第二講-第一章-建筑給排水

1、第一章 建筑給排水,1 流體動(dòng)力學(xué)的基本知識(shí) 2 建筑給水系統(tǒng) 3 建筑排水系統(tǒng),1.質(zhì)量密度和重力密度 2.流體的黏滯性 3.流體的壓縮性和熱脹性,1.1流體的主要力學(xué)性質(zhì),1 流體動(dòng)力學(xué)的基本知識(shí),1.1流體的主要力學(xué)性質(zhì) 1.2描述流體運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)有關(guān)概念 1.3流體運(yùn)動(dòng)的分類 1.4恒定流連續(xù)性方程 1.5恒定總流能量方程 1.6流動(dòng)阻力和流動(dòng)損失,1.質(zhì)量密度和重力密度 在描述固體物質(zhì)的慣性和重力特性時(shí)，通常用物體的質(zhì)量和重力，而流體因?yàn)闆]有固定的體積，在描述其慣性大小和重力大小時(shí)，用單位體積的質(zhì)量和單位體積的重力來表示，即質(zhì)量密度()和重力密度()。 （1）質(zhì)量密度定義式為： M/V

2、(kg/m3) 式中：M流體的質(zhì)量(kg)； V 流體的體積(m3)。 （2）重力密度定義式為 G/V(N/m3) (1.2) 式中：G流體的重力(N)； V 流體的體積(m3)。 由上兩式可知流體的重力密度=質(zhì)量密度重力加速度 G/VMg/Vg g重力加速度，通常為9.8m/s2,2.流體的黏滯性 流體流動(dòng)時(shí)，流體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)間或流層間因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力以反抗流體質(zhì)點(diǎn)間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，稱作流體的黏滯性。管段中斷面流速分布如圖1.1所示。,圖1.1平板間的速度分布,根據(jù)牛頓摩擦定律，可得到流體黏滯力的表達(dá)式為 （3）流體粘滯力： TAdu/dy 式中：流體的黏滯系數(shù)； A 流層間的接觸面積

3、； du/dy 流速梯度，表示流速沿垂直于流速方向的變化率。 單位面積上的內(nèi)摩擦力為切應(yīng)力，以表示 （4）切應(yīng)力： T/Adu/dy,3.流體的壓縮性和熱脹性,（1）液體的壓縮性通常用壓縮系數(shù)來表示，液體的壓縮性很小，通過計(jì)算，水的壓力再增加一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)，其體積只縮小了1/20 000。因此，在實(shí)際工程中，可認(rèn)為液體流體的密度在整個(gè)流動(dòng)過程中是不變的，即認(rèn)為是不可壓縮流體。 （2）流體的膨脹性通常用膨脹系數(shù)來表示。不同的流體隨著溫度的變化，其體積都有所變化，因此在實(shí)際工程中，要考慮受熱體積膨脹帶來的危害。,小結(jié),（1）在實(shí)際工程中，首先我們把流體視作連續(xù)介質(zhì)； （2）其次，在一些問題的研究

4、中，流體可以看做無黏性流體，即忽略流體的黏滯性影響； （3）再次，把流體看做不可壓縮流體。,1.2描述流體運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)有關(guān)概念,1.流線和跡線 流線是同一時(shí)刻連續(xù)流體質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)方向線；跡線是同一質(zhì)點(diǎn)在連續(xù)時(shí)間內(nèi)的流動(dòng)軌跡線。流線是為了形象化的描述流體的運(yùn)動(dòng)而引入的概念。在實(shí)際工程中，我們通常關(guān)心的是流體在某一固定斷面或固定空間的運(yùn)動(dòng)狀況，而不關(guān)心其來龍去脈 ，因此我們主要來研究流線。,流線可以反映流體流動(dòng)的一些性質(zhì)，如圖1.2所示。通過流場(chǎng)中的每一個(gè)點(diǎn)都可以繪一條流線，所以流線布滿整個(gè)流場(chǎng)。流線繪出后，流體的流動(dòng)狀況就一目了然。某點(diǎn)的流速方向就是流線在該點(diǎn)的切線方向；流線的疏密可以反映流速的大小

