第3章-給水排水管網(wǎng)水力學(xué)基礎(chǔ)

1、第第3章章 給水排水管網(wǎng)水力學(xué)基礎(chǔ)給水排水管網(wǎng)水力學(xué)基礎(chǔ) 3.1 給水排水管網(wǎng)水流特征給水排水管網(wǎng)水流特征 3.2 管渠水頭損失計算管渠水頭損失計算 3.3 非滿流管渠水力計算非滿流管渠水力計算 3.4 管道的水力等效簡化管道的水力等效簡化 3.5 水泵與泵站水力特性水泵與泵站水力特性Re20001.: 2000Re4000Re4000層流：流態(tài) 過渡流紊流：（給排水管網(wǎng)一般按紊流考慮）75. 122 . 12 . 2vhDvhDvh水力光滑區(qū)較小或管壁較光滑）（管徑過渡區(qū)較大或管壁較粗糙）（管徑）阻力平方區(qū)（粗糙管區(qū)紊流水量變化非恒定流（復(fù)雜）按恒定流計算水量變化非恒定流（復(fù)雜）按恒定流計算

2、水流參數(shù)往往隨時間和空間變化非均勻流水流參數(shù)往往隨時間和空間變化非均勻流1 1壓力流：壓力流：hfehfe、l l、v v；與；與HH、I I無關(guān)（壓能克服無關(guān)（壓能克服水流阻力）水流阻力）2 2重力流：靠水的位能克服重力流：靠水的位能克服水頭損失：流體克服流動阻力所消耗的機械能水頭損失：流體克服流動阻力所消耗的機械能局部水頭損失沿程水頭損失謝才公式：謝才公式： lRCvhf22（m） 式中式中hf沿程水頭損失，沿程水頭損失，m m； v過水?dāng)嗝嫫骄魉伲^水?dāng)嗝嫫骄魉?，m/sm/s； CC謝才系數(shù)；謝才系數(shù)； l管渠長度，管渠長度，m m； RR過水?dāng)嗝嫠Π霃?，即斷面面積除以濕周，過水?dāng)?/p>

3、面水力半徑，即斷面面積除以濕周，m m， 對于圓管滿流對于圓管滿流R=0.25DR=0.25D（D D為直徑）。為直徑）。228 ( )2fgCl vhmDg式中沿程阻力系數(shù)， 適用：適用：塑料管、塑料管、 內(nèi)襯與內(nèi)涂塑料的鋼管。內(nèi)襯與內(nèi)涂塑料的鋼管。達西公式：達西公式： 1 1舍維列夫公式舍維列夫公式適用：適用：舊鑄鐵管和舊鋼管滿管紊流，水溫舊鑄鐵管和舊鋼管滿管紊流，水溫10（給水管道計算）（給水管道計算）1.2m/s v867. 010.001824g 1.2m/s v D0.00214g 3 . 03 . 00.3vD1.2m/s v 867. 010.000912v 1.2m/s v

4、D0.00107v 3 . 03 . 121.32lvDlhf2 2海曾威廉公式海曾威廉公式適用：適用：較光滑圓管滿流紊流（給水管道）較光滑圓管滿流紊流（給水管道）0.131.8520.148313.16 / wwgDCqqmsC式中流量，海曾威廉粗糙系數(shù) 其值見表3.2lDCqhwf87. 4852. 1852. 167.10 用于：用于：輸配水管道、輸配水管道、 配水管網(wǎng)水力平差計算。配水管網(wǎng)水力平差計算。 3 3柯爾勃洛克懷特公式柯爾勃洛克懷特公式各種紊流，是適應(yīng)性和計算精度最高的公式。各種紊流，是適應(yīng)性和計算精度最高的公式。Re51. 27 . 3lg21 Re53. 38 .14lg

