（市政工程专业论文）城市给水系统阀门调节工况下水流模拟方法研究.pdf

太原理j 二大学硕士研究生学位论文 v7 8 8 5 5 ：； 城市给水系统阀门调节工况下水流模拟方法研究 摘要 随着国内城市化进程的加快，给水系统作为城市最重要的 基础设施之，规模日渐庞大，管网结构也随之复杂起来，给 水系统优化调度与管理亟待提上议事日程。过去完全靠经验进 行维护、运行和管理，已无法满足现代化给水系统管理和调度 的要求。在给水系统优化调度与管理中，建模无疑是其核心内 容。所以在微观建模过程中，需要在理论上建立给水管网系统 优化管理和调度的数学模型，从而准确的对管网中的节点压力 和流量进行调度与管理。基于此，本论文主要包括以下几个方 面的内容： 一给水管段的水力特征及损失的计算 简单阐述了管网的流态特征以及通过雷诺数判别层流和紊 流。介绍了管网中管段水头损失的计算和不同区域内沿程阻力 系数的计算。详细分析了管道中来水的流速、压强梯度、壁面 粗糙对流态转变的影响，以及区域问连接管上阀门开启度变化 时，阀门对流量的调节强度，流态转变和过渡段的确定，准确 计算整个连接管的阻力然后对整个管网进行平差计算。 i 太原理工大学硕十研究生学位论文 二给水管网的水流模拟 简单介绍了树状网、环状网和混合管网得传统平差方法。 详细分析了管网优化调度运行过程中节点压力需要变化时，调 节阀门的开启度使其发生变化。主要包括运用灵敏度分析方法 确定管网中需要调节的阀门、利用改进的管网平差方法准确计 算压力变化后的各个节点的压力值、建立节点水压和阀门开启 度的关系确定阀门开启度的大小。 研究的主要结论是： ( 1 ) 现状给水管网布置的不合理使得微观建模不能解决给 水系统所存在的所有问题，必须对现状管网进行必要的调整， 基于节点压力对给水管网进行分区，实现区域管理。各区域之 间通过连接管连通，连接管上设有阀门，通过调节连接管上阀 门的开启来调整各个区域的水量和水压。 ( 2 ) 传统给水管网计算对局部阻力的计算主要是采用将 其忽略不计或计入沿程损失中，会对管网平差结果产生一定的 误差，所以不利于管网的优化调度。本文主要通过结合水力学 确定管网中阀门开启度变化时影响流态转变的因素、流态的转 变扰动范围的确定以及阀门局部阻力系数的计算，把带阀门的 太原理- t 大学硕士研究生学位论文 管段分为三部分准确计算整个连接管上的阻力。 ( 3 ) 把管网中阀门阻力系数和扰动范围的计算公式应用到 环状管网中，利用改进的管网平差方法计算管网优化调度后的 各个节点压力，运用灵敏度分析方法建立节点压力和阀门开启 度的关系准确计算阀门开启度的大小，并对整个管网进行校核， 为真正实现阀门的优化调度奠定了理论基础。 关键词：给水管网分区，阀门开启度，压力灵敏度，流态，水 流模拟 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h es t u d yo fw a t e rf l o wm o d e l i n g m e t h o d sw h i c ha d j u s t e db yv a l v e si n c i t y 、7 l ，a t e rd i s t r i b u t es y s t e m a b s t r a c t a st h eu r b a n i z i n gp r o c e s si sa c c e l e r a t i n gi nc h i n a ，t h es i z eo f w a t e rs u p p l ys y s t e m ，w h i c hi so n eo ft h ei m p o r t a n ti n f r a s t r u c t u r e s ， b e c o m e sl a r g e ra n dl a r g e r i ti si m p e r a t i v ef o rt h ew a t e rs u p p l y s y s t e mt ot a k em e a s u r e so fo p t i m a ld i s p a t c ha n dr e g u l a t i o n i np a s t i tw a sa l m o s tt o t a l l yd e p e n de x p e r i e n c et or e p a i r 、o p e r a t ea n d m a n a g e m e n t ，s u r e l yc a n ts a t i s f i e dt h er e q u i r eo fm o d e r n i z e f o r o p e r a t ea n dd i s t r i b u t ei nw a t e rs u p p l ys y s t e m t h e ni nt h ep r o c e s s o ff o u n dm i c r om o d e lt h a tn e e d e dt of o u n dm a t hm o d e lo fo p t i m a l d i s t r i b u t ea n dm a n a g e m e n to fw a t e rs u p p l yn e t w o