没有任何管网，需要我们定管线以后，在根据进行计算。旧管网（改、扩建）计算改建或扩建，一方面是为了节约投资，充分发挥原有管网设施的作用，另一方面，根据扩大的供水规模的需求，较小原有管网的改扩建，以达到整个管网协调的目的。原有的旧管网已经存在，所以需要对现有管网的管径、流量等现有资料做深入调查，在此基础上再进行计算，后面的计算步骤是相同的。,8,思考题,简述管网计算中常见的有哪两类课题，各自主要的计算内容是什么。,9,一个城市中，给水管线是特别多的，特别是大城市。如果将所有管线一起计算的话，那么计算是非常复杂的，而且是没有必要的，有时甚至是不可能的。所以有必要对管网进行简化后再计算。一、简化类型1、新设计管网的简化前面第四章讲管网定线时，提到过城市管网的定线和计算仅考虑干管和连接管，而其他管线如分配管、接户管等不加以考虑，管线相对而言是比较简单的，所以对新设计管网不需要简化,5.2管网图形及简化,10,2、改建和扩建管网这种情况下，旧管网已经存在，而且管线较多，所以要对这些实际已经存在的管网进行适当的简化。即：保留主要的干管，略去次要的管线（比如管径较小的分配管、接户管），但主要干管和次要管线的确定是相对的，不是绝对的。系统规模小或计算精度要求高时，可以将较小管径的管线定为主要干管。比如说，一个规模较小的生活小区，如果管线数目较少，这时可以将较小管径的管线定为主要管线，也就是说可以将管径较小的管线（如分配管）保留下来，一起进行管网计算，那么就可以达到很高的计算精度。,11,系统规模大或计算精度要求低时，可以将较大管径的管线定为次要管线。比如说，一个规模较大的城市，象一些特大城市，如北京、上海，这些城市的管线数目很多，如果将所有管线进行计算的话是很复杂的。所以在管网计算之前，除了可以将管径小的管线省略，还可以将管径较大但在给水、配水中所起作用并不大的管线加以适当的省略。,12,二、简化要求一般而言，管网越简化，那么计算工作量就越少。但是如果过分简化的话，计算结果将与实际用水情况差别很大。所以要记住：并不是管网越简化就越好，而应该慎重对待管线简化问题。要求：就是要使简化后的管网基本上反映出实际用水情况。,13,三、简化方法,1、管线省略管径大的管线，在给水、配水中所起的作用很大，对水力条件的影响很大。管径小的管线，影响小。所以首先应该省略对水力条件影响小的管线，也就是管径相对较小的管线（比如分配管）。,14,2、合并平行管线的合并管径较小、相互平行且靠近的管线可以考虑合并。交叉点合并当管线上的交叉点靠的很近时，可以将其合并为同一交叉点。相近交叉点合并后可以减少管线的数目，使系统简化。,15,3、管网分解当两管网由一条管线连接时，可以将连接管线断开，分解为两个独立的管网。当两管网由两条管线连接时，它也可以分解为两个独立的管网，但与第一种情况不同的是，必须有一个前提条件存在。前提条件为：分支管网在主管网的末端，而且连接管线的流向、流量可以确定时，可进行分解。,16,【例题】,17,18,19,思考题？,试述管网简化的方法？以及新旧管网简化的区别？,20,5.3沿线流量和节点流量,一、基本概念1、节点：管网中有分支的点。水源节点（如泵站、水塔、高地水池）两管段交点不同管径或不同材质的管线交接点集中向大用户供水的点（工厂、学校等用水量大的单位）虚节点（实际上不存在）,21,2、管段：两节点之间的管线。3、管线：管段按顺序连接形成管线。4、管网的环：起点和终点重合的管线。基环：不含其它环的环。大环：含有基环的环。虚环：将两个或两个以上的水压已定的水源节点（泵站、水塔等）用虚线和虚节点连接起来形成的环。（实际上不存在）,22,定义：供给该管段两侧用户所需的流量（沿管段两侧供给用户的流量）1、干管配水情况实际用水复杂：大用户（工厂、企业等）居民用水：数量多、水量少如图所示，沿线有数量较多的用户用水q1，q2，等，也有分配管的流量Q1，Q2，等，如果按照实际用水情况来计算管网，非但很少可能，并且因用户用水量经常变化也没有必要。因此，计算时往往加以简化。