5、，流線越疏，流速越小，流線越密，流速越大；流線不能相交，也不能是折線，只能是一條光滑的曲線或直線。,圖1.2流線,2.流量 流體流動(dòng)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過過流斷面的流體體積稱為流體的體積流量。一般用Q來表示，單位為m3/s或L/s。流體的流量一般是指體積流量。要計(jì)算流量的大小，我們假設(shè)流體在管道內(nèi)流動(dòng)，任意取出一過流斷面，斷面上的流速分布如圖1.3所示。,斷面平均流速,Q=vA Q體積流量 v平均流速 A過流斷面面積,流體運(yùn)動(dòng)有不同的分類方法，下面分別介紹。 1.根據(jù)流動(dòng)的流體的周界與固體壁面的接觸情況來劃分 (1)壓力流 流體在壓差作用下流動(dòng)時(shí)，整個(gè)流體的周界與固體壁面都接觸，流體無自由表面，這

6、種流動(dòng)稱作壓力流。如室內(nèi)給水系統(tǒng)的水在管道中的流動(dòng)，空調(diào)工程中的空氣在風(fēng)管道中的流動(dòng)，供熱工程中熱水或蒸汽在管道中的流動(dòng)等，都是壓力流。,1.3流體運(yùn)動(dòng)的分類,壓力流有三個(gè)特點(diǎn)： 1)流體充滿整個(gè)管道。 2)不能形成自由表面。 3)流體對(duì)管壁有一定的壓力。,(2)無壓流 無壓流又稱為重力流，流體流動(dòng)時(shí)，流體的部分周界與固體壁面相接觸，另一部分周界與空氣相接觸，這種流動(dòng)稱作無壓流。如室內(nèi)排水系統(tǒng)中污水在管道中的流動(dòng)，水渠中的水在水渠里的流動(dòng)等都是無壓流。無壓流有兩個(gè)特點(diǎn)： 1)液體流體沒有充滿管道，所以在室內(nèi)排水中引入了充滿度的概念，即污水在管道中的深度h與管徑D的比值稱做管道的充滿度，充滿度的

7、大小在排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是很重要的參數(shù)。 2)液體流體在管道或水渠中能夠形成自由表面。,壓力流和無壓流的圖解如圖(a)(c)所示。,壓力流、無壓流圖解,2.根據(jù)流體流動(dòng)時(shí)壓力、流速等運(yùn)動(dòng)要素隨時(shí)間是否變化來劃分 (1)恒定流 要定義恒定流和非恒定流的概念，我們以打開水龍頭的過程為例：打開之前，水處于靜止?fàn)顟B(tài)，稱為靜止平衡，打開后的短暫時(shí)間內(nèi)，水從噴口流出，流速從零迅速增加到某一流速，在這個(gè)過程中，流速時(shí)刻在發(fā)生變化，稱為運(yùn)動(dòng)的不平衡狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到某一流速后，即維持不變，此時(shí)稱為運(yùn)動(dòng)的平衡狀態(tài)。處于運(yùn)動(dòng)平衡狀態(tài)的流體，各點(diǎn)的流速不隨時(shí)間變化，由流速?zèng)Q定的壓強(qiáng)、黏性力和慣性力也不隨時(shí)間變化，這種流動(dòng)稱為

8、恒定流。,(2)非恒定流 處于運(yùn)動(dòng)不平衡狀態(tài)的流體，它的各點(diǎn)的流速隨著時(shí)間變化，各點(diǎn)的壓強(qiáng)、黏性力、慣性力也隨著速度的變化而變化，這種流動(dòng)稱為非恒定流。 在實(shí)際工程中所接觸的流體流動(dòng)，都可以視作恒定流動(dòng)，給分析和計(jì)算帶來很大方便。,恒定流連續(xù)性方程是由質(zhì)量守恒定律得出的，質(zhì)量守恒定律告訴我們，同一流體的質(zhì)量在運(yùn)動(dòng)過程中不生不滅，即流體運(yùn)動(dòng)到任何地方，其質(zhì)量是恒定不變的。 如圖所示，在恒定流條件下，可以考慮以下幾點(diǎn)：,恒定流連續(xù)方程圖解,1.4恒定流連續(xù)性方程,1)由于是恒定流，流體的各點(diǎn)的流速不隨時(shí)間發(fā)生變化。 2)流體是連續(xù)介質(zhì)，中間不會(huì)形成空隙。 3)流體不能從研究對(duì)象流體的側(cè)壁流入或流出