r kb yt h e o r y , t h u s m a yt r u l yt od od i s t r i b u t ea n dm a n a g e m e n tf o rn o d e sp r e s s u r ea n d w a t e rf l o wi nn e t w o r k b a s et oi t ，t h ep a p e rm a i ni n c l u d eu n d e r s e v e r a li r a c t o r s ： f i r s t ：t h ec a l c u l a t el o s s e sa n dw a t e r p o w e rc h a r a c t e ro fw a t e r p i p e s i td e t a i le x c l a i m e dt h ef l o wc h a r a c t e ro fn e t w o r ka n d d i s t i n g u i s hl a y e ra n dr a n d o mf l o wt h r o u g hn e o n s i n t r o d u c e dt h e v 太原理工大学硕士研究生学位论文 c a l c u l a t em e t h o d so fp i p e l i n ew a t e rl o s sa n dl o s sc o e f f i c i e n to f d i f f e r e n tr e g i o n si nn e t w o r k d e t a i la n a l y s i st h es p e e d 、p r e s s u r e 、 r o u g hw a t e ri np i p et h a ta f f e c t e dt h ec h a n g eo ff l o wc h a r a c t e r ，w h i l e t h e o p e nd e g r e eo fv a l v ew h i c hi n t h ec o n n e c t e dp i p ea m o n g l e g i o n s ，t h ed e c i d e dm e t h o d sf o ro p e r a t es t r e n g t h so ff l o w , t r a n s f e r t of l o wc h a r a c t e rb yv a l v ea f t e rc a l c u l a t er e s i s t a n c eo fw h o l e c o n n e c t e dp i p e t h e nt od ol a y e rd i f f e r e n tc a l c u l a t ef o rw h o l ep i p e s e c o n d ：w a t e r m o d e l i n go f w a t e rs u p p l yn e t w o r k s i m p l yi n t r o d u c et h et r a d i t i o n a ll a y e rd i f f e r e n tm e t h o d so f b r a n c h 、c i r c l ea n dm i xn e t w o r k d e t a i la n a l y s e st h eo p e nd e g r e e s o f v a l v e sw h i l en o d e p r e s s u r en e e d e dc h a n g ei nt h eo p t i m a l d i s t r i b u t eo p e r a t eo fn e t w o r k t h o s em a i ni n c l u d e dt h em e t h o d so f s e n s i ，t i v ed e g r e ea n a l y s i st od e c i d et h ev a l v e s ，w h i c hn e e dr e g u l a t e i nn e t w o r k t h e yu s ea d v a n c e dl a y e rd i f f e r e n tc a l c u l a t em e t h o d st o c a l c u l a t et h ev a l u eo fn o d ep r e s s u r ew h i c ha f t e rn e t w o r kp r e s s u r e c h a n g e d t h a tm a yf o u n d e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nn o d ep r e s s u r e a n do p e nd e g r e eo fv a l v e s ，a n dt h e nd e c i d e dt h eo p e nd e g r e eo f t h e m t h em