,二、沿线流量,23,2、简化方法,（1）长度比流量法假定：用水量均匀分布在全部的干管上（沿线均匀配水）长度比流量：干管线单位长度的流量：管网总用水量：大用户集中用水量之和：干管总长度,双侧配水：取管道实长单侧配水：取管道实长的一半不配水：计算长度为零,24,各管段沿线流量整个管网沿线流量总和缺点在于：忽视沿线供水人数、用水量差别，不能反映各管段实际配水量。,25,（2）面积比流量法假定：用水量均匀分布在整个供水面积上面积比流量：管线单位面积上的配水流量每一段计算管段的沿线流量整个管网沿线流量总和,26,划分供水面积的方法：等分角法（街区长边为梯形，短边为三角形）例缺点在于：计算复杂，一般很少用所以，干管分布比较均匀，干管间距大致相同时，一般采用长度比流量法。,27,注意：1）面积比流量考虑了沿线供水面积（人数）多少对管线配水的影响，计算结果更接近实际配水情况，但计算较麻烦。当供水区域的干管分布比较均匀时，二者相差很小。这时，用长度比流量较好。2）当供水区域内各区卫生设备或人口密度相差较大时，各区的比流量应分别计算。3）同一管网，比流量的大小随用水量变化而变化。各种工况下需分别计算。,28,三、节点流量,1、定义从沿线流量折算得出的并且假设在节点集中流出的流量。2、折算原因管段流量包括：沿该管段长度L配水的沿线流量（沿线配水逐渐减小，末端为0）；：通过该管段输水到以后管段的转输流量（沿整个管段不变）。可以看出：从管段起点到终点的流量是变化的，所以难以确定管径、水头损失。这就需要将沿线变化的沿线流量转化成从节点流出的流量，那么管段流量就不再变化，可以确定管径。,29,3、原理,求一个折算流量沿线不变，产生的水头损失与(实际沿管线变化的流量)产生的水头损失相等。：折算系数，是把沿线变化的流量折算成再管段两端节点流出的流量，即节点流量的系数。,30,4、步骤,（1）产生的水头损失（管段任一断面上的流量）,31,（2）产生的水头损失（3）水头损失公式指数时，,32,，看管段在管网中的位置，值不同，折算系数也不同。管网末端，则，管网起端，取，一般取，即将沿线流量折半作为管段两端的节点流量。所以，节点流量任一节点的节点流量等于该节点相连的各管段的沿线流量总和的一半。说明：大用户的集中流量，可以在节点标注出来。,33,某城市最高时用水量为284.7L/s，其中集中供应工业用水量为189.2L/s，干管各管段名称及长度如图所示，管段45、12及23为单边配水，其余为两边配水。试求：（1）干管比流量（2）各管段沿线流量（3）各节点流量以及节点流量图,解：（1）干管总计算长度：,【例题】,34,（2）干管的比流量：,（3）各管段的沿线流量计算结果表,35,（4）各管段节点流量计算表,（5）将节点流量和集中流量标注于相应节点上形成节点流量图,2.6,12.40,36,思考题？,试述计算沿线流量的步骤，并推导所用到的有关公式。如何将沿线变化的流量简化成沿线不变的管段流量，代替的条件是什么。试推导折算系数a的表达式，并说明a的变化范围及计算中采用的值。,37,5.4管段计算流量,目的：确定各管段中的流量，进而确定管段直径。一、单水源的树状网单水源：供给管网的水源只有一个树状网：呈树枝状向用户供水1、特点（1）供水沿一个方向也就是从水源（二级泵站、高地水池等）到各个节点的供水只有一个方向例：（2）供水可靠性差管网中任一管段损坏，发生事故时，该管段以后的所有管线都会断水。,38,2、分配方法任何一管段的流量等于该管段后面所有节点流量的和。从上例中可知：也就得到了管段23的计算流量了。可见，树状网的流量分配是比较容易的，也就是管段计算流量的确定是比较容易的。3、结论每一管段的流量只有一个值，且是唯一的。,39,【例题】水由二级泵站供出后，由管网的一端输入，它的水流方向只有一个，部分管段的流量计算如下：管段3-4的流量为：管段4-8的流量为：,40,二、单水源的环状网,环状网：管线连接成环状向用户供水环状网的流量分配是比较复杂的1、特点（1）各管段流量和以后的节点流量无直接联系（2）每一管段无唯一的流量分配值，而有多种组合一个节点连接着几条管段所以这个节点处的流量包括：该点的节点流量流向和流离该节点的几条管段流量因此，节点处的流量情况复杂这时节点就必须满足节点流量平衡条件,41,2、连续性方程（质量守恒）对于节点来说，流入节点的流量等于流出节点的流量。