9、。 在恒定流的管道上取-和-兩個(gè)過流斷面，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，通過斷面-的質(zhì)量流量等于通過斷面-的質(zhì)量流量，假設(shè)斷面-處的斷面面積為A1，流體的密度為1，流入的流體體積流量為Q1；假定斷面-處的斷面面積為A2，流體的密度為2，流出的流體體積流量為Q2，即 1Q12Q2 若在管道上取n個(gè)過流斷面，則式可寫成 1Q12Q2 nQn,由前面學(xué)習(xí)可知，在設(shè)備工程中的流體都可視作不可壓縮流體，即各個(gè)過流斷面上的流體密度不變，為常數(shù)。因此，流體的連續(xù)性方程可以寫成 Q1Q2Qn (1.13) 因?yàn)镼vA，代入上式得 v1A1v2 A2vnAn (1.14) 從上式可以得出 v1v2vn1/A11/A21/A

10、n (1.15) 從連續(xù)性方程可以看出，連續(xù)性方程確立了總流各過流斷面平均流速沿流向的變化規(guī)律，只要總流的流量已知或任意斷面的流速已知，則其他斷面的流速即可算出。,【例1.1】如圖1.6所示管段。d12.5cm，d25cm，d310cm。當(dāng)流量為4 L/s時(shí)，求各管段的平均流速。,圖1.6,【解】根據(jù)連續(xù)性方程 Qv1 A1 v2 A2 v3A3 v1Q /A1 815cm/s8.15m/s 同理可得 v22.04m/s v30.51m/s 以上所列連續(xù)性方程，不但只限于兩斷面之間，還可推廣到任意空間，在管道的三通處，無論分流還是合流，質(zhì)量守恒定律仍然成立，即分流時(shí) QQ1 Q2 合流時(shí) Q1

11、 Q2 Q,能量守恒及其轉(zhuǎn)化規(guī)律是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)普遍規(guī)律。1738年荷蘭科學(xué)家達(dá)伯努里研究結(jié)果： （一）恒定總流實(shí)際液體能量方程,式中：z1、 z2過流斷面1-1、2-2單位重量液體位能，也稱位置水頭；,過流斷面1-1、2-2單位重量液體壓能，也稱壓強(qiáng)水頭；,過流斷面1-1、2-2單位重量液體動(dòng)能，也稱流速水頭；,hw1-2單位重量液體通過流段1-2的平均能量損失，也稱水頭損失。,公式（1-17）中的動(dòng)能修正系數(shù)。為用斷面平均流速v代替質(zhì)點(diǎn)流速u計(jì)算動(dòng)能所造成誤差的修正。一般=1.051.1，為計(jì)算方便。常取=1.0。,1.5恒定總流能量方程,練習(xí)題,水流過一段轉(zhuǎn)彎變徑管,如圖所示,已知小管直

12、徑200mm，截面壓力70kPa，大管直徑400mm，壓力40kPa，流速=1m/s。兩截面中心高度差1m，求管中流量及水流方向。,（2） 實(shí)際上，流體在管道內(nèi)流動(dòng)，由于流體本身存在黏滯力，以及管道的內(nèi)壁面有一定的粗糙度，流體在流動(dòng)是由流動(dòng)阻力存在，也就是流體在流動(dòng)過程中要消耗一部分能量來克服這種流動(dòng)阻力，這樣必然使得這部分能量變成熱能而損失掉，這就是流動(dòng)損失。,流體在流動(dòng)過程中，主要有兩種阻力：一種是沿程阻力，一種是局部阻力。因此，流體在流動(dòng)過程中由于流動(dòng)阻力的存在而造成的能量損失相應(yīng)的有兩種，一種是沿程損失；一種是局部損失。 1.沿程阻力和沿程損失 由于流體具有黏滯性且管壁的表面不光滑，流

