-给水排水管网水力学基础[]PPT课件

1 第3章给水排水管网水力学基础 2 3 1给水排水管网水流特征 3 1 1管网中的流态分析在水力学中 水在圆管中的流动有层流 紊流及过渡流三种流态 可以根据雷诺数Re进行判别 其表达式如下 式中 V 管内平均流速 m s D 管径 m 水的运动粘性系数 当水温为10oC时 1 308x10 6m2 s 当水温为30oC时 0 804x10 6m2 s 当水温为50oC时 0 556x10 6m2 s 当Re小于2000时为层流 当Re大于4000时为紊流 当Re介于2000到4000之间时 水流状态不稳定 属于过渡流态 给水排水管网中 流速一般在0 5 1 5m s之间 管径多在0 1 1 0m之间 水温一般在5 25 之间 水的动力粘滞系数在1 52 0 89 10 6m2 s之间 水流雷诺数约在33000 1680000之间 处于紊流状态 计算表明 给水排水管网中 阻力平方区与过渡区的流速界限在0 6 1 5m s之间 过渡区与光滑区的流速界限则在0 1m s以下 多数管道的水流状态处于紊流过渡区和阻力平方区 部分管道因流速很小而可能处于紊流光滑管区 水头损失与流速的1 75 2 0次方成正比 3 3 1 2恒定流与非恒定流由于用水量和排水量的经常性变化 给水排水管道中的流量和流速随时间变化 水流经常处于非恒定流 又称非稳定流 状态 但是 非恒定流的水力计算比较复杂 在管网工程设计和水力计算时 一般按恒定流 又称稳定流 计算 随着计算机技术快速发展与普及 国内外已经开始研究和采用非恒定流计算给水排水管网 而且得到了更接近实际的结果 3 1 3均匀流与非均匀流给水排水管网中的水流参数随时间变化 也随空间变化 特别是明渠流或非满管流 通常都是非均匀流 对于满管流 长距离等截面满管流为均匀流 对于非满管流或渠流 只要长距离截面不变 也可近似为均匀流 按沿程水头损失公式计算 对于短距离或特殊情况下的非均匀流动 运用水力学理论按缓流或急流计算 3 1 4压力流与重力流压力流输水通过具有较大承压能力的管道进行 水流在运动中的阻力主要依靠水泵产生的压能克服 管道阻力大小只与管道内壁粗糙程度 管道长度和流速有关 与管道埋设深度和坡度等无关 重力流输水系统依靠地形高差 通过管道或渠道由高处流向低处 水流的阻力主要依靠水的位能克服 水位沿水流方向降低 称为水力坡降 给水管网多采用压力流输水方式 如果地形条件允许 也可采用重力流输水以降低输水成本 排水管网一般采用重力流输水方式 要求管渠的埋设高程随着水流水力坡度下降 4 3 2管渠水头损失计算 3 2 1沿程水头损失计算对于任意形状管渠断面 采用谢才 Chezy 公式 式中hf 沿程水头损失 m v 过水断面平均流速 m s C 谢才系数 l 管渠长度 m R 过水断面水力半径 m 对于圆管满流 R 0 25D D为直径 m 对于圆管满流 可采用达西 韦伯 Darcy Weisbach 公式 式中D 管段直径 m g 重力加速度 m s2 沿程阻力系数 5 常用管材内壁当量粗糙度e mm 表3 1 6 3 2 3局部水头损失计算 计算公式 式中 hm 局部水头损失 m 局部阻力系数 见表3 5 局部阻力系数 表3 5 经验表明 给水排水管网中的局部水头损失一般不超过沿程水头损失的5 所以 在管网水力计算中 常忽略局部水头损失的影响 不会造成大的计算误差 7 3 2 4水头损失公式的指数形式 将水头损失计算公式写成指数形式 有利于统一计算公式的表达形式 简化给水排水管网的水力计算 也便于计算机程序设计和编程 沿程水头损失计算公式的指数形式为 式中 k n m 指数公式的参数 见表3 6 比阻 即单位管长的摩阻系数 k Dm sf 摩阻系数 sf l kl Dm 沿程水头损失指数公式的参数表3 6 或 或 8 3 3非满流管渠水力计算 在排水管网中 污水管道一般采用非满管流设计 雨水管网一般采用满管流设计 如图3 1所示 在两者的运行过程中 大多数时间内 均处于非满管流状态 为了简化计算工作 在给水排水管道的水力计算中一般都采用均匀流公式 图3 1圆形管道非满管流和满管流示意图 a 非满管流 b 满管流 图3 2圆形管道充满度示意图 3 3 1非满流管道水力计算公式 管渠流量公式 式中A 过水断面面积 m2 I 水力坡度 对于均匀流 为管渠底坡 9 非满流管道水力计算参数公式 设管径为D 管内水深为y 充满度为y D 由管中心到水面线两端的夹角计算公式 式中 的单位为弧度 过水断面面积 湿周和水力半径依次为 或 和 设该管道的坡度为I 满管流时的过水断面面积 水力半径 流量和流速分别为A0 R0 q0和v0 可得 和 10 3 4管道的水力等效简化 水力等效简化原则 经过简化后的管网对象与原来的实际对象具有相同的水力特性 如两条并联管道简化成一条后 在相同的总输水流量下 应具有相同的水头损失 3 4 1串联或并联管道的简化 管道串联等效直径 管道串联 如图3 4所示 两条或两条以上管道串联 可将它们等效为一条直径为d 长度为l的管道 根据水力等效原则 有 管道并联 两条或两条以上管道并联 长度相等 可以将它们等效为一条直径为d长度为l的管道 则 11 3 4管道的水力等效简化 水力等效简化原则 经过简化后的管网对象与原来的实际对象具有相同的水力特性 如两条并联管道简化成一条后 在相同的总输水流量下 应具有相同的水头损失 管道串联等效直径 3 4 1串联或并联管道的等效简化管道串联 如图3 4所示 两条或两条以上管道串联 可将它们等效为一条直径为d 长度为l的管道 根据水力等效原则 有 12 当并联管道直径相同时 等效直径 管道并联 两条或两条以上管道并联 长度相等 可以将它们等效为一条直径为d长度为l的管道 则 并联管道等效直径 13 干管配水情况 14 沿程水头损失 3 4 2沿线均匀出流的简化给水管网中的配水管沿线向用户供水 如图3 6所示 假设沿线出流是均匀的 则管道内任意断面x上的流量可以表示为 为简化计算 将沿线流量简化为在管道起端和未端的两个集中流量 假设未端的流量为 ql 称为流量折算系数 其余流量转移到起端 则管道流量为q qt ql 根据水力等效原则 有 15 结论 管道沿线出流的流量可以近似地一分为二 平均分配到管段的两个端点上 由此造成的计算误差在工程上是允许的 16 设管道直径为D 局部阻力系数为 令其局部水头损失与折算当量管道的沿程水头损失相等 可以计算当量管道长度ld 即 3 4 3局部水头损失计算的简化给水排水管网中的局部水头损失一般占总水头损失的比例较小 通常可以忽略不计 在一些特殊情况下 局部水头损失必须进行计算 为了简化计算 可将局部水头损失等效于一定长度