用公式表达：节点i的节点流量：从节点i到节点j的管段流量,42,【例题】以右图中的节点5为例流离节点的流量有：流向节点的流量有：由节点流量平衡条件有同理，节点1为,43,分配时，要求满足经济性和可靠性。主要是因为管段流量分配取值不一样不同管径建设费用不同运行费用不同当某管段出现事故时，其他管段代替输水的能力不同比如，图中如果12管段损坏，那么全部流量必须由14管段通过，也就是这时14管段必须通过很大的流量，造成该管段的水头损失过大，从而影响到整个管网的供水量或水压。,44,经济性和可靠性的定义：经济性：指流量分配后得到的管径，应使一定年限内的管网建造费用和管理费用为最小。可靠性：指能向用户不间断地供水，并且保证应有的水量、水压、水质。,45,3、结论：单水源环状网可以有不同的流量分配方案，但应保证提供用户所需的水量，并且满足连续性方程，同时照顾经济性、可靠性。但是，经济性和可靠性的要求是有矛盾的，有时两者是不容易兼顾，也就是同时满足的，从而增加了流量分配的复杂性。一般只有在满足可靠性的前提下，即在管网发生事故时能保证用户用水的要求下，尽量使管网总费用最小，也就是尽量满足经济性。,46,4、分配步骤,（1）沿供水方向，初步拟定管段水流方向，定控制点。控制点是保证管网压力的点，一般在离泵站最远或地形最高处。（2）从二泵站到控制点之间，选定几条平行的干管；平行干管中流量尽可能均匀，满足。各干管通过的流量沿主要流向逐渐减少，不要忽多忽少。这样，当其中一条干管损坏时，流量由其他干管转输，不会使这些干管中的流量增加过多。,例：,47,（3）连接管：沟通平行干管之间的流量，有时起输水作用，有时就近供水给用户。平时流量不大，干管发生事故时流量大，因此连接管可分配流量小些。注意：此分配值是预分配，用来选择管径，真正值由平差结果定。,例：,48,三、多水源管网,多水源：多个水源（泵站、水塔、高地水池）（两个或两个以上）同时供水给用户。例：以对置水塔为例，即最高用水时，由泵站和水塔同时向用户供水，也就是多水源供水管网。由每一水源的供水量定出大致的供水范围，初步确定各水源的供水分界线；,49,从各水源开始，沿供水方向，每一节点符合，以及考虑经济和安全供水，进行流量分配；位于分界线上的各节点的流量，往往由几个水源同时供给；各水源供水范围内的全部节点流量加上分界线上的由该水源供给的节点流量之和，应等于该水源供水量。,50,思考题,试述单水源树状网、环状网及多水源环状网管段流量分配的方法、特点以及步骤。,51,5.5管径计算,定线（干管、连接管走向与位置）管段计算流量（）管段的管径（设计计算的主要课题之一）一、管径确定1、管径计算公式由水力学公式可知，流量、流速和过水断面之间的关系为式中q管段内通过的流量，m3/s；A水管断面积，m2；v管段内水的流速，m/s。各管段的管径计算公式为,52,2、流速范围（1）技术方面最大设计流速不超过2.53m/s原因：为了防止管网水锤现象出现事故。水锤：在压力管道中，由于流速的剧烈变化而引起的一系列急剧的压力交替升降的水力冲击现象。最低流速不小于0.6m/s原因：为了在输送浑浊的原水时，避免水中悬浮物质在水管内沉积。所以，流速范围为0.6（2.53）m/s,53,（2）经济方面（管网造价、日常输水电费综合考虑，但不能同时满足、矛盾、不能兼得）由公式可知，与成反比小管网造价大水头损失小水泵扬程小电费小最优化解决方法大管网造价小水头损失大水泵扬程大电费多求一个经济流速：在投资期限内（t年内），管网造价和管理费用（电费）之和最小时的流速。