草坪灌溉与排水 第四章

草坪灌溉与排水工程学2011.03教学内容：第一节灌溉水力学基础第二节水头损失的概念及分类第三节水头损失的计算第四节灌溉管网水力设计第四章管道水力学原理教学要求：1、了解灌溉水力学基础知识2、掌握水头损失的概念及分类3、能够进行水头损失的计算4、掌握灌溉管网水力设计第一节灌溉水力学基础水力学是研究液体特性（静止和运动状态）的一门学科。依据水力学知识设计的管网，可以大大减少灌溉系统的投资和在运行过程中的维护保养费用。通过控制水的流速，可以减少水流在管网系统中的压力水头耗损。而不符合水力学特性的设计，会使喷灌系统的灌水质量降低、工程费用偏大和浪费水资源，并有可能使管受力过大,甚至导致管道破裂。因此管网水力学分析对于减少工程造价、提高灌溉效率和灌溉质量等都具有很重要的作用。—静水压力静水压力是指水不流动的封闭系统中水的压力。一条充满水的管子，阀门全部关闭，系统中的压力即静水压力，静水压力是一个系统所能获得的最大的压力。1升水重1

kg，即水的比重为1000

kg/m3。在重力作用下，水总是由高处流向低处，一个重要的概念就是水压力（也称水头），它是指水对单位面积上作用力的大小。式中，P－水压力（kPa）；F－作用力（N

N=mgg=9.8N/kg）；A－面积（m2）。其计算公式如下:这种水压力是由被测点以上水的重量所产生的。假设有10cm2的面积，该面积上作用力的大小，简单地说就是它上面的水柱的重量。水柱重量越大，作用力越大，水压力也就越大。底面积为0.01m2的柱状容器充0.3米高的水后，容器底部水压力为：P=W/A=(1000kg/m3*0.3

m)

/

(0.01

m2)=30000kg/m2

=

294000

N/

m2

=

294

kPa因此，水压力还可用“水头高度”或简称“水头”来表示。压力与水头之间的相互转换关系为：1m水头=10kPa。二动水压力动水压力，即水流流动状态下管道内的水压力，磨擦损失和高程变化都会使系统内的动水压力变化。水在管道中流动时，水与管壁由于摩擦而产生压力损失，另外，连接件、阀门、水表和逆止阀等对水的流动都有阻力，这些阻力也会产生压力损失，使管道内水压力减低。通过管道系统的水流大小影响摩擦损失的大小，即通过系统的水流越多，流速越大，压力损失越大。另外管道的大小尺寸也影响压力损失。压力损失或水头损失可以根据经验公式计算，也可以查表得到。水流通过管道的速度快，除摩擦损失大外，大的水流速度还会引起一些其他问题。因此管道中的流速不能过大，根据经验，喷灌管道中可接受的最大流速为1.5m/s。流速超过1.5m/s时，其压力损失会急剧增大。三管道摩擦损失影响管道摩擦损失的因素流量管道的直径与局部变化管道长度管道材质第二节水头损失的概念及分类①水压力P—在给水管上任意点安装压力表，所测得的读数，即为该点的水压力值，（kg/cm2或N、KN、mH2O）。为了便于计算，也把水压称为“水柱高”，力学上又称“水头”，其单位换算关系为1kg/cm2=10m水头=100Kpa。②水头损失—水流经过管道过程中机械能的损失。其值可用压力表测得的两点压力差来确定。流线 流速分布理想液体：运动时没有相对运动，流速是均匀分布，无流速梯度和粘性切应力，因而，也不存在能量损失。u(y)实际液体:其有粘性，过水断面上流速分布不均匀。因此，相邻液层间有相对运动，两流层间存在内摩擦力。液体运动中，要克服摩擦阻力（水流阻力）做功，消耗一部分液流机械能，转化为热能而散失。流速分布uτy切应力分布水头损失产生的原因产生水头损失的根源是实际液体本身具有粘滞性，而固体边界的几何条件（轮廓形状和大小）对水头损失也有很大的影响。流体在受到外部剪切力作用时发生变形(流动)，内部相应要产生对变形的抵抗，并以内摩擦的形式表现出来。所有流体在有相对运动时都要产生内摩擦力，这是流体

的一种固有物理属性，称为流体的粘滞性或粘性。用单位重量液体的能量损失

hw

表示水流的能量损失水头损失（依据边界条件以及作用范围）水头损失沿程损失

hf局部损失

hjhf

∝

s沿程水头损失hf在平直的固体边界水道中，单位重量的液体从一个断面流至另一个断面的机械能损失。这种水头损失随沿程长度增加而增加，称沿程水头损失。

发生在管道均匀流的直线段。局部水头损失当液体运动时，由于局部边界形状和大小的改变、局部障碍，液体产生漩涡，使得液体在局部范围内产生了较大的能量损失，这种能量损失称作局部水头损失。发生在水流边界突然发生变化的流段。突然管道缩小漩涡区管道中的闸门局部开启漩涡区产生漩涡的局部范围局部水头损失沿程水头损失fh