5、71.17 DeCReC或20.8754 ReRe / ; 4.462 17.71lg14.8Re vRvDmsemeCR式中雷諾數(shù)， ，其中 是與水溫有關(guān)的水動力粘度系數(shù)，管壁當(dāng)量粗糙度， ，由實驗確定，或查表3.1。但此式需迭代計算，不便于應(yīng)用，可以簡化為直接計算的顯函數(shù)形式：0.87514.462 2lg3.7ReeD或4. 4. 巴甫洛夫斯基公式巴甫洛夫斯基公式適用：適用：混凝土管混凝土管( (渠渠) )、 已作水泥砂漿內(nèi)襯的金屬管道。明渠流、已作水泥砂漿內(nèi)襯的金屬管道。明渠流、非滿流排水管道。非滿流排水管道。2 221 2.50.13 0.75(0.10) yBBBBBfyRCnyn

6、Rnnn vhlR式中巴甫洛夫斯基公式粗糙系數(shù)。RCviRiCv22 22 (m)fvhillC R5 5曼寧公式曼寧公式曼寧公式是巴甫洛夫斯基公式中曼寧公式是巴甫洛夫斯基公式中y=1/6y=1/6時的特例，時的特例，適用：適用：明渠或較粗糙的管道計算。明渠或較粗糙的管道計算。622221.3335.333 10.29 MMBMMffRCnnnn vn qhlhlRD式中曼寧粗糙系數(shù)，與巴甫洛夫斯基公式 相同?；?/3 1/21vRin適用：適用：明渠均勻流、非滿流均勻流水力計算。明渠均勻流、非滿流均勻流水力計算。l巴甫洛夫斯基公式適用范圍廣，計算精度也較高，特別巴甫洛夫斯基公式適用范圍廣，計

7、算精度也較高，特別是對于較粗糙的管道，管道水流狀態(tài)仍保持較準(zhǔn)確的計是對于較粗糙的管道，管道水流狀態(tài)仍保持較準(zhǔn)確的計算結(jié)果，最佳適用范圍為算結(jié)果，最佳適用范圍為1.0e5.0mm；l曼寧公式亦適用于較粗糙的管道，最佳適用范圍為曼寧公式亦適用于較粗糙的管道，最佳適用范圍為0.5e4.0mm；l海曾威廉公式則適用于較光滑的管道，特別是當(dāng)海曾威廉公式則適用于較光滑的管道，特別是當(dāng)e0.25mm（CW130）時，該公式較其它公式有）時，該公式較其它公式有較高的計算精度；較高的計算精度；l舍維列夫公式在舍維列夫公式在1.0e1.5mm之間給出了令人滿意之間給出了令人滿意的結(jié)果，對舊金屬管道較適用，但對管壁

8、光滑或特別粗的結(jié)果，對舊金屬管道較適用，但對管壁光滑或特別粗糙的管道是不適用的。糙的管道是不適用的。式中式中 hmhm局部水頭損失，局部水頭損失，mm； 局部阻力系數(shù)。見表局部阻力系數(shù)。見表3.53.5gvhm22有利于管網(wǎng)理論分析，便于計算機程序設(shè)計。有利于管網(wǎng)理論分析，便于計算機程序設(shè)計。nffnfmnfqshlaqhlDkqh式中式中:k、n、m指數(shù)公式參數(shù)； a比阻，即單位管長的摩阻系數(shù)，;mDka ffmklssalD摩阻系數(shù)， 。：式中式中 SmSm局部阻力系數(shù)；局部阻力系數(shù)；式中式中 SgSg管道阻力系數(shù)；管道阻力系數(shù)；fmgsss。nmmhs q()nngmfmfghhhss

9、qs qhqiDvD、 、 、 之間的水力關(guān)系。1 1非滿流管渠水力計算公非滿流管渠水力計算公式式2211/cos (1 2)(1 2)(1)42(1 2)(1)/42cos (1 2)DhDhhhA A Dh DDDDDhhhDDDDDRR Dh DhD（ ，）（ ，）6/11 RnCRICvM曼寧公式謝才公式常用的均勻流基本公式有：常用的均勻流基本公式有：vQ21321vRIn式中式中 QQ 流量（流量（mm3 3/s/s）；）； 過水?dāng)嗝婷娣e（過水?dāng)嗝婷娣e（mm2 2） v v 流速（流速（m/sm/s）；）； R R 水力半徑（）；水力半徑（）； I I 水力坡度（即水面坡度，等于管底