13、體在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生內(nèi)摩擦力和管壁造成的摩擦力，從而使一部分能量以熱能的形式散發(fā)形成能量損失。在邊界條件不發(fā)生變化的管段上，流動(dòng)阻力只有沿程不變的摩擦力或切應(yīng)力，稱為沿程阻力；克服沿程阻力而造成的能量損失，稱為沿程損失。,1.6流動(dòng)阻力和流動(dòng)損失,2.局部阻力和局部損失 流體在流動(dòng)過程中，當(dāng)流經(jīng)如三通、彎頭、閥門等管道中管件和附件時(shí)，對(duì)流體形成局部障礙，流體的流動(dòng)狀況發(fā)生急劇變化。在邊界條件發(fā)生急劇變化的區(qū)域，由于出現(xiàn)了漩渦區(qū)和速度分布的改組，則形成集中的阻力，這種阻力稱為局部阻力；克服局部阻力而造成的能量損失，稱為局部損失。,3.能量損失的計(jì)算公式 （1）沿程損失 hf=Lv2/(d2g)

14、（2）局部損失 hj=u2/(2g) 式中：L管長(m)； d 管徑(m)； g 重力加速度(m/s)； v 斷面平均流速(m/s) (對(duì)局部損失來講，為局部阻力損失過后的流速)； 沿程阻力系數(shù)； 局部阻力系數(shù)。 流體流動(dòng)過程中的總的能量損失，等于各計(jì)算管段的沿程損失與局部損失之和， hhfhj,根據(jù)水頭損失算出供水水壓 供水水壓=P1+P2+P3+P4 P1最不利點(diǎn)與引入管起點(diǎn)的高差； P2計(jì)算管路的沿程壓力損失和局部壓力損 失之和； P3水流通過水表時(shí)的壓力損失； P4 最不利點(diǎn)的最小工作壓力。,2 建筑給水系統(tǒng),2.1建筑室外給水系統(tǒng) 2.2建筑室內(nèi)給水系統(tǒng),建筑給水系統(tǒng)分室外與室內(nèi)給水

15、系統(tǒng)，其任務(wù)是經(jīng)濟(jì)合理地將水從城市（室外）給水管網(wǎng)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理地輸送到室內(nèi)各用水點(diǎn)，并且滿足用水點(diǎn)對(duì)水質(zhì)、水量和水壓等 方面的要求。 給水系統(tǒng)按其用途不同劃分為： 生活給水系統(tǒng) 生產(chǎn)給水系統(tǒng) 消防給水系統(tǒng),2.1 建筑室外給水系統(tǒng),地面水位水源的給水系統(tǒng)取水工程、凈水工程、泵站、輸配水工程等 地下水為水源的給水系統(tǒng)取水構(gòu)筑物（如井群、滲渠等）、凈水工程（主要設(shè)施有清水池及消毒設(shè)備）、泵站、輸配水工程等,一、水源及取水工程 給水水源可分為兩大類，一類為地表水，如江水、河水、湖水、水庫水及海水等。另一類為地下水，如井水、泉室、喀斯特溶洞水等。 取水工程要解決的是從天然水源中?。┧姆椒ㄒ?/p>

16、及取水構(gòu)筑物的構(gòu)造形式等問題。水源的種類決定著取水構(gòu)筑物的構(gòu)造形式及凈水工程的組成。,地表水取水構(gòu)筑的形式很多，常見的有河床固定式、岸邊纜車、浮船活動(dòng)式取水構(gòu)筑物以及在山區(qū)僅有山溪小河的地方取水，常用低壩、底欄柵等取水構(gòu)筑物。 地下水取水構(gòu)筑物的形式與地下水埋深、含水層厚度等水文地質(zhì)條件有關(guān)。管井用于取水量大、含水層厚大于5m而底板埋藏深度大于15m的情況；大口井用于含水層厚度在5m左右，其底板埋深小于15m的情況；滲渠用于含水層厚度小于5m的情況。泉室適用于有泉水露層厚度小于5m的情況。,二、水處理 水源水中往往含有各種雜質(zhì)，如地下水常含有各種礦物鹽類，地表水含有泥砂、水草腐植質(zhì)、溶解性氣體