∝

s发生边界平直的固体边界水道中大小与漩涡尺度、强度,边界形状等因素相关耗能方式通过液体粘性将其能量耗散外在原因液体运动的摩擦阻力边界层分离或形状阻力水头损失沿程损失

hf局部损失

hj液体在以下管道时的沿程损失包括四段：hf

1hf

2hf

3hf

4液体经过时的局部损失包括五段：进口、突然放大、突然缩小、弯管和闸门。进口 突然放大突然缩小弯管闸门第三节 水头损失的计算水头损失的计算总水头损失：式中，－－全流程中各沿程水头损失的总和－－全流程中各边界突变点局部水头损失的总和灌溉中管道沿程水头损失的理论公式：（达西-威斯巴赫公式）式中，f－－沿程阻力系数（又称沿程水头损失系数与流态和管壁粗糙程度有关）L－－管道长度（指同一管径的管段）D－－管道内径－－流速水头（具有长度单位）灌溉中管道沿程水头损失的经验公式式中，hf——沿程水头损失，m；f——摩阻系数，查表得到；L——管长，m；Q——流量，m3/h；d——管内径，mm；m——流量指数，查表得到；b——管径指数，查表得到。上述：f,

m,

b

值可从有关表中查得。局部水头损失计算：公式

——式中 hj——局部水头损失，

m；k——局部阻力系数；——流速水头；v——管道流速,m/s；g——重力加速度，9.81m/s2可按沿程水头损失的10％计。各种管材的f、m及b值表管材fmb混凝土管、钢筋混凝土管1.312×10625.33n=0.0131.516×10625.33n=0.0141.749×10625.33n=0.0152.240×10625.33n=0.017钢管、铸铁管6.25×1051.95.1硬塑料管0.948×1051.774.77铝管、铝合金管0.816×1051.744.74石棉水泥管0.455×1051.854.89注：n为粗糙系数。对于硬质塑料管道（PVC），目前常用的计算公式如下：第四节灌溉管网水力设计—灌溉支管水力设计喷灌支管是指带有喷头的最末一级管道，并且是多口出流管。1、多口管沿程水头损失的计算一般计算方法：简易计算方法：喷灌支管的特点：每隔固定间距，就有一个喷头分流，每个喷头分流量或喷头出水量近似相等。这种等间距、等流量分流的管称为多口出流管，有一种简便计算沿程总水头损失的方法多口管沿程水头损失的计算其方法为：首先根据管首流量计算沿程流量不变时（不考虑分流）的水头损失hf，然后再乘以一个小于1的折减系数（多口系数）F即得多口管的沿程水头损失：多口系数F计算方法：多口系数F与出流孔数目，孔口位置及流量指数等有关，其计算公式为：式中：m－－流量指数（与材质有关）N－－管上出水口总数（或喷头总数）X－－多孔支管首孔位置系数，即支管入口至第一个喷头（或孔口）的距离与喷头（或孔口）间距之比；即：F1－X=1时的多口系数多口系数已制成表，不必计算，可直接查取2、支管进口水头计算平均压力或平均流量所处的位置在：距离支管进口0.4L处，此处的水头损失为3/4Hf要求此处的压喷头的工作压力支管进口水头H0＝H喷头设计压力＋H竖管高度＋3/4Hf3、20%规则支管设计主要的设计任务是限制喷头间的流量偏差，获得满意的均匀度和灌水效率。一般原则为：控制同一支管上任意两个喷头的喷水量之差在10％以内。此原则也等同于：控制支管上任意两个喷头的工作压力水头之差不超过头设计工作压力水头的20%，此即为20%规则。例题：已知：喷头流量q=3.2m3/h,喷头个数＝8，喷头间距＝18米，竖管高度＝1米，喷头工作压力＝350kPa，平地，支管采用PVC管，试分别计算：1）支管允许的最大压力差；2）当支管管径采用D1＝63mm和D2=50mm时的支管水头损失和支管进口水头。解：a、当D＝50mm时（内径46mm）无旁孔出流时的水头损失：hf1=1.1

×

fLQm／db＝1.1

×

0.948×105×(7×18+9)×(3.2×8)1.77／464.77＝51.3

m多孔出流时的水头损失：Hf＝hf1×F＝51.3×0.387＝19.8m支管进口水头：H0＝H喷头设计压力＋H竖管高度＋3／4Hf＝35m＋1m＋3／4×19.8

m＋0=50.85

mb、当D＝63mm时（内径58mm）无旁孔出流时的水头损失：hf2=1.1

×

fLQm／db＝1.1

×

0.948×105×(7×18+9)×(3.2×8)1.77／584.77＝16.9

m多孔出流时的水头损失：Hf＝hf2×F＝19.6×0.387＝6.55

m支管进口水头：H0＝H喷头设计压力＋H竖管高度＋3／4Hf＝35m＋1m＋3／4×6.55

m＋0＝40.91

m支管的水力计算往往是一个反复的过程。在喷头选型、布置和支管长度确定后，水力计算的基本流程为：计算支管流量→初设管径→计算水头损失→校核出水口处压力差是否小于等于20%H设→若超过20%H设，调整管径后重复计算→最后确定支管管径。设计时，一般不用对所有支管进行计算，可选取最“危险条件”（极值）下的支管做水力计算。“危险条件”在大多数情况下发生在距首部最远的支管，或系统内地形最高部位的支管。若系统的压力能满足这些支管的压力要求，也就自然满足其他支管的压力要求。三、干管管径的