10、坡度）。水力坡度（即水面坡度，等于管底坡度）。 n n 管壁粗糙系數(shù)（見管壁粗糙系數(shù)（見P53P53表表3.43.4）。）。hD圖 9 . 2 充 滿 度 示 意 圖排水管渠粗糙系數(shù)表排水管渠粗糙系數(shù)表管渠類別管渠類別粗糙系數(shù)粗糙系數(shù) n管渠類別管渠類別粗糙系數(shù)粗糙系數(shù) n石棉水泥管、鋼石棉水泥管、鋼管管0.012漿砌磚渠道漿砌磚渠道0.015木槽木槽0.0120.014漿砌塊石渠道漿砌塊石渠道0.017陶土管、鑄鐵管陶土管、鑄鐵管0.013干砌塊石渠道干砌塊石渠道0.0200.025混凝土管、鋼筋混凝土管、鋼筋混凝土管混凝土管水泥砂漿抹面渠水泥砂漿抹面渠道道0.0130.014土明渠土明渠包

11、括（帶草皮）包括（帶草皮）0.0250.030非滿流管渠水力計算基本公式非滿流管渠水力計算基本公式221133222211332211I (D,h/D)I 11qI(D,h/D)(D,h/ID)MMMMvRRnnAARnnR？v v、q q、D D、h/Dh/D、I I五個變量，已知三個，求另兩個。五個變量，已知三個，求另兩個。水力計算很復(fù)雜。水力計算很復(fù)雜。水力計算圖適用于水力計算圖適用于混凝土及鋼筋混凝土管道混凝土及鋼筋混凝土管道，其粗糙系，其粗糙系數(shù)數(shù) n n0.0140.014。每張圖適用于一個指定的管徑。圖上的縱。每張圖適用于一個指定的管徑。圖上的縱坐坐標(biāo)表示坡度標(biāo)表示坡度 I I，

12、即是設(shè)計管道的管底坡度，橫坐標(biāo)表示流量，即是設(shè)計管道的管底坡度，橫坐標(biāo)表示流量 Q Q，圖中的曲線分別表示流量、坡度、流速和充滿度間的關(guān)，圖中的曲線分別表示流量、坡度、流速和充滿度間的關(guān)系。當(dāng)選定管材與管徑后，在流量系。當(dāng)選定管材與管徑后，在流量 Q Q、坡度、坡度 I I、流速、流速 v v、充、充滿度滿度 h h/ /D D四個因素中，只要已知其中任意兩個，就可由圖查四個因素中，只要已知其中任意兩個，就可由圖查出另外兩個出另外兩個詳見詳見給水排水設(shè)計手冊給水排水設(shè)計手冊. .第第0101冊冊. .常用資料常用資料P766-803P766-803非滿流非滿流n=0.014n=0.014，DN

13、150-3000mmDN150-3000mm充滿度充滿度流量流量坡坡度度流速流速水力計算圖水力計算圖精精度度低，低，通通用用性性差。差。2. 比例變換法比例變換法o假設(shè)有一條滿流管渠與待計算的非滿流管渠具有相假設(shè)有一條滿流管渠與待計算的非滿流管渠具有相同的管徑同的管徑D和水力坡度和水力坡度I，o其過水?dāng)嗝婷娣e為其過水?dāng)嗝婷娣e為A0，水力半徑為，水力半徑為R0，通過流量為，通過流量為qo，流速為，流速為vo:2 / 13 / 22 / 13 / 221 1 4 41IRnvIRAnqDRDAoMoooMooo2 / 13 / 22 / 13 / 221 1 4 41IRnvIRAnqDRDAoM

