第三章给水排水管道系统水力计算基础报告.ppt

第3章给水排水管网水力学基础 水流运动的类型 若流场中各空间点上的任何运动要素均不随时间变化 称流动为恒定流 否则 为非恒定流 恒定流中 所有物理量的表达式中将不含时间 它们只是空间位置坐标的函数 时变导数为零 一 恒定流 非恒定流 运动要素是否沿程变化 均匀流 非均匀流 二 均匀流 非均匀流 渐变流 急变流 均匀流的流线必为相互平行的直线 而非均匀流的流线要么是曲线 要么是不相平行的直线 举例 注意 控制流动的规律 能量守恒质量守恒 4 微小流束的能量方程 单位总能量 单位动能 单位压能 单位位能 单位势能 实际流体恒定总流的能量方程 分析水力学问题最常用也是最重要的方程式 四 能量方程的意义 单位重量流体所具有的位置势能 简称单位势能 单位重量流体所具有的压强势能 简称单位压能 单位重量流体所具有的总势能 简称单位势能 单位重量流体所具有的动能 简称单位动能 沿程水头损失计算 沿程阻力系数或谢才系数的估计方法 8 满管流 满管流 非满管流 达西 1 奠定比托管构型2 确定管流达西公式3 达西渗流定律4 求谢才系数 9 比托管 1732年 法国皮托发明比托管达西发明了沿流动方向布置的静压管 10 达西公式 1839年德国工程师哈根发表黄铜管 D 6cm L 1m 的水流结果1840年生物学家泊肃叶发表玻璃毛细管的水流实验结果1845年德国数学家魏斯贝奇用量纲分析方法推导圆管沿程阻力公式 但其系数含糊不清 无法工程上使用1857年达西设计了各种材料 各种规格的管道D 1 2 50cm L 100m 材质为玻璃 铸铁 生铁 铅管等等 总结水流阻力变化规律 11 渗流定律 达西负责设计和建造第戎市公共泉水工程 系统研究了地下水流动和饮用水沙层过滤规律 设计了著名的柱状沙桶渗流试验装置 12 人工明渠流实验 V C sqrt R J 谢才公式18世纪末水力工程师寻找了80年的C 但均未成功达西用系统化的实验方法解决450m长 底宽2m的木质棱柱明渠渠底可调坡度76m 2的引水池 其水源由4个闸门从运河入口处12个方形均匀孔导流流量计 深度仪 毕托管 浮子测速仪各种截面形状 各种壁面材料 历时7年 13 达西公式 1858年 渗流定律 1856年 实施明渠流实验 1855 1857 都是在去世前3年 身体虚弱的状态下完成的 令人肃然起敬1891年 曼宁根据达西助手巴赞的结果 总结出曼宁公式 14 3 2 3局部水头损失计算 15 式中hm 局部水头损失 m 局部阻力系数 给水排水管网中局部水头损失一般不超过沿程水头损失的5 常忽略局部水头损失的影响 不会造成大的计算误差 3 2 4水头损失公式的指数形式 16 有利于管网理论分析 便于计算机程序设计 1 沿程水头损失公式的指数形式为 式中k n m 指数公式参数 a 比阻 即单位管长的摩阻系数 2 局部水头损失公式的指数形式为 17 3 沿程水头损失与局部水头损失之和 式中Sm 局部阻力系数 式中Sg 管道阻力系数 分析水力学问题最常用也是最重要的方程式 有无自由表面 有压流 无压流 有压流 无压流 有压流主要是依靠压力作用而流动 而无压流主要是依靠重力作用而流动 举例 注意 长管 如果作用水头的95 以上用于沿程水头损失 我们就可以略去局部损失及出口速度水头 认为全部作用水头消耗在沿程 这样的管道流动称为水力长管 否则为水力短管 长管 作用水头全部消耗于沿程损失 有压流 21 管道的水力等效简化 管网简化 利用水力等效简化原理 水力等效简化原则 简化后 等效的管网对象与原来的实际对象具有相同的水力特性 有压流 串联管道 n段串联管道 各段损失分别计算然后叠加 认为作用水头全部用于沿程损失 可得一个方程 有压流 串联 23 有压流 并联管道n段并联管道的水头损失是相同的 给出n 1个方程 流量之和为总流量 又可得一个方程 i 1 n 有压流 25 2 并联 当并联管道直径相同时 有压流 