1、第三章 给水排水管网水力学基础,2012年9月13日,3.1 给水排水管网水流特征,流态特征,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。,恒定流与非恒定流,恒定流：水体在运动过程中，其各点的流速和压力不随时间而变化，而与空间位置有关的流动。,非恒定流：水体各点的流速和压力不仅与空间位置有关，还随时间而变化的流动。,满管流动 1）如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。非满管流或明渠流 只要长距
2、离截面不变，可以近似为均匀流，按沿程水头损失公式计算。,均匀流与非均匀流,非均匀流：液体质点流速的大小和方向沿流程变 化，水流参数随时间和空间变化。,均匀流：液体质点流速的大小和方向沿流程不变。,压力流与重力流,压力流：水体沿流程整个周界与固体壁面接触，无自由液面，满管流动，又称管流。,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：水体沿流程一部分与固体壁面接触，另一部分与空气接触，具有自由液面。非满管流动，又称明渠流。,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
3、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,测压管水头,水头分为,水头损失：流体克服流动阻力所消耗的机械能。,水头损失分为,沿程水头损失,局部水头损失,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,流速水头v2/2g,3.2 管渠水头损失计算,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,管渠沿程水头损失用谢才公式,圆管满流，沿程水头损失也可用达西公式
4、：,C、与水流流态有关，一般采用经验公式或半经验公式计算。常用公式如下 ：,D管段直径，m；g 重力加速度，m/s2；沿程阻力系数， =8g/C2,适用:旧铸铁管和旧钢管满管紊流，水温10度(给水管道),代入达西公式,（1）舍维列夫公式,适用:较光滑的圆管满流管紊流（给水管道）,代入达西公式,q流量，m3/s；Cw海曾-威廉粗糙系数。,（2）海曾-威廉公式,适用于各种紊流，是适用性和计算精度最高的公式。,简化为直接计算式,（3）柯尔勃洛克-怀特公式,e 管壁当量粗糙度，m。,适用于明渠流和非满流排水管道计算。,代入谢才公式,（4）巴甫洛夫斯基公式,巴甫洛夫斯基公式中y=1/6时的特例，适用于明
5、渠或较粗糙的管道计算。,代入谢才公式,nM曼宁公式粗糙系数。,（5）曼宁公式,3.2.2 沿程水头损失计算公式的比较与选用,4）舍维列夫公式在1.0e1.5mm之间给出了令人满意的结果，对旧金属管道较适用，但对管壁光滑或特别粗糙的管道是不适用的。,1）巴甫洛夫斯基公式适用范围广，计算精度也高，特别是对于较粗糙的管道，管道水流状态仍保持较准确的计算结果，最佳适用范围为1.0e5.0mm；,2）曼宁公式亦适用于较粗糙的管道，最佳适用范围为0.5e4.0mm；,3）海曾威廉公式则适用于较光滑的管道，特别是当e0.25mm（CW130）时，该公式较其它公式有较高的计算精度；,3.2.3 局部水头损失计
6、算,局部阻力系数,3.2.4 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：,沿程水头损失指数公式参数,局部水头损失公式的指数形式：,沿程水头损失与局部水头损失之和：,式中 Sg管道阻力系数；,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。,水力计算目的：确定,3.3.1 非满流管渠水力计算公式,h,D,充满度h/D:设计流量下，管道内有效水深与管径之比 过水断面A=A（D，h/D） 水力半径R=R(D,h/D),3.3.1 非满流管渠水力计算公式,采用谢才公式计算水头损失， 将曼宁公式代人并转换：,5个水力参数q、D、h、I、v, 已知其中3个才能求出另一个，
7、水力计算很复杂。采用简化法。,由流量和流速关系,将A，R代入上两式,A=A（D，h/D）,R=R(D,h/D),方法： 首先根据已知资料，计算出流量Q，根据Q值可初步确定管径D；然后，根据Q、D值，求I、h/D、v值。在这三个未知数中，还需知道一个参数，才能求得另外两个，此时可以在三个参数中先假设一个值，比如流速为最小流速，或是坡度为最小坡度，或是充满度满足一定要求等，之后进行查表或查图，就可得出其余两个未知数；最后要进行校核，若得出的两个参数满足其规定的要求，则计算完成，若不满足要求，则需调整假设值，甚至管径D，重新进行计算。 水力计算图适用于混凝土及钢筋混凝土管道，其粗糙系数 n0.014
8、。每张图适用于一个指定的管径。我国室外排水设计规范和给水排水设计手册推荐此法。,非满流管渠水力计算简化法一,水力计算图表,例1 已知n=0.014,D=300mm,I=0.004,Q=30L/s,求v和h/D,精度低 通用性差,坡度,充满度,流速,流量,可证明满流A0 、R0 、qo 、vo，与 非满流相应 A 、 R 、 q 、 v 的比 例A/ A0 、R/ R0 、q/ qo 、v/ vo只和充满度有关。,非满流管渠水力计算简化法二,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，满流时：,
9、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。,充满度h/D 流速v,已知,求,流量q管径D水力坡度I,1）先由下式计算q/q0，反查表3.7的充满度h/D；,例2 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：,3.4 管道的水力等效简化,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
10、出流或入流；泵站多台水泵并联工作可以等效为单台水泵。,采用水力等效原理，将局部管网简化成简单的形式。,l1 l2 lNd1 d2 dN,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。,d1 q1d2 q2dN qN,q,根据水力等效的原则：,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
11、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力特性,作业p68-p69习题1、2、3、4、6,