：经济管径（由确定）,54,二、求经济流速过程1、总费用公式：年内的总费用：一次投资的管网造价：每年的管理费用，包括电费，折旧费（包括修理费）折旧费与管网造价有关，可表示为：管网的折旧和大修率，以管网造价的计,55,2、一年为基础求年折算费用：有条件地将造价折算为一年的费用可以看出：C：随D增大或减小而增加C、M1都和D、有关M1：随D增大或减小而增加那么，W可用v的函数表示，也可以用D的函数表示,56,0,De,D,M1,W,W,0,ve,v,M1,W,W,3、W与v、D的关系图,年折算费用和管径的关系,年折算费用和流速的关系,是一条下凹的曲线，最低点处对应的就是、,57,4、经济流速确定原则,（1）各城市经济流速按各地条件而定因为各个城市的水管材料和价格、施工费用、电费等都不同，因此不能直接套用其他城市的数据。（2）管网中各管段不一样随管网图形、该管段在管网中的位置、该管段流量和管网总流量的比例等决定。（3）有时用“界限流量表”定书92页表71,58,（4）采用平均经济流速书38页表51因为理论计算W复杂，有难度。大管径取较大的平均经济流速小管径取较小的平均经济流速（5）不一定是标准直径，一般取接近值,59,思考题,从技术方面考虑，流速范围为多少？什么叫经济流速、年折算费用。分析年折算费用和管径、流速之间的关系。,60,5.6水头损失计算,一、基本概念1、组成沿程水头损失：沿管线长度的沿程阻力引起的水头损失。局部水头损失：在配件、附件如弯管、阀门、渐缩管等这些地方的局部阻力引起的水头损失。水头损失,61,在给水管网中，由于管道的长度较长，沿程水头损失是远远大于局部水头损失的，所以在计算时，主要考虑沿程水头损失，局部水头损失通常忽略不计，。如果有必要时，可以将沿程水头损失乘以1.051.10的系数，以计及局部水头损失。,62,2、水压和水头损失之间的关系给水管网中的任一管段两端节点的水压和该管段的水头损失存在着这样的等式关系：其中：指管段i、j的水头损失；指从某一基准面算起的管段起端i和终端j的水压。,63,3、两类情况在实际应用中，常遇到两种计算水头损失的情况：(1)对实际运行管网进行测试时，常用来计算管段的水头损失；(2)在工程设计计算时，常利用各种水头损失计算公式或利用这些公式制成的水力计算表，进行管段水头损失计算。,64,二、水头损失计算的一般公式,1、公式由水力学中得到的水头损失计算公式为。i：单位管段长度的水头损失或水力坡度前面已经知道管段计算流量的确定，那么现在就要推导出流量和水头损失之间的关系，就是要用流量来表达水头损失。,65,2、推导,主要是根据谢才公式，也就是均匀流流速公式来推导的。（指管内的平均流速：谢才系数：水力半径为管段的计算内径）（这是把分子、分母各乘以一个2g，也就是两倍的重力加速度）（这时把代入公式）（因为阻力系数，将代入）（管径的计算公式代入）,66,（简化）（这时再将代入）（整理）（把定义为，即比阻）,67,一般情况下：水管摩阻系数均匀流n=2从公式可以看出，长度和流量都可以求出，那么要求水头损失，就需要求出比阻值，所以下面开始将比阻值的确定,68,3、比阻的确定因素,水力学中讲过水的流动有三种流态：层流、紊流和介于两者之间的过渡流。而对给水管网进行水力计算时都是按照紊流考虑的。而紊流流态又分为三个阻力平方区，而在这三个阻力平方区内的比阻的确定因素又是不一样的。（1）阻力平方区：和管径、水管粗造程度有关旧铸铁管、旧钢管1.2m/s；金属管内壁无特殊防腐措施（2）过渡区：和管径、水管粗造程度、Re有关旧铸铁管、旧钢管1.2m/s；石棉水泥管（3）水力光滑区：和管径、Re有关塑料管、玻璃管,69,三、应用较广泛的水头损失公式,（1）舍维列夫公式国内常用，一般适用于旧铸铁管、旧钢管，水温100C（2）巴甫洛夫斯基公式国内常用，一般适用于混凝土管、钢筋混凝土管、渠道,70,（3）海曾威廉公式北美、西欧、日本等一些西方国家常用公式适用范围广，适用于各种管材（4）柯尔勃洛克公式适用范围广，较接近实际，但运算复杂,71,四、水力计算表,水力计算表是在工程设计中，按照不同的管材和相应的水头损失计算公式预先算好编制成的。表中列有流量、管径、流速、坡度四组数据。所查表格应该和所采用的管材相一致，不能任一套用。,72,5.7管网计算基础方程,一、计算目的在布置完管网后，也就是给管网定线后，我们