o s ti m p o r t a n tc o n t e n t sf o c u s e di nt h i sp a p e r 1 f o ri r r a t i o n a l d i s t r i b u t eo fa c t u a l i t yw a t e rs u p p l yn e t w o r k t h a tm a k em i c r om o d e lc a n ts o l v e dw h o l ep r o b l e m sw h i c he x i s ti n w a t e rs u p p l ys y s t e m s ，i tm u s tt od on e c e s s a r ya r r a n g e m e n tf o r m o d e mn e t w o r k a c c o r d i n gt ou s en o d ep r e s s u r et o a r r a n g e m e n t v 太原理工大学硕士研究生学位论文 n e t w o r k ，r e a l i z e dr e g i o n a lm a n a g e m e n t ，t h r o u g hr e g i o n sp i p e c o n n e c ta m o n ge a c hr e g i o n a l ，t h e r ea r ev a l v e si nc o n n e c tp i p e s t h r o u g hr e g u l a rt h eo p e nd e g r e eo fv a l v e st oa d j u s tt h ew a t e rf l o w a n dp r e s s u r eo fe a c hr e g i o n a l t h ep a p e rm a i nr e s e a r c h e st h ea f f e c t o f v a l v e so p e nd e g r e et ot h ef l o wo f w a t e rs u p p l yn e t w o r ks y s t e m 2 t h ec a l c u l a t em e t h o d so fp a r t i a lr e s i s t a n c ei na c t u a l i t yw a t e r s u p p l yn e t w o r k ，w h i c hm a i nc h o i c ew a y sa si g n o r e do ra d d e di n l i n e sr e s i s t a n c e ，i tw i l lp r o d u c e ds o m ed i f f e r e n c ef o rl a y e rd i f f e r e n t r e s u l t so fn e t w o r k t h ep a p e ru s es o m em e t h o d so rh y d r a u l i c st o d e c i d e dt h ec h a n g e df l o ww h i l eo p e nd e g r e ec h a n g e do fv a l v e sa n d t h ec a l c u l a t et h er e s i s t a n c eo fw h o l ec o n n e c t e dp i p e 3 a d dt h ec a l c u l a t em e t h o d so fv a l v er e s i s t a n c ec o e f f i c i e n t a n dd i s t u r b e rr a n g ei nc i r c l ep i p en e t w o r k u s ei m p r o v e dn e t w o r k l a y e rd i f f e r e n tm e t h o d st oc a l c u l a t et h ep r e s s u r eo fe a c hn o d e st h a t a f t e ro p t i m a lo p e r a t eo fn e t w o r kb u i l d i n gt h er e l a t i o n s h i pa m o n g n o d ep r e s s u r ea n dv a l v eo p e nd e g r e et h e nr e a l i t yt oc a l c u l a t e dt h e o p e nd e g r e eo fv a l v e st h e nr e v i s e dw h o l en e t w o i k ，t h e nf o u n d e d t h et h e o r yb a s i sf o ra c t u a l i t yr e a l i z e dv a l v eo p t i m a ls c h e d u l e k e yw o r