14、oooMooo)()()()()1()21(2)21(cos1)()21(cos)1()21(214323322111DhfRRvvDhfRRAAqqDhfDhDhDhDhAADhfDhDhDhDhRRooooooo證明：證明：A/ A0 、R/ R0 、q/ qo 、v/ vo只和充滿度只和充滿度(h/D)有關(guān)。有關(guān)。見圖見圖3.3， 表表3.7例例3.1已知某污水管道設(shè)計流量為已知某污水管道設(shè)計流量為q=100L/s，根據(jù)地形條件，根據(jù)地形條件可以采用水力坡度為可以采用水力坡度為I=7，初擬采用管徑，初擬采用管徑D=400mm的的鋼筋混凝土管，粗糙系數(shù)鋼筋混凝土管，粗糙系數(shù)n=0.014，

15、求充滿度，求充滿度h/D和流速和流速v。解解: 用粗糙度系數(shù)、管徑和水力坡度帶入下式計算：用粗糙度系數(shù)、管徑和水力坡度帶入下式計算：反查表反查表3.7的充滿度的充滿度h/D=56.9%，相應(yīng)，相應(yīng)A/AO=0.587，由下式計算：由下式計算： 2.6670.52.6670.503.2083.208 0.014 0.10.6180.40.007qnqqDI2201.2731.273 0.11.36/(/)0.40.587qvm sDA A 采用水力等效的原理，將局部管網(wǎng)簡化成簡單的形式。采用水力等效的原理，將局部管網(wǎng)簡化成簡單的形式。l 多條管道串聯(lián)或并聯(lián)，等效為單條管道；多條管道串聯(lián)或并聯(lián)，等

16、效為單條管道；l 管道沿線分散出流或入流，等效為集中出流；管道沿線分散出流或入流，等效為集中出流；l 泵站多臺水泵并聯(lián)工作可以等效為單臺水泵。泵站多臺水泵并聯(lián)工作可以等效為單臺水泵。3.4.1 3.4.1 串聯(lián)或并聯(lián)管道的簡化串聯(lián)或并聯(lián)管道的簡化1 1串聯(lián)串聯(lián)mNimiiNimiinmnmnfdllddlkqldkqldkqh111)/(l1 l2 lNd1 d2 dNl2 2并聯(lián)并聯(lián)mnNinmimNnNmnmnmndddlkqdlkqdlkqldkq)(12211當(dāng)并聯(lián)管道直徑相同時當(dāng)并聯(lián)管道直徑相同時imnmnnmiiNdNNdddddd)()(/213.4.2 3.4.2 沿線均勻出流

17、的簡化沿線均勻出流的簡化管網(wǎng)計算不包括全部管線，只計算經(jīng)過簡化后的干管網(wǎng)。管網(wǎng)計算不包括全部管線，只計算經(jīng)過簡化后的干管網(wǎng)。泵站泵站水塔水塔123456780節(jié)點節(jié)點 1、2、3、4、5、6、7、8管段管段1-2、2-3、管線管線1-2-3-4-7-8基環(huán)基環(huán)(2-3-6-5-2)(3-4-7-6-3)大環(huán)大環(huán)2-3-4-7-6-5-2虛環(huán)虛環(huán)1-0-8-7-4-3-2-13.4.2 3.4.2 沿線均勻出流的簡化沿線均勻出流的簡化在管網(wǎng)水力計算過程中，首先需求出在管網(wǎng)水力計算過程中，首先需求出沿線流量沿線流量和和節(jié)點流量節(jié)點流量。l 沿線流量沿線流量是指供給該管段兩側(cè)用戶所需流量。是指供給該

18、管段兩側(cè)用戶所需流量。（管網(wǎng)配水情況比較復(fù)雜，高峰流量各異。計算時加以簡化。（管網(wǎng)配水情況比較復(fù)雜，高峰流量各異。計算時加以簡化。比流量法，假定小用水戶的流量沿線均勻分布。）比流量法，假定小用水戶的流量沿線均勻分布。）l 節(jié)點流量節(jié)點流量是沿線流量折算得出的并且假設(shè)是在節(jié)點集是沿線流量折算得出的并且假設(shè)是在節(jié)點集中流出的流量。中流出的流量。3.4.2 3.4.2 沿線均勻出流的簡化沿線均勻出流的簡化配水支管配水干管Q2Q1Q3Q4q1q2qqqqq34576圖 14-1 干管配水情況 比流量：比流量：為簡化計算而將除去大用戶集中流量以外的用為簡化計算而將除去大用戶集中流量以外的用水量均勻地分配