沿程均匀泄流管 有压流 27 3 4 2沿线均匀出流的简化 干管配水情况 有压流 28 假设沿线出流是均匀的 则管道的任一断面上的流量 沿程水头损失 有压流 29 沿程水头损失 将移至两端点 分别为 管道内流量为 有压流 30 根据水力等效原则 有压流 31 有压流 例 一条混凝土输水管长L 50m 其中起点的节点流量Q 0 200m3 s 管道直径为0 3m 设该管均匀出流 流量为0 0005m3 s每米 求总水头损失 曼宁公式粗糙系数 32 有无自由表面 有压流 无压流 有压流 无压流 有压流主要是依靠压力作用而流动 而无压流主要是依靠重力作用而流动 举例 注意 明渠水流 无压流 具有显露在大气中并且可以自由变动的自由水面 水面压强一般为大气压 其相对压强为零 大多是露天开敞式的 本课程只讨论明渠恒定均匀流问题 明渠水流根据其空间点上运动要素是否随时间变化 可分为恒定流和非恒定流 根据其运动要素是否随流程变化 可分为均匀流与非均匀流 非均匀流又有渐变流和急变流之分 明渠的几何性质 一 明渠的横断面 天然河道的横断面 人工渠道的横断面 人工断面形式 梯形矩形 可以看成是梯形的特例圆形马蹄形 结构受力较好蛋形 减少淤积 底部较大流速 38 二 明渠的底坡 渠底与纵剖面的交线称为渠底线 常用符号i来表示 当底坡较小时 在工程中明渠底坡可能有三种情况 分析水力学问题最常用也是最重要的方程式 明渠均匀流的基本公式 罗马输水管渠 38ADCaligula主持修建Novus渡槽水源 河水长度 39mile渡槽尺寸 2 5 7ft 2水量 196 627m 3 day罗马工程师把水量当做了水流横截面积 44 坎儿井 45 定向 46 中国 约256B C 李冰父子修建都江堰 是以无坝引水为特征的宏大水利工程 李冰曾在都江堰安设石人水尺 这是中国早期的水位观测设施 绪论 都江堰 李冰修都江堰時 曾設立三個石人水則 以水位 竭不至足 盛不沒肩 來衡量水量足夠與否 圖中Q1所示者灌區最低需水量 Q2所示者保證灌區安全的最高引水量 意大利 1500A D 达芬奇提出水文循环观点并使用浮标测量流速 意大利 1610年 Santorio创制第一台流速仪 53 Aqueduct designedbyHenriPitot inMontpellier France HenriPitot bornMay3 1695 Aramon France diedDecember27 1771 Aramon FrenchhydraulicengineerandinventorofthePitottube whichmeasuresflowvelocity Beginninghiscareerasamathematicianandastronomer PitotwonelectiontotheAcademyofSciencesin1724 海流測量之儀器與方法 阻抗式 根據海流流速大小與產生之拖曳力成正比之關係而設計 a 圖為CBI擋流板式 ChesapeakeBayInstituteDrag b 圖則為Savonius轉子 Rotor 方式 RCM海流儀即為後者方式 ADV点式流速仪 ADCP Acoustic 声学Doppler 多普勒Current 流速Profiler 剖面仪 水流在垂向上被分割成若干层 叫做深度单元 depthcell 一台ADCP相当于许多台单点流速仪 深度单元和流速剖面 深度单元 ADCP 机械式流速仪 粒子成像速度计 PIV PIV原理 粒子成像速度计 PIV 典型系统 粒子成像速度计 PIV 算法 4粒子成像速度计 PIV 算法 自相关 互相关 粒子成像速度计 PIV 尾迹中的粒子图 尾迹的速度场 PIV定量测量的活鱼尾迹流场 来流速度88mm s 脉冲的间隔3ms 查询区为2 74mmX2 74mm 差压式流量计 文丘利流量计属于差压式流量计当充满圆管的流体流经在管道内部安装的节流装置时 