d s ：d i v i d e dr e g i o n a lf o rw a t e rn e t w o r k ，o p e nd e g r e eo f v a l v e ，d e l i c a c yd e g r e eo fp r e s s u r e ，f l o wc h a r a c t e r , f l o wm o d e l v 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章选题背景 1 1 国内外给水系统优化调度和管理的研究现状 1 1 1 国外给水系统现代化管理与调度研究现状 给水管网水力分析计算开始于1 9 3 6 年，是运用h a r d y c r o s s 平差求解 方法对环状管网水力计算而提出的，随着计算机及其应用软件的发展，国 外给水管网的水力计算也有很大的发展，计算和实现上经历了三个阶段【l 】： 第一阶段：管网平差计算技术( 1 9 6 0 1 9 8 0 ) 。计算和校核管网运行状 况，提高设计和管理水平。 第二阶段：管网运行和优化调度计算和管理( 1 9 8 0 1 9 9 0 ) 。利用优化 设计、优化调度和计算机技术，提高运行效率和数据资料和管理水平。 第三阶段：自动化运行和管理( 1 9 9 0 ) 。由计算机总控系统进行远 程控制、远程数据传输和程序控制，实现源水水质、水位监视、管理优化 调度、系统运行核算等给水系统全过程的运行模拟、控制和管理。 给水系统模型研究开始于1 9 7 6 年【2 】，美国的r o b e r t 首次提出了给水 管网宏观模型。模型是在用水量满足“比例负荷”1 3 】_ 1 5 1 的前提下成立的。 近年来，由于信息技术的飞速发展，微观模型在国外得到广泛的应用。 在将计算机技术、控制技术、建模技术和系统论运用到给水管网系统 的同时，国内外一些专家也认识到给水管网优化布置对给水管网计算机调 度的重要作用，于是提出给水管网分区理论，并进行了行之有效的实践【6 】。 总之，计算机技术、控制技术、建模技术和系统论的发展促进了给水 系统管理的现代化，而分区技术使给水系统向现代化的方向迈进成为可 能。 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 】，1 2 国内给水系统现代化管理的研究进展 相对于国外而言，国内的给水系统的现代化管理显得有些滞后。国内 的专家，如王训俭、赵新华、赵洪宾等，在借鉴国外建模经验的基础上， 进行了卓有成效的探索，并取得较好的成果，这一切都推动了给水系统向 现代化的管理方向迈进。但就目前的现状而言，绝大多数供水企业是凭经 验进行管理的；少数几个水司，如上海、广州、深圳、杭州和中山等城市 均在不同程度上开始了信息监控s c a d a ( 监控和数据采集，s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ) 、g i s 和管网建模系统的建设和应用，但大多 数处于信息收集和数据管理阶段，尚未发挥对企业生产和管理的作用。由 于国内计算机技术的飞速发展，国内供水企业实行优化调度与管理的时代 已经来临引。 由原国家科委遥感中心、中国地理信息系统协会、中国海外地理信息 系统协会联合举办的“国产地理信息系统软件测评”测评结果表明与国外 优秀g i s 软件产品的差距正在缩小，有的软件在某些功能方面超过国外 g i s 软件，测评意见同意向国内g i s 市场正式推荐【9 】。 国内供水企业未真正实现计算机调度与管理的主要原因是缺乏与其 配套的、符合生产实际需求的给水系统应用软件及软件应用的基础数据、 成熟经验以及给水管网自身存在的问题】。 1 2 课题的提出 1 2 1 优化调度的基本原理 城市给水系统的优化调度就是在保证安全、可靠、保质、保量的满 足用户用水要求的前提下，根据管网监测系统反馈的运行状态数据或根据 科学的预测手段以确定用水量及其分布情况，运用数学上的最优技术，从 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 所有各种可能的调度方案中，确定一个使系统总运行费用最省、可靠性最 高的优化调度方案，从而确定系统中各类设备的运行工况，获得满意的经 济效益和社会效益f j 2 】。 管网调度首先是保证用户对水量、水压、和水质的要求，其次才是尽 可能高的追求管网运行的经济效益。所以优化调度的目标是： 1 降低水泵能量费用 2 减少渗漏水量 3 降低维护保养费用 要实现供水管网系统的优化调度，需要解决以下问题。首先必须建立 供水管网系统的数学模型。其次由于必须利用遥控遥测技术获取管网系统 实时运行情况的信息，所以需要根据实现计算机优化调度的需要，从技术 可行性和经济合理性出发，确定供水管网系统中所需实时检测的信息类型 和数量。 在此基础上，整个系统的调度过程分为两个阶段。第一个阶段：离线 调度阶段，这个阶段的任务是确定今后一个调度周期中各时间区间的调度 方案。由于实时检测信息的类型与实现系统计算机优化调度所需要的信息 类型不完全一致，在本阶段首先要将检测获得的信息转换成实现计算机优 化调度所需要的信息，这就是供水管网系统的状态估计问题。接着，由于 实时检测获得的信息描述了系统当前的运行情况，而计算机优化调度所要 确定的是系统今后一个调度周期内的调度方案。