第三章 给水排水管网水力学基础.ppt

第三章给水排水管网水力学基础,3.1给水排水管网水力学基础,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,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。,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。,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。,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,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/s2；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。,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，1.0e5.0mm;曼宁公式适用于较粗糙的管道,0.5e4.0mm;海曾-威廉公式适用于较光滑的管道,e0.25mm;舍维列夫公式适用于1.0e1.5mm.,局部水头损失计算,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：,局部水头损失公式的指数形式：,3.3非满流管渠水力计算,排水管网和长距离输水工程常采用非满管流。非满管流水力计算的目的：确定管段流量、流速、断面尺寸、充满度和坡度之间的关系。,3.3.1非满流管渠水力计算公式,充满度h/D指设计流量下，管道内的有效水深与管径的比值。过水断面A=A（D，h/D）水力半径R=R(D,h/D)采用谢才公式计算水头损失，将曼宁公式代人并转换：由流量和流速关系得：,h,D,5个水力参数q、D、h、I、v,已知其中3个才能求出另一个，水力计算很复杂。,非满流水力计算简化方法,（1）水力计算图表（2）借助满流水力计算公式并通过一定的比例变换进行计算,充满度,流量,坡度,流速,（1）水力计算图表,精度低，通用性差。,(2)比例变换法,假设有一条满流管渠与待计算的非满流管渠具有相同的管径D和水力坡度I，其过水断面面积为A0，水力半径为R0，通过流量为qo，流速为vo，可以证明：A/A0、R/R0、q/qo、v/vo只和充满度有关。见图3.2，表3.7,非满流管渠水力计算方法,一、已知流量q、管径D和水力坡度I，求充满度h/D和流速v。1）先由下式计算q/q0，反查表3.7的充满度h/D；,2）根据充满度h/D，查表3.7得A/A0，然后用下式计算流速v。,例3.1已知某污水管道设计流量为q=100L/s，根据地形条件可以采用水力坡度为I=7%，初拟采用管径D=400mm的钢筋混凝土管，粗糙系数nM=0.014，求其充满度h/D和流速v。,解用粗糙度系数、管径和水力坡度带入式3.32计算：反查表3.7的充满度h/D=56.9%，相应A/AO=0.587，由式3.33计算：,非满流管渠水力计算方法,其他组合情况p55,3.4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。,l1l2lNd1d2dN,1、串联管道的简化,l,根据水力等效的原则：,2、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：,d1q1d2q2dNqN,q,任一管段的流量：沿线流量，转输流量。,3、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二，转移到两个端点上。,4、局部水头损失计算的简化,可将局部水头损失等效于一定长度的管道（称为当量管）的沿程水头损失，从而与沿程水头损失合并计算。,3.5水泵与泵站水力特性,3.5.1水泵水力特性公式及其参数计算,扬程：水泵提供给单位重量水的机械能（mH2O）。水泵水力特性：表征水泵流量和扬程的关系，如下式：,hp水泵扬程，m；qp水泵流量，m3/s；he水泵净扬程，m；sp水泵内阻；n与水头损失计算指数公式相同的指数。,根据水泵样本确定he和sp（最小二乘法，图解法）,（1）工频泵水力特性,（2）调速水泵水力特性,r0水泵额定转速，r/min;r水泵工作转速，r/min。改变水泵转速改变水泵净扬程，不改变内阻。,（3）考虑吸水和压水管路阻力后水