给水管网水力计算基础

1、第第3章章 给水管网水力学基础给水管网水力学基础第第3章章 给水管网水力学基础给水管网水力学基础 3.1给水管网水流特征 3.2管渠水头损失计算 3.3给水系统的水压关系（补充） 3.4管道的水力等效简化 3.5给水管网模型3.1 给水管网水流特征给水管网水流特征3.1.1管网中的流态分析管网中的流态分析流态特征流态特征水的三种流态：水的三种流态： 层流层流 re4000 过渡流过渡流 20004000给水排水管网水流一般处在给水排水管网水流一般处在紊流流态紊流流态紊流流态分为三个阻力特征区：紊流流态分为三个阻力特征区： 阻力平方区阻力平方区 水头损失与流速平方成正比水头损失与流速平方成正比

2、过渡区过渡区 水头损失和流速水头损失和流速1.752次方成正比次方成正比 水力光滑管区水力光滑管区 水头损失和流速水头损失和流速1.75次方成正比次方成正比给水排水管网水流一般处在给水排水管网水流一般处在阻力平方区和过渡区阻力平方区和过渡区3.1.2恒定流与非恒定流恒定流与非恒定流 给水排水管网中，给水排水管网中，水流水力因素随时间变化水流水力因素随时间变化，属，属于非恒定流，水力计算复杂。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。在设计时一般只能按恒定流计算。 3.1.3均匀流与非均匀流均匀流与非均匀流 非均匀流：非均匀流：水流参数随空间变化水流参数随空间变化。 满管流动满管

3、流动 1）如果管道截面在一段距离内不变且不发生转）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沿程水头损失公式计算；计算； 2）当管道在局部分叉、转弯与变截面时，流动）当管道在局部分叉、转弯与变截面时，流动为非均匀流，采用为非均匀流，采用局部水头损失公式局部水头损失公式计算。计算。 非满管流或渠流，只要长距离截面不变，可以近非满管流或渠流，只要长距离截面不变，可以近似为均匀流。似为均匀流。3.1.4 压力流与重力流压力流与重力流 压力流压力流输水通过封闭的管道进行，水流阻力主要输水通过封闭的管道进行，

4、水流阻力主要依靠水的压能克服，依靠水的压能克服，阻力大小只与管道内壁粗糙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度和坡度无关。 重力流重力流管渠中水面与大气相通，非满流，水流阻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。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；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、倒虹管压长距离输水重力流，排水泵站出水管、倒虹管压力流。力流。 3.1.5水流的水头与水头损失水流的水头与水头损失 水头：单位

5、重量的流体所具有的机械能，水头：单位重量的流体所具有的机械能，用用h或或h表示，单位米水柱表示，单位米水柱(mh2o)。 位置水头位置水头z 压力水头压力水头p/r 测压管水头测压管水头 流速水头流速水头v2/2g3.2 管渠水头损失管渠水头损失 流体克服流动阻力所消耗的机械能称为水流体克服流动阻力所消耗的机械能称为水头损失。头损失。 当流体受固定边界限制做均匀流动时，流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程阻力。由沿程阻力引起的水头损失成为沿程水头损失。沿程水头损失。 当流体的固定边界

6、发生突然变化，引起流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力引起的水头损失成为局部水头损失局部水头损失。3.2 管渠水头损失计算管渠水头损失计算谢才公式谢才公式hf沿程水头损失，沿程水头损失，m；v过水断面平均流速，过水断面平均流速，m/s；c谢才系数；谢才系数；r过水断面水力半径，过水断面水力半径，m，圆管流，圆管流r=0.25d；l管渠长度，管渠长度，m。lrcvhf223.2.1 沿程水头损失计算沿程水头损失计算沿程水头损失计算

7、沿程水头损失计算对于圆管满流，对于圆管满流，达西公式达西公式：d管段直径，管段直径，m；g 重力加速度，重力加速度，m/s 2；沿程阻力系数，沿程阻力系数， =8g/c2gvdlhf22谢才系数或沿程阻力系数的确定谢才系数或沿程阻力系数的确定（1）舍维列夫公式）舍维列夫公式 适用于旧铸铁管和旧钢管满管紊流适用于旧铸铁管和旧钢管满管紊流，水温，水温10度，度，常用于给水管道水力计算。常用于给水管道水力计算。smvvdsmvdg/2 . 1)867. 01 (001824. 0/2 . 100214. 03 . 03 . 03 . 0谢才系数或沿程阻力系数的确定谢才系数或沿程阻力系数的确定（2）海