为此，必须预测系统今后 一段时间内的负荷即用户的需水情况。这就必须进行供水系统的短期负荷 预测。在估计出今后一个调度周期中各时间区间内的系统负荷后，最后再 确定系统在今后一个调度周期中各时间区间内各种装置的运行状态，做到 在保证系统服务质量的前提下，使供水费用最低，从而实现供水管网的优 化调度。 太原理工大学硕士研究生学位论文 在此之后，进入调度过程的第二阶段：在线调度阶段。该阶段的任务 是以第一阶段离线调度中所确定的调度方案为基础，确定当前某一时间区 间中系统的调度方案。为此，首先要考虑由于管网系统中会出现主干管道 破裂、堵塞等故障现象，对供水管网系统的状态必须实时跟踪，从而判断 当前系统是处于正常运行状态还是处于故障运行状态? 如系统处于故障 运行状态，应及时找出故障发生的位置，以便及早排除故障，同时确定系 统在故障状况下的应急调度方案。如系统处于正常运行状态，就判断当前 系统的负荷情况与调度第一阶段所确定的系统负荷情况是否一致? 如一 致，则第一调度阶段所确定的调度方案可直接投入运行。否则，须修正原 定的调度方案再投入运行。 综上所述，城市供水管网系统的计算机优化调度过程包括建立供水管 网系统模型、确定实时检测信息的类型和数量、实时检测信息的处理、系 统短期负荷的预测、故障的跟踪、故障状态下故障的诊断及应急调度方案 的确定以及正常运行情况下最优调度方案的确定等多方面的问题。供水管 网系统计算机优化调度的过程用图1 一l 描述。 1 2 2 管网水流模拟及阀门调节在优化调度中的重要性 给水管网系统中装置一些调控设备，如流量控制剐h 】、压力控制阀、 闸阀等，管网优化调度时调节这些阀门装置，使它们处于最恰当的工作状 态。管网水流模拟实际上是对管网中水流在不同阀门开启度条件下管段流 量及压力的模拟。传统的调节主要是通过改变二泵站的运转工况来满足管 网的服务水头。但这样为满足少量不利点水压要求，使多数节点承受不必 要的高压力，从而造成能耗的巨大浪费。实际上，通过阀门调节，寻找有 利的阀门运行工况组合，同样会达到满足个别不利点水压的需求，而不增 加二泵站的动能消耗。由于这种调度思路可大大节省管网调度所花费的时 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 间及有效地减少能量消耗，所以具有很大的运用前景1 4 】1 1 5 1 t 1 6 1 。 建立供水管网系统的数学模型 确暮誊嚣i第一阶段的类型和数量i第一阶段 各时间区间内的系统负荷 确定下一个调度周期中 各时间区间内的系统负荷 是 估计故障发生 确定应急调度方案 当前时间区间内系否 统是否存在故障? 当前 时间区间内系统 良荷与预测值是 一致? 根据负荷变化情况 调整第一阶段确定 的调度方案 第二阶段 是 将第一阶段确 定的调度方案 投入运行 图1 1 供水管网系统的计算机优化调度方案 f i g 1 1 f l o wc h a r to f o p t i m a ld i s p a t c hi nw a t e rs u p p l ys y s t e m 5 太原理工人学硕士研究生学位论文 1 2 3 国内外管网水流模拟的研究现状及存在的问题 传统的给水管网模拟平差计算中”7 1 ，通常只考虑沿管线长度的沿程水 头损失，而包括阀门在内的配件和附件所引起的局部水头损失，因为与沿 程水头损失相比很小而忽略不计或按照当量长度计入沿程水头损失中。在 一般情况下，局部水头损失产生的误差较小，计算结果与实际情况基本吻 合。然而城市地形复杂等特殊情况下，给水管网需借助阀门调节压力和流 量，一些阀门经常处于非全开状态，而非全开阀门的阻力系数是阀门全开 的几十倍，甚至上百倍。如果管网模拟平差计算忽略阀门水头损失，其结 果与实际情况相差甚远。 给水管网中水体流动属于粘性流体的受迫运动，管道中来流的紊动强 度、沿程压强梯度、管壁的粗糙都对流动状态的稳定有很大的影晌。但是 对流动状态起决定作用的还是雷诺准则。在紊流状态范围内，随着雷诺数 的增加，最初流体紊乱程度及流速分布较大，以后的影响逐渐变小。当雷 诺数大于临界数时，这种影响几乎不存在。 管网各个区域需水量发生变化时，可以调节区域问连接管上阀门的开 启度【1 8 】 1 9 1 【2 0 1 。随着阀门开启度的变化，连接管中流量发生变化，管中水 流的速度、压力的等都发生相应的变化，阀门附近一定的扰动范围内水体 的流态发生变化。所以整个管网应该重新平差计算，连接管上阻力的计算 分为三部分：阀门的局部阻力、扰动范围内水流沿程阻力、未受影响水流 沿程阻力。但是传统的和最近的给水管网平差计算都没有考虑到阀门开启 度对水流状态变化的影响，在优化调度时存在着一定的误差，尤其是传统 的水力计算误差更大。所以本文就阀门丌启度对水流状态变化的影响下提 出了新的管网平差计算方法。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 本论文研究的主要内容 1 3 1 本论文研究的主要内容 1 给水管网的水力特征 ( 1 ) 通过雷诺数判别管网的流态特征( 层流和紊流) 。 ( 2 ) 详细分析了管道中来水的流速、压强梯度、壁面粗糙对流态转 变的影响，以及区域间连接管上阀门开启度变化时，阀门对流量的调节强 度，流态转变和过渡段的确定，在此基础上计算管段不同区域内沿程阻力 和水头损失。 