17、、各種鹽類、細(xì)菌及病原菌等。由于用戶對(duì)水質(zhì)都有一定的要求，故未經(jīng)處理的水不能直接送往用戶。水處理的任務(wù)就是解決水的凈化問題。 水處理方法和凈化程度應(yīng)根據(jù)水源的水質(zhì)和用戶對(duì)水質(zhì)的要求而定。生活用水凈化須符合我國現(xiàn)行的生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。 工業(yè)用水應(yīng)按照生產(chǎn)工藝對(duì)水質(zhì)的具體要求來確定相應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及凈化工藝。,城市自來水廠只滿足生活飲用水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)水質(zhì)有特殊要求的工業(yè)企業(yè)應(yīng)單獨(dú)建造生產(chǎn)給水系統(tǒng)。當(dāng)用水量不大且允許自城市給水管網(wǎng)取水時(shí)，亦可用自來水為水源再行進(jìn)一步的處理。 地表水的水處理工藝流程應(yīng)根據(jù)水質(zhì)和用戶對(duì)水質(zhì)的要求確定。一般以供給飲用水為目的工藝流程，主要包括沉淀、過濾及消毒三個(gè)部分。

18、沉淀的目的在于除去水中的懸浮物質(zhì)及膠體物質(zhì)。由于細(xì)小的懸浮雜質(zhì)沉淀甚慢，膠體物質(zhì)不能自然沉淀，所以在原水進(jìn)入沉淀池之前需投加混凝劑，以加速懸浮雜質(zhì)的沉淀并達(dá)到除去膠體物質(zhì)的目的。沉淀池的形式很多，常用的有平流式、豎流式、輻流式，以及斜板和斜管式的上向流、同向流沉淀池等，各類澄清池的使用也很普遍。,經(jīng)沉淀后的水，渾濁度應(yīng)不超過20mg/L。為達(dá)到飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的濁度要求（即5 mg/L）尚須進(jìn)行過濾。常用的濾池有普通快濾池、虹吸濾池及無閥濾池等。 以地下水為生活飲用水源時(shí)，其水質(zhì)能滿足生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)時(shí)一般只需消毒即可。只有當(dāng)水中錳、鐵含量超標(biāo)時(shí)應(yīng)考慮除鐵除錳。 在地表水處理過程中雖然大

19、部分細(xì)菌被除去，但由于地表水的細(xì)菌含量較高，殘留于處理水中的細(xì)菌仍為數(shù)甚多，并可能有病原菌傳播疾病，故必須進(jìn)行消毒處理。 消毒的目的：一是消滅水中的細(xì)菌和病原菌；二是保證凈化后的水在輸送到用戶之前不致被再次污染。消毒的方法有物理法和化學(xué)法，物理法有紫外線、超聲波、加熱法等；化學(xué)法有加氯、臭氧法等。,圖25為以地表水為水源的某自來水廠平面布置圖。它是由生產(chǎn)構(gòu)筑物、輔助構(gòu)筑物和合理的道路布置等組成。生產(chǎn)構(gòu)筑物指澄清池、虹吸濾池、清水池及泵站等。輔助構(gòu)筑物指機(jī)修間、辦公室、化驗(yàn)室、庫房等。,三、輸配水工程 輸配水工程是解決如何把凈化后的水輸送到用水地區(qū)并分配到各用水點(diǎn)。輸配水工程通常包括輸水管道、配水管網(wǎng)、加壓泵站、調(diào)節(jié)構(gòu)筑物等。 允許間斷供水的給水工程、多水源供水的給水工程或設(shè)有安全貯水池，可以只設(shè)一條輸水管；不允許間斷供水的給水工程一般應(yīng)設(shè)兩條或兩條以上的輸水管。輸水管最好沿現(xiàn)有道路或規(guī)劃道路敷設(shè)，并應(yīng)盡量避免穿越河谷、山脊、沼澤、重要鐵道及洪水泛濫淹沒的地區(qū)。,配水管網(wǎng)的任務(wù)是將輸水管送來的水分配到用戶。它是根據(jù)用水地區(qū)的地形及最大用戶分布情況并結(jié)合城市規(guī)劃來進(jìn)行布置。配水干管的路線應(yīng)通過用水量較大的地區(qū)，并以最短的距離向最大用戶供水。在城市規(guī)劃設(shè)計(jì)中應(yīng)把最大用戶置于管網(wǎng)之始端，以減少配水管的管徑而