19、在全部水量均勻地分配在全部有效干管長度有效干管長度上，由此計算出的單位上，由此計算出的單位長度干管承擔(dān)的供水量。長度干管承擔(dān)的供水量。L /(s.m )QL /sL /smssqqlQ qql比 流 量 ，管 網(wǎng) 總 用 水 量 ， ；大 用 戶 集 中 用 水 量 總 和 ， ；干 管 總 長 度 ，。不 包 括 穿 越 廣 場 、 公 園 等 無 建 筑 物 地 區(qū) 的 管 線 ； 只 有 一 側(cè) 配 水 的 管 線 ， 長 度 按 一 半 計 算 。L/(s.m )QL/sL/smssqqlQqql 比 流 量 ，管 網(wǎng) 總 用 水 量 ，；大 用 戶 集 中 用 水 量 總 和 ，；干

20、 管 總 長 度 ，。不 包 括 穿 越 廣 場 、 公 園 等 無 建 筑 物 地 區(qū) 的 管 線 ； 只 有 一 側(cè) 配 水 的 管 線 ， 長 度 按 一 半 計 算 。公園公園街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊3.4.2 3.4.2 沿線均勻出流的簡化沿線均勻出流的簡化配水支管配水干管Q2Q1Q3Q4q1q2qqqqq34576圖 14-1 干管配水情況從比流量求出各管段從比流量求出各管段沿線流量沿線流量的公式：的公式：lqqsl 管網(wǎng)中除最末端的管段外，其他任一管段的管網(wǎng)中除最末端的管段外，其他任一管段的流量都由兩部分組成：一部分是本管段沿程配水流量都由

21、兩部分組成：一部分是本管段沿程配水產(chǎn)生的流量，即產(chǎn)生的流量，即沿線流量沿線流量 ，另一部分是通過該，另一部分是通過該管段輸送到下游管段的流量，稱為管段輸送到下游管段的流量，稱為轉(zhuǎn)輸流量轉(zhuǎn)輸流量 。tlqq tqlqqsl3.4.2 3.4.2 沿線均勻出流的簡化沿線均勻出流的簡化lqtq沿線流量為什么要轉(zhuǎn)化為節(jié)點流量？沿線流量為什么要轉(zhuǎn)化為節(jié)點流量？ 但是，實際的管段并沒有喇叭口形狀的，管徑也是不連續(xù)的，所以，但是，實際的管段并沒有喇叭口形狀的，管徑也是不連續(xù)的，所以，仔細去計算每一個沿線流出去的流量已經(jīng)沒有實際意義了。沿線流量只仔細去計算每一個沿線流出去的流量已經(jīng)沒有實際意義了。沿線流量只有

22、當(dāng)其累積到一定量，足以引起管徑變化的時候計算起來才有實際意義。有當(dāng)其累積到一定量，足以引起管徑變化的時候計算起來才有實際意義。這樣，就可以不考慮實際沿線配水的情況，而把一定長度管段上的沿線這樣，就可以不考慮實際沿線配水的情況，而把一定長度管段上的沿線流量用一個等效的流量來代替，即流量用一個等效的流量來代替，即節(jié)點流量節(jié)點流量。沿線流量轉(zhuǎn)換成節(jié)點流量的依據(jù)：沿線流量轉(zhuǎn)換成節(jié)點流量的依據(jù)：求出一個沿線不變的折算流量求出一個沿線不變的折算流量q，使它產(chǎn)生的水頭損失等于，使它產(chǎn)生的水頭損失等于實際上沿管線變化的流量實際上沿管線變化的流量qx產(chǎn)生的水頭損失。產(chǎn)生的水頭損失。tlqq tqlqlq1節(jié)點流