2 管网的水流模拟 简单介绍了树状网、环状网和混合管网得传统平差方法。详细分析了 管两优化调度运行过程中节点压力需要变化时，调节阀门的开启度使其发 生变化。主要包括运用灵敏度分析方法确定管网中需要调节的阀门、利用 改迸的管网平差方法准确计算压力变化后的各个节点的压力值、建立节点 水压和阀门开启度的关系确定阀门开启度的大小。 1 3 2 本论文创新点 ( 1 ) 现状给水管网对局部阻力的计算主要是采用将其忽略不计或计 入沿程损失中，会对管网平差结果产生一定的误差。本文主要通过结合水 力学确定管网中阀门开启度变化时流态的转变以及其附近扰动范围的计 算，准确计算整个连接管上的阻力。 f 2 ) 把管网中阀门阻力系数的计算公式和扰动范围应用到环状管网 中，利用改进的管网平差方法计算管网优化调度后的各个节点压力，建立 节点压力和阀门开启度的关系准确计算阀门开启度的大小，为真正实现阀 门的优化调度奠定了理论基础。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章给水管段水力特征及损失的计算 2 1 管网的布置形式及流态特征 2 1 1 管网的布置形式 给水管网的布置应满足以下要求： l 按照城市规划平面图布置管网，布置时应考虑给水系统分期建设的 可能，并留有充分的发展余地； 2 管网布置必须保证供水安全可靠，当局部管网发生事故时，断水范 围应减到最小； 3 管线遍布在整个给水区内，保证用户有足够的水压和水量； 4 力求以最短距离敷设管线，以降低管网造价和供水费用； 尽管给水管网有各种各样的要求和布置，但不外乎两种基本形式：树 状网和环状网。树状网一般适用于小城镇或小型工矿企业，这类管网从水 厂泵站或水塔到用户的管线布置成树枝状。显而易见，树状网的供水可靠 性差，因为管网中任段管线损坏时，在该管段以后的所有管线就会断水。 另外，在树枝网的末端，因用水量己经很小，管中的水流缓慢，甚至停滞 不流动，换句话说，就是水龄比较长，因此水质容易变坏，有出现浑水和 红水的可能。 环状网中，管线连接成环状，这类管网当任一段管线损坏时，可以关 闭附近的阀门使和其余管线断丌，然后进行检修，水还可以从另外管线供 应用户，断水的地区可以缩小，从而供水可靠性增加，而且折算水龄相对 较小，水质也比较好。 一般，在城镇建设初期可采用环状网，以后随着给水事业的发展逐步 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 连成环状网。实际上，现有城镇的给水管网，多数是将树状网和环状网结 合起来，形成混合管网。在城镇中心地区，布置成环状网，在郊区则以树 状网形式向四周延伸。 2 1 2 管网的流态特征 水管内的水流可分为两类。一类是非满流，具有自由水面，水面各点 受大气压作用，自由表面的压力为零，称为无压流，因水在重力作用下流 动，又叫重力流，但重力流不一定都是非满流；另一类是满流，水在压力 下流动，又称压力流。 另外，由于液体有粘滞性，液体流动时具有不同的流态：层流和紊流。 相同液体在同一温度、同一管道内流动时，因为流速的差异，可以处于不 同的流态。层流时，液体质点彼此不相混掺并作规则的线状运动。紊流时 液体质点相互混掺，各质点的运动轨迹没有规律，但总体说来还是沿着水 管向前流动。圆管内层流和紊流时的流速分布规律不同。两者的水头损失 和流速的关系也有差别。 一般用雷诺数判别水流的流态1 2 ，圆管满流流动时可根据下式算出雷 诺数： r e = 丝 ( 2 1 ) v 式中 r e 一雷诺数 v 断面平均流速( m s ) d 管径( m ) v 水的运动粘度( m 2 s ) 通过试验得出，圆管满流时的雷诺数r e 2 0 0 0 时为紊流。 9 太原理j 二大学硕士研究生学位论文 2 2 管段水头损失的计算 在管网计算时需要确定管线的水头损失，包括沿程水头损失和局部水 头损失。前者是克服管线摩擦阻力而损失的水头，它随着管线长度的增加 而增加，所以又称长度损失。后者是水流通过弯管、渐缩管、分流管、合 流管、阀门或其它管道附件时产生的水头损失。 2 2 1 沿程水头损失 l 通常，根据达西公式( d a r c y w e i s b a c h ) 计算管道的沿程水头损失【2 2 】： h-五l(2-2) d + 2 9 式中九沿程阻力系数 l 管线长度( m ) d 管径( m ) v 管道平均流速( m s ) 卜重力加速度( m 2 s ) 对给定管道，欲计算其沿程水头损失。必须首先确定管道的沿程阻力 系数。 2 沿程阻力系数 的确定 ( 1 ) 沿程阻力系数 的影响因素 应用简单的因次分析即可以看出影响沿程阻力系数x 值的一些变量。 影响水管中压力降的变量为： p = 巾( v ，p ，u ，d ，e ，1 )( 2 3 ) 式中p 液体密度( m l 。3 ) v 流速( l t 1 ) u 液体动力粘度( m l 。t 。) 太原理工大学硕士研究生学位论文 d 管径( l ) e 水管的绝对粗糙度( l ) 1 水管长度( l ) 共计7 个因次变量，其中包含3 个基本因次，因此必须有4 个无因次 n 项。据n 定理可以写出： l = ( 矿y “d 1 ) p、 ：= ( p 。y bd t ) uf( 2 4 ) n 。