第二講-第一章-建筑給排水

1、第一章 建筑給排水,1 流體動力學的基本知識 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流體的主要力學性質(zhì),1 流體動力學的基本知識,1.1流體的主要力學性質(zhì) 1.2描述流體運動的幾個有關(guān)概念 1.3流體運動的分類 1.4恒定流連續(xù)性方程 1.5恒定總流能量方程 1.6流動阻力和流動損失,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，通常用物體的質(zhì)量和重力，而流體因為沒有固定的體積，在描述其慣性大小和重力大小時，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 流體流動時，流體內(nèi)部各質(zhì)點間或流層間因相對運動而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力以反抗流體質(zhì)點間相對運動的性質(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)摩擦力為切應力，以表示 （4）切應力： 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，通過計算，水的壓力再增加一個標準大氣壓時，其體積只縮小了1/20 000。因此，在實際工程中，可認為液體流體的密度在整個流動過程中是不變的，即認為是不可壓縮流體。 （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，因此在實際工程中，要考慮受熱體積膨脹帶來的危害。,小結(jié),（1）在實際工程中，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描述流體運動的幾個有關(guān)概念,1.流線和跡線 流線是同一時刻連續(xù)流體質(zhì)點的流動方向線；跡線是同一質(zhì)點在連續(xù)時間內(nèi)的流動軌跡線。流線是為了形象化的描述流體的運動而引入的概念。在實際工程中，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動狀況，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的一些性質(zhì)，如圖1.2所示。通過流場中的每一個點都可以繪一條流線，所以流線布滿整個流場。流線繪出后，流體的流動狀況就一目了然。某點的流速方向就是流線在該點的切線方向；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 流體流動時，單位時間內(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。要計算流量的大小，我們假設(shè)流體在管道內(nèi)流動，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,流體運動有不同的分類方法，下面分別介紹。 1.根據(jù)流動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時，整個流體的周界與固體壁面都接觸，流體無自由表面，這

6、種流動稱作壓力流。如室內(nèi)給水系統(tǒng)的水在管道中的流動，空調(diào)工程中的空氣在風管道中的流動，供熱工程中熱水或蒸汽在管道中的流動等，都是壓力流。,1.3流體運動的分類,壓力流有三個特點： 1)流體充滿整個管道。 2)不能形成自由表面。 3)流體對管壁有一定的壓力。,(2)無壓流 無壓流又稱為重力流，流體流動時，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，這種流動稱作無壓流。如室內(nèi)排水系統(tǒng)中污水在管道中的流動，水渠中的水在水渠里的流動等都是無壓流。無壓流有兩個特點： 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)流體流動時壓力、流速等運動要素隨時間是否變化來劃分 (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，水處于靜止狀態(tài)，稱為靜止平衡，打開后的短暫時間內(nèi)，水從噴口流出，流速從零迅速增加到某一流速，在這個過程中，流速時刻在發(fā)生變化，稱為運動的不平衡狀態(tài)，當達到某一流速后，即維持不變，此時稱為運動的平衡狀態(tài)。處于運動平衡狀態(tài)的流體，各點的流速不隨時間變化，由流速決定的壓強、黏性力和慣性力也不隨時間變化，這種流動稱為

8、恒定流。,(2)非恒定流 處于運動不平衡狀態(tài)的流體，它的各點的流速隨著時間變化，各點的壓強、黏性力、慣性力也隨著速度的變化而變化，這種流動稱為非恒定流。 在實際工程中所接觸的流體流動，都可以視作恒定流動，給分析和計算帶來很大方便。,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)量在運動過程中不生不滅，即流體運動到任何地方，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：,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，流體的各點的流速不隨時間發(fā)生變化。 2)流體是連續(xù)介質(zhì)，中間不會形成空隙。 3)流體不能從研究對象流體的側(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個過流斷面，則式可寫成 1Q12Q2 nQn,由前面學習可知，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) 因為QvA，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。當流量為4 L/s時，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 QQ1 Q2 合流時 Q1

11、 Q2 Q,能量守恒及其轉(zhuǎn)化規(guī)律是物質(zhì)運動的一個普遍規(guī)律。1738年荷蘭科學家達伯努里研究結(jié)果： （一）恒定總流實際液體能量方程,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，也稱壓強水頭；,過流斷面1-1、2-2單位重量液體動能，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）中的動能修正系數(shù)。為用斷面平均流速v代替質(zhì)點流速u計算動能所造成誤差的修正。一般=1.051.1，為計算方便。常取=1.0。,1.5恒定總流能量方程,練習題,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） 實際上，流體在管道內(nèi)流動，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，流體在流動是由流動阻力存在，也就是流體在流動過程中要消耗一部分能量來克服這種流動阻力，這樣必然使得這部分能量變成熱能而損失掉，這就是流動損失。,流體在流動過程中，主要有兩種阻力：一種是沿程阻力，一種是局部阻力。因此，流體在流動過程中由于流動阻力的存在而造成的能量損失相應的有兩種，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、體在運動過程中會產(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，流動阻力只有沿程不變的摩擦力或切應力，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流動阻力和流動損失,2.局部阻力和局部損失 流體在流動過程中，當流經(jīng)如三通、彎頭、閥門等管道中管件和附件時，對流體形成局部障礙，流體的流動狀況發(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)。 流體流動過程中的總的能量損失，等于各計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最不利點與引入管起點的高差； P2計算管路的沿程壓力損失和局部壓力損 失之和； P3水流通過水表時的壓力損失； P4 最不利點的最小工作壓力。,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)濟合理地將水從城市（室外）給水管網(wǎng)安全可靠、經(jīng)濟合理地輸送到室內(nèi)各用水點，并且滿足用水點對水質(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、細菌及病原菌等。由于用戶對水質(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根據(jù)水源的水質(zhì)和用戶對水質(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)生標準。 工業(yè)用水應按照生產(chǎn)工藝對水質(zhì)的具體要求來確定相應的水質(zhì)標準及凈化工藝。,城市自來水廠只滿足生活飲用水的水質(zhì)標準。對水質(zhì)有特殊要求的工業(yè)企業(yè)應單獨建造生產(chǎn)給水系統(tǒng)。當用水量不大且允許自城市給水管網(wǎng)取水時，亦可用自來水為水源再行進一步的處理。 地表水的水處理工藝流程應根據(jù)水質(zhì)和用戶對水質(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，渾濁度應不超過20mg/L。為達到飲用水水質(zhì)標準所規(guī)定的濁度要求（即5 mg/L）尚須進行過濾。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，其水質(zhì)能滿足生活飲用水衛(wèi)生標準時一般只需消毒即可。只有當水中錳、鐵含量超標時應考慮除鐵除錳。 在地表水處理過程中雖然大

19、部分細菌被除去，但由于地表水的細菌含量較高，殘留于處理水中的細菌仍為數(shù)甚多，并可能有病原菌傳播疾病，故必須進行消毒處理。 消毒的目的：一是消滅水中的細菌和病原菌；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法，物理法有紫外線、超聲波、加熱法等；化學法有加氯、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)筑物指機修間、辦公室、化驗室、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。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)劃來進行布置。配水干管的路線應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)計中應把最大用戶置于管網(wǎng)之始端，以減少配水管的管徑而