8、曾）海曾-威廉公式威廉公式 适用于较光滑的圆管满流管紊流计算适用于较光滑的圆管满流管紊流计算，主要，主要用于给水管道水力计算。用于给水管道水力计算。 q流量，流量，m3/s； cw海曾海曾-威廉粗糙系数。威廉粗糙系数。148. 0852. 113. 016.13qcgdw谢才系数或沿程阻力系数的确定谢才系数或沿程阻力系数的确定（3）柯尔勃洛克）柯尔勃洛克-怀特公式怀特公式 适用于各种紊流，是适用性和计算精度最高适用于各种紊流，是适用性和计算精度最高的公式之一的公式之一。 e 管壁当量粗糙度，管壁当量粗糙度，m。)re462. 47d. 3e(2lg1)re462. 48 .14lg(71.17

9、875. 0875. 0或rec谢才系数或沿程阻力系数的确定谢才系数或沿程阻力系数的确定（4）巴甫洛夫斯基公式）巴甫洛夫斯基公式 适用于明渠流和非满流排水管道计算适用于明渠流和非满流排水管道计算。系数巴甫洛夫斯基公式粗糙式中bbbn) 1 . 0n(r75. 013. 0n5 . 2ybynrc谢才系数或沿程阻力系数的确定谢才系数或沿程阻力系数的确定（5）曼宁公式）曼宁公式 巴甫洛夫斯基公式中巴甫洛夫斯基公式中y=1/6时的特例，适用于时的特例，适用于明渠或较粗糙的管道计算。明渠或较粗糙的管道计算。 nm曼宁公式粗糙系数。曼宁公式粗糙系数。mnrc63.2.2沿程水头损失计算公式的比较与选用沿

10、程水头损失计算公式的比较与选用 柯尔勃洛克柯尔勃洛克-怀特公式怀特公式具有较高的精度具有较高的精度; 巴甫洛夫斯基公式巴甫洛夫斯基公式具有较宽的适用范围，具有较宽的适用范围，1.0e 5.0mm; 曼宁公式曼宁公式适用于较粗糙的管道适用于较粗糙的管道, 0.5e 4.0mm; 海曾海曾-威廉公式威廉公式适用于较光滑的管道适用于较光滑的管道,e 0.25mm; 舍维列夫公式舍维列夫公式适用于适用于1.0e 1.5mm.3.2.3 局部水头损失计算局部水头损失计算局部阻力系数。；局部水头损失，m22mmhgvh 局部阻力设施局部阻力设施全开闸阀0.1990。弯头0.950%开启闸阀2.0645。弯

11、头0.4截止阀35.5三通转弯1.5全开蝶阀0.24三流直流0.13.2.4水头损失公式的指数形式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：沿程水头损失计算公式的指数形式： mfnffmnfdklssmnkqshldkqhf,摩阻系数指数公式参数或参数海曾威廉公式曼宁公式舍维列夫公式k10.67/cw1.85210.29nm20.001798n1.8522.01.911m4.875.3335.123局部阻力系数mnmsqshm局部水头损失公式的指数形式局部水头损失公式的指数形式3.3 给水系统的水压关系dsphhhh0管线中水头损失。压水管和泵站到絮凝池吸水管中水头损失；的高程差

12、；最高水位水厂前端处理构筑物与最低水位静扬程，指水泵吸水井d0hhhs无水塔时二泵站压力无水塔时二泵站压力管网中水头损失。所需最小服务水头；控制点nhchhhhhzhcndsccp向前置水塔和管网供水时的压力。最高水位水塔地面高度；离水柜底水塔的设置水塔处地面标高；0t0hhzhhhhzhtdsttpctnctnccttzzhhhhhzzh水塔高度的确定消防时水压hhzhpff消3.4 管道的水力等效简化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采用水力等效的原理，将局部管网简化成简单的形式。形式。 多条管道串联或并联，等效为单条管道；多条管道串联或并联，等效为单条管道；

13、管道沿线分散出流或入流，等效为集中出流或如管道沿线分散出流或入流，等效为集中出流或如流；流； 泵站多台水泵并联工作可以等效为单台水泵。泵站多台水泵并联工作可以等效为单台水泵。l1 l2 lnd1 d2 dnmnimiinimiinmndllddlkqdlkq111经变换有：3.4.1 串联管道的简化串联管道的简化l 根据水力等效的原则：根据水力等效的原则：3.4.1并联管道的简化并联管道的简化 将它们等效为一条直径为将它们等效为一条直径为d，长度为，长度为l的管道，输送流量的管道，输送流量q=q1+q2+qn。 根据水力等效的原则：根据水力等效的原则：mnninmimnnnmnmnmndddl