= ( p mv 如d c 3 ) ef 。= ( 口_ y hd q ) l j 将因次代入上式，列出指数总和等于零的联立方程，解得a i 、b 。、 和c i 值，结果如下： 。：垒 p v n ：= 上 o v a e 。= 一 4 d n 2 i 按照下列关系加以结合 得 ( 2 5 ) nj = ( 2 ，3 ，4 ) ( 2 - 6 ) 竺：巾( r e ，三，三) v z p dd ( 2 7 ) 、i， 太原理工大学硕士研究生学位论文 由此看出： 九= f ( r e ， )( 2 8 ) d 即沿程阻力系数 ，一般是管道雷诺数r e 和相对粗糙度三的函数。 ( 2 ) 管道的沿程阻力系数试验 紊流时的沿程水头损失比较复杂，大量实验数据可揭示素流时沿程水 头损失的规律。以下就尼古拉兹对人工粗糙管的试验加以介绍。 尼古拉兹( l n i k u r a d s e ) 进行的试验可以阐明液体在圆管中流动时的 沿程阻力系数九值和变量( r e ，三) 之间的关系。在不同直径的管道内壁粘 以一层具有均匀颗粒e ( 即绝对粗糙度) 的砂粒。试验时相对粗糙度三的 范围为1 3 0 1 1 0 1 4 。根据测定的水管平均流速和水头损失，并按 ： 芝孥求出阻力系数凡。试验结果绘成九：f ( r e ，三) 的关系曲线。如 l v d 图2 1 所示 由图2 1 可见，x 和r e 及三的关系可分成下列5 区： 第1 区，层流区。当r e 4 0 0 0 时，随着r e 的增大，_ e 对 仍无影 响。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 6 2 83 0 3 23 43 6 3 84 0 4 24 4 4 64 85 05 25 4 5 65 86 1 9 r e 图2 一i 尼古拉兹试验曲线 c1 d3 0 p1 d6 l o1 d1 2 6 ci d2 5 2 el d5 0 7 cl d1 0 1 4 0 f i g 2 1 t h ec u r v e so fj n i k u r a d s ee x p e r i m e n t 这是因为管壁上有一很薄的水流层，称为近壁层流层，其厚度大于壁 面的绝对粗糙度，因此壁面粗糙度对k 没有影响。光滑区的x 值，勃拉修 斯( p r h b l a s i u s ) 提出以下经验公式： = o 3 1 6 4 r e o 2 5 f 2 - 9 1 上式适用于4 0 0 0 r e e 时，则 称为光滑管，6 e 时，则称为粗糙管。 尼古拉兹的试验成果从理论上推导光滑管和粗糙管的九公式提供了 必要的条件。但因人工粗糙度与水管的实际粗糙度并不一致，因此还不能 直接用于计算。工程实际中常用沿程阻力系数公式如下： 1 ) 紊流时光滑管的普朗特沿程阻力系数公式 去_ 2 l g ( r e 伍) - 0 8 = - 2 1 9 2 5 1 r e 4 2 s ( 2 - 1o ) 加 、 上式可改写为： 兰= 1 1 4 一1 9 4 + 2 1 9 ( r e 佤- ) 加 = 1 1 4 2 1 9 ( 9 3 5 r e 加) ( 2 1 1 ) 式2 一1 0 的九。为光滑管的沿程阻力系数。它只和雷诺数有关，而与 相对粗糙度无关。该式是隐函数式，等号两侧都有 。，而须用试算法或迭 代法求解。 2 ) 完全粗糙管的沿程阻力系数公式 = 2 1 9 ( 尘) + 1 7 4 ( 2 1 2 ) 、i h e 或 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 瓦1 - - i 1 4 - 2 1 9 ( 詈) = - 2 1 9 丽e d ) ( 2 - 1 3 ) 式中 詈相对粗糙度，粗糙高度e 与水管直径d 之比： r o _ 一水管半径( m ) 。 从式看出，粗糙管的沿管阻力系数x 一只和相对粗糙度号有关，而与 r e 无关。 3 ) 过渡区的沿程阻力系数公式 工程上的管道水流多数在过渡区，柯尔勃洛克( c f c o e b r o o k ) 和 魏特( c m w h i t e ) 将普朗特的光滑管公式( 式2 1 0 ) 以及卡门的粗糙管 公式( 式2 1 3 ) 两式相加，得出过渡区的阻力系数式： 面1 - - - 2 1 9 ( 丽e d + 瓦2 5 加1 ) ( 2 一1 4 ) 和 去：1 7 4 - 2 1 9 ( 2 i 一1 8 枷7 ) d r e ( 2 - 1 5 ) 五r兄r 或 1=114-219(d+一935)4ar d r e q 五r ( 2 - 1 6 ) 式中 广过渡区的沿程阻力系数 e 当量粗糙度 以上是柯尔勃洛克一魏特公式，目前认为，这是水利计算的最精确的 公式，精确度在3 。 它也是一个隐函数式，可以应用牛顿法解过渡区沿程阻力系数，将函 数式写成： 太原理工大学硕士研究生学位论文 f ( x ) = t 1 ( 2 - 1 7 ) 五 当正确解代入时，f ( ) = 0 ，即 1=114-219(d+一935)4a d r e 4 2 = 。 ( 2 - 1 8 ) 根据解非线性方程的牛顿法，求未知量x p ”一怨 ( 2 _ 1 9 ) 式中n 迭代次数。 为了说明经上式迭代后，能得到更接近的x 值，试分析所求解九附近 的f ( x ) i n 。