流束将在节流件处形成局部收缩 使流速增大 静压力降低 于是在节流件前后产生压力差 该压力差通过差压计检出 流体的体积流量或质量流量与差压计所测得的差压值有确定的数值关系 涡街流量计 涡街流量计电压式涡街流量计插入式涡街流量计分体式涡街流量计潜水型涡街流量计精度 0 1 适用流体 液体 蒸汽 饱和 过热 明渠均匀流的基本公式 67 排水管渠粗糙系数表 哪个断面的过水能力大 矩形断面n 0 013 满流 V 1 nR 2 3 i 1 2 A bHx 2B 2HR A x非满流 A bhx B 2HR A x 69 解 计算题 可见 两渠道在过水断面面积相等时 由于渠道的底宽和水深不同 它们的过水能力是不同的 水力半径越大的 其过水能力越强 或者说湿周越小的 过水能力就越强 梯形断面明渠n 0 025 V 1 nR 2 3 i 1 2 A B mh hX b 2hsqrt 1 m2 R A x 72 梯形断面明渠n 0 025 设某梯形断面明渠边坡系数m 1 5b h 4800mm 水力坡度i 0 002求流量和流速 过水断面a b mh h 57 6m2湿周x b 2hsqrt 1 m2 22 1mR a x 2 6mV 1 nR2 3I 3 387mQ a v 195m3 s 73 梯形断面明渠 某梯形断面明渠底宽b 4800mm水深2400mm边坡系数0 002求流量和流速参考答案 47 234m3 s2 342m s 74 圆形明渠流水力计算 75 水力计算目的 确定 圆形非满流管渠水力计算公式 1 非满流管渠水力计算公式 76 非满流管渠水力计算基本公式 77 v q D h D I五个变量 已知三个 求另两个 分析 Mathcad统一解法 知3求2已知流量 管径 水力坡度 求充满度和流速例3 1某污水管设计流量q 100L s 水力坡度I 0 007 管径D 400mm的钢筋混凝土管 n 0 014 求充满度和流速 78 79 简化 水力计算表 按两个公式制成图表 简单 精度较差 且只适用于一种管材 借助满流水力计算公式并通过一定的比例变换进行计算 假设一条满流管渠与待计算的非满流管渠具有相同的D和I 满流时 80 方法一 数列用来给矩阵赋值矩阵的元素加减乘除 81 方法二 参数法将自变量和变量都写成某个参数的函数 利用参数进行绘图 82 83 3 3 2圆形非满流管渠水力计算方法 1 常采用水力计算图或表进行计算 水力计算图适用于混凝土及钢筋混凝土管道 其粗糙系数n 0 014 每张图适用于一个指定的管径 图上的纵座标表示坡度I 即是设计管道的管底坡度 横座标表示流量Q 图中的曲线分别表示流量 坡度 流速和充满度间的关系 当选定管材与管径后 在流量Q 坡度I 流速v 充满度h D四个因素中 只要已知其中任意两个 就可由图查出另外两个 2 借助于满流水力计算公式并通过一定的比例变换进行计算 圆形排水沟道水力计算 例 钢筋混凝土圆形排水管 非满流n 0 014V c sqrt Ri c 1 nR 1 6 R A xA 0 5r 2 sita sin sita x rsita 84 钢筋混凝土圆形排水管 某钢筋混凝土圆形排水管 直径1500mm 粗糙系数n 0 014 水力坡度i 0 001 求最大设计充满度h H 0 75时的流量和流速先计算满流流量和流速 v csqrt Ri 1 17m s2 07m3 s查表求h H 0 75时的v v0 1 125q q0 0 9V 1 125 1 17 1 32m sq 1 87m3 s 85 宽矩形断面 水泵与泵站水力特性 Hp he sp qp 2通过样本泵的流量 扬程数据 拟合得到he spHe是流量为0的时候的理论最大扬程Sp是泵的内部阻力 起到减少扬程的作用 90 例 流量 576792972扬程 635850试拟合出he和sp 91 Mathcad方法 设置拟合函数给拟合参数赋初值利用genfit 拟合数据x 拟合数据y