14、kqdlkqdlkqdlkq12211经变换：d1 q1d2 q2dn qnq任一管段的流量：任一管段的流量：沿线流量，转输流量沿线流量，转输流量。tlqq tqlqqsl3.4.2 沿线均匀出流简化沿线均匀出流简化假设沿线出流均匀，则管道内任意断面假设沿线出流均匀，则管道内任意断面x上的流量可以表示上的流量可以表示为：为：沿程水头损失计算如下：沿程水头损失计算如下：ltxqlxlqqlqdnqqqkdxdqlxlqkhlmntnltlmnltf) 1()()(110tlqq tqxdxl为简化计算，将沿线流量为简化计算，将沿线流量ql分为两个集中流量，分分为两个集中流量，分别转移到管段的两个

15、节点。别转移到管段的两个节点。假设转移到末端的流量为假设转移到末端的流量为aql，则通过管道流量为：则通过管道流量为：水头损失为：水头损失为：tlqq tqlqlq1ldaqqkhmnltf)( 根据水力等效原则：根据水力等效原则：31/333. 5m, 2)() 1()(211aqqnldaqqklqdnqqqkhltmnltlmntnltf代入上式可以求得：，令5 . 0,577. 0, 0aa3.5 给水管网模型给水管网模型 给水管网是一类大规模且复杂多变的网络给水管网是一类大规模且复杂多变的网络系统，为了便于规划、设计和运行管理，系统，为了便于规划、设计和运行管理，应将其简化和抽象以便

16、于用图形和数据表应将其简化和抽象以便于用图形和数据表达和分析的系统，称为给水管网模型。达和分析的系统，称为给水管网模型。3.5.1 给水管网的简化给水管网的简化 所谓简化，就是从实际系统中去掉一些比所谓简化，就是从实际系统中去掉一些比较次要的给水排水设施，使分析和计算集较次要的给水排水设施，使分析和计算集中于主要对象。中于主要对象。 简化原则简化原则：宏观等效原则；最小误差原则。：宏观等效原则；最小误差原则。简化方法简化方法：1）删除次要管线，保留主管线；）删除次要管线，保留主管线；2）交叉点近可合并为同一交叉点；）交叉点近可合并为同一交叉点；3）将全开阀门去掉，将管线从全闭阀门处切断；）将全

17、开阀门去掉，将管线从全闭阀门处切断；4）采用水力等效原则将不同管材和规格等效为单一）采用水力等效原则将不同管材和规格等效为单一管材和规格；管材和规格；5）并联管线可简化为单管线；）并联管线可简化为单管线；6）大系统可拆分为多个小系统。）大系统可拆分为多个小系统。附属设施简化附属设施简化：1）删除不影响全局水力特性的设施；）删除不影响全局水力特性的设施；2）将同一处的多个相同设施合并。）将同一处的多个相同设施合并。节点节点合并合并管段合并管段合并分解分解忽略忽略3.5.2 给水管网的抽象给水管网的抽象 所谓抽象，就是忽略所分析和处理对象的所谓抽象，就是忽略所分析和处理对象的一些具体特征，而将它们

18、视为模型中的元一些具体特征，而将它们视为模型中的元素，只考虑它们的拓扑关系和水力特性。素，只考虑它们的拓扑关系和水力特性。 经过简化的给水排水管网进一步抽象成为经过简化的给水排水管网进一步抽象成为仅由仅由管段管段和和节点节点两类元素组成的管网模型。两类元素组成的管网模型。管段和节点管段和节点 管段管段：管线和泵站等简化后的抽象形式，只输送：管线和泵站等简化后的抽象形式，只输送水量，水量，不允许改变水量，但可以改变水的能量不允许改变水量，但可以改变水的能量。 当管线中间有较大的集中流量时，应在集中流当管线中间有较大的集中流量时，应在集中流量点处划分管段，设置节点。量点处划分管段，设置节点。 泵站、减压阀、跌水井、非全开阀门泵站、减压阀、跌水井、非全开阀门等应设于等应设于管段上。管段上。 节点节点：管线交叉点、端点或大流量出入点的抽象：管线交叉点、端点或大流量出入点的抽象形式。形式。水的能量唯一，但有流量的输入或输出水的能量唯一，但有流量的输入或输出。管段和节点的属性管段和节点的属性 管段属性管段属性 构造属性：管长、直径、粗糙系数。构造属性：管长、直径、粗糙系数。 拓扑属性：管段方向、起点、终点。拓扑属性：管段方向、起点、终点。 水力属性：流量、流速、扬程、摩阻，压降。水力属性：流量、流速、扬程、摩阻，压降。