当初始估算值九o ) 代入时，因 ( o 不是正确解，f ( 九) 0 。 导致，。( 爿o ) 为曲线的斜率，从斜率在x 轴上的投影可得更接近正确解的 凡( 。 解 ( 1 ) 得： 九( i ) = x 。】一a ! l ：；丢c 2 一z 。， ，口 这是式2 - - 3 3 在n ：0 时的情况。用同样方法重复计算，得 ”，九， ：”，x ，当迭代次数n 足够大时，函数( 硝“) 将趋近于零， 即得 的j e 确解。 懈式2 18 时，导数d f d 为： 妾：一上一上篙粤一 ( 2 2 1 ) 以一2 a - f a - 五( 三+ 竺) r e 瓶 + 一 、d r e 五 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 沿程水头损失的计算步骤 1 ) 按下式求r e 值： r e ：堕：一p v d v“ 2 ) 如r e 2 0 0 0 ，则定为紊流，先定出相对粗糙度之值。 “ 4 ) 已知r e 和。e ，可从柯尔勃洛克一魏特公式定出过渡区的紊流阻 “ 力系数九t 值。 5 ) 按达西公式求出水头损失： ” h = 五 2 2 2 局部水头损失 水流通过弯管、渐缩管、三通、四通、阀门、或其它管道附件时，会 ，2 引起局部水头损失。其一般计算公式为h = 一，一局部阻力系数。但是 2 9 在给水管道的通常计算中。局部水头损失和沿程水头损失相比，其值很小。 在管网的分析计算时，局部水头损失常忽略不计。必要时，各配件和附件 都可化成当量管来计算水头损失，所谓当量管是指任何流量时其水头损失 相当于水管沿程和局部水头损失之和。换算方法是在实际水管长度上另加 l ，使l 产生的沿程损失等于流经该配件或附件时的局部损失，然后将 l + l 代入沿程水头损失式中计算。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 系： 因h = 丑i 可看作是系数旯与速头芸的乘积，从系数相等的关 l ：丑竺 d 得： 1 ：望 见 式中 e 一局部阻力系数。 般认为，当管段长度为直径得1 0 0 0 倍以上时 2 3 区域连接管上带阀门管段损失的计算 2 3 1 给水管网分区 ( 2 2 2 ) ( 2 2 2 ) 才可不计局部损失。 给水管网分区对提高供水系统管理水平、提高供水效益、优化管网运 行以及减小产销差等都具有重要的意义。这里的分区不同于一般概念上的 管网并联或串联分区，而是在管网节点压力、供水分界线、等压线已知的 情况下将现有的管网系统改造为若干个区域，实现分区供水，实施区域管 理。为保证安全用水，各区域之间用应急管连通。分区后管网的供水管和 配水管功能明确，各区域的进水点数目少【2 3 1 。如图2 - - 2 所示。 1 给水管网分区的方法 一般应根据管网分区的目的来确定分区，其技术流程如图2 3 所示。 整个分区过程包括以下五个部分：管网微观动态模型的建立、选择区域系 统阶层数、确定区域规模、划定区域边界、设定进水点及区域的规模等。 ( 1 ) 选择区域系统阶层数 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 进水 控制 进水 图2 2 给水管网分区示意图 f i g 2 - - 2 t h es k e t c hm a po f w a t e rn e t w o r kd i v i d e dr e g i o n a l 图2 3 给水管网分区流程图 f i g 2 3 t h ef l o wc h a r to f w a t e r n e t w o r kd i v i d e dr e g i o n a 】9 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一阶层分区系统可实现合理配水，除此以外的其它功能如流量计量、压 力控制、改善低压区、减少漏失量、提高水质等应在第二阶层或第三阶层 分区系统中实现。一般根据管网规模、可靠性要求及资金状况等确定阶层。 ( 2 ) 划定区域规模 在保证用户水压足够的前提下，分区后的管网应均衡水压，尽可能实 现低压供水以利于减少漏失量、能耗和事故发生率。为将区域水压控制在 一定范围内，需考虑以下因素来确定区域规模：区域内地形标高差、管道 的水头损失、区域的形状、进水点的位置、人口密度及工业用水情况等。 ( 3 ) 确定进水点数目和位置 区域的进水点数目和水压控制、流量测定以及事故发生的解决措施有 关。在保证供水安全可靠的情况下，进水点数目应尽量少。 ( 4 ) 划定区域边界 分区边界应考虑的主要因素是：地面标高、地形；用户用水类型；现 有水厂的供水能力；水压分界线等。 ( 5 ) 区域的规整 分区确定之后应通过水力模拟计算确定其合理性并进一步完善方案， 明确给水管网系统中的主要送水干管，限制用于管配水。 2 分区的作用 ( 1 ) 给水管网系统发展规划：如果可掌握各个区域的水量，就容易计 算分配水量、布置管道、计算管径等；如果明确各管路的功能及重要性， 就会便于提出旧管道的改建方案。 ( 2 ) 控制水压：根据安装在区域边界和区域末梢的仪表数据，调整进 水管线上的阀门开启度，均衡管网水压，实现管网低压供水，减少漏失量 并节省能