23、量：節(jié)點流量：沿線流量只有概念上的意義，在水力計算時應(yīng)沿線流量只有概念上的意義，在水力計算時應(yīng)將將沿線流量按適當(dāng)比例分配到兩各節(jié)點沿線流量按適當(dāng)比例分配到兩各節(jié)點，成為節(jié)點流量。，成為節(jié)點流量。tlqq tqxdxLLxLqLxLqqqlltxaannnxlLxdhdx qdx qL1101(1)1Lnnnlhdha L qn任一斷面上的流量為：任一斷面上的流量為：管段管段dx中的水頭損失為：中的水頭損失為：nnnntllha L qa Lqqa L q312312222;508. 05;528. 01;577. 005 . 0;501. 050;504. 010tlqq tqlqlq1tlq

24、qq通過管道的折算流量：根據(jù)根據(jù)h任意流量任意流量=h折算流量：折算流量：q0.5+qq0.5lltq0.5lqtql+tq0.5ilqq節(jié)點流量一般包括兩部分：節(jié)點流量一般包括兩部分：由沿線流量劃成由沿線流量劃成節(jié)點流量節(jié)點流量和該節(jié)點的和該節(jié)點的集中流量。集中流量。mimj Q0.5q ( / )jql s居住區(qū)居住區(qū)居住區(qū)綠地居住區(qū)工廠工廠居住區(qū)Q=260L/s17.5027.0560057.562.2830.227.95800800800600600600342165757.55001 52 33 41 23 54 65 66 7 0.5 0.50.5 0.5 (600 600 600

25、) 3 800 600 500 4400 ( )LLLLLLLLLm msllqQqihcb/ 0.031824400120260 3 3沿線流量：沿線流量：) / ( sllqqicby管段編號管段編號管段計算總長度管段計算總長度 （m） 比比 流流 量量 (L/s.m) 沿沿 線線 流流 量量 (L/s) 1-2 2-3 3-4 1-5 3-5 4-6 5-6 6-7 800 0.5 5600=300600=300 0.5 5600=300600=300 0.5 5600=300600=300 800 800 800 800 600 600 500 500 0.03182 25.45 9.

26、55 9.55 9.55 25.45 25.45 19.09 15.91 合合 計計 4400 140.004 4節(jié)點流量計算：節(jié)點流量計算：)/( q5 . 0Q islqyj各各 管管 段段 節(jié)節(jié) 點點 流流 量量 計計 算算節(jié)節(jié)點點節(jié)點連的管段節(jié)點連的管段節(jié)節(jié) 點點 流流 量量(L/s)(L/s)集集 中中 流流 量量(L/s)節(jié)點總流節(jié)點總流量量 (L/s)1 12 23 34 45 56 67 71-2 , 1-5 1-2 , 1-5 1-2 , 2-31-2 , 2-32-3 , 3-4 , 3-52-3 , 3-4 , 3-53-4 , 4-63-4 , 4-61-5 , 3-5

27、 , 5-61-5 , 3-5 , 5-64-6 , 5-6 , 6-74-6 , 5-6 , 6-76-76-70.5(25.45+9.55)=17.500.5(25.45+9.55)=17.500.5(25.45+9.55)=17.500.5(25.45+9.55)=17.500.5(9.55+9.55+25.45)=22.280.5(9.55+9.55+25.45)=22.280.5(25.45+9.55)=17.500.5(25.45+9.55)=17.500.5(9.55+25.45+19.09)=27.050.5(9.55+25.45+19.09)=27.050.5(25.45+1

28、9.09+15.91)=30.220.5(25.45+19.09+15.91)=30.220.5(15.91)=7.950.5(15.91)=7.95 4040 40 40 40 40 17.5017.50 57.50 57.50 62.28 62.28 57.50 57.50 27.05 27.05 30.22 30.22 7.95 7.95合合計計140.00140.00120.00120.00260.00260.00nppepqshh3.5.1 3.5.1 水泵水力特性公式及其參數(shù)計算水泵水力特性公式及其參數(shù)計算 揚程：水泵提供給單位重量水的機械能（揚程：水泵提供給單位重量水的機械能（mH2O）。）。水泵水力特性：表征水泵流量和揚程的關(guān)系，如下式：水泵水力特性：表征水泵流量和揚程的關(guān)