给水排水管网水力学基础.ppt

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1、,第3章 给水排水管网水力学基础,3.1 给水排水管网水流特征,3.1.1管网中的流态分析在水力学中，水在圆管中的流动有层流、紊流及过渡流三种流态，可以根据雷诺数Re进行判别，其表达式如下：,式中，V管内平均流速（m/s）；D管径(m)；水的运动粘性系数，当水温为10oC时，1.308 x 10-6m2/s，当水温为30oC时，0.804 x 10-6m2/s，当水温为50oC时，0.556 x 10-6m2/s。当Re小于2000时为层流，当Re大于4000时为紊流，当Re介于2000到4000之间时，水流状态不稳定，属于过渡流态。,给水排水管网中，流速一般在0.51.5m/s之间，管径多在

2、0.11.0m之间，水温一般在525之间，水的动力粘滞系数在1.52 0.8910-6m2/s之间，水流雷诺数约在330001680000之间，处于紊流状态。计算表明，给水排水管网中，阻力平方区与过渡区的流速界限在0.61.5m/s之间，过渡区与光滑区的流速界限则在0.1m/s以下。多数管道的水流状态处于紊流过渡区和阻力平方区，部分管道因流速很小而可能处于紊流光滑管区，水头损失与流速的1.752.0次方成正比。,3.1.2恒定流与非恒定流 由于用水量和排水量的经常性变化，给水排水管道中的流量和流速随时间变化，水流经常处于非恒定流（又称非稳定流）状态。但是，非恒定流的水力计算比较复杂，在管网工程

3、设计和水力计算时，一般按恒定流（又称稳定流）计算。随着计算机技术快速发展与普及，国内外已经开始研究和采用非恒定流计算给水排水管网，而且得到了更接近实际的结果。,3.1.3均匀流与非均匀流给水排水管网中的水流参数随时间变化，也随空间变化。特别是明渠流或非满管流，通常都是非均匀流。对于满管流，长距离等截面满管流为均匀流。对于非满管流或渠流，只要长距离截面不变，也可近似为均匀流，按沿程水头损失公式计算。对于短距离或特殊情况下的非均匀流动，运用水力学理论按缓流或急流计算。,3.1.4压力流与重力流压力流输水通过具有较大承压能力的管道进行，水流在运动中的阻力主要依靠水泵产生的压能克服，管道阻力大小只与管

4、道内壁粗糙程度、管道长度和流速有关，与管道埋设深度和坡度等无关。重力流输水系统依靠地形高差，通过管道或渠道由高处流向低处，水流的阻力主要依靠水的位能克服，水位沿水流方向降低，称为水力坡降。给水管网多采用压力流输水方式，如果地形条件允许，也可采用重力流输水以降低输水成本。排水管网一般采用重力流输水方式，要求管渠的埋设高程随着水流水力坡度下降。,3.2管渠水头损失计算,3.2.1沿程水头损失计算对于任意形状管渠断面，采用谢才（Chezy）公式：,式中hf沿程水头损失（m）； v过水断面平均流速（m/s）；C谢才系数； l管渠长度(m) ；R过水断面水力半径（m），对于圆管满流， R=0.25D，D

5、为直径（m） 。,对于圆管满流，可采用达西-韦伯（Darcy-Weisbach）公式：,式中D管段直径（m）；g重力加速度（m/s2）； 沿程阻力系数， 。,常用管材内壁当量粗糙度e（mm）表3.1,3.2.3局部水头损失计算,计算公式 ：,式中，hm 局部水头损失，m；局部阻力系数，见表3.5。,局部阻力系数表3.5,经验表明，给水排水管网中的局部水头损失一般不超过沿程水头损失的5%，所以，在管网水力计算中，常忽略局部水头损失的影响，不会造成大的计算误差。,3.2.4水头损失公式的指数形式,将水头损失计算公式写成指数形式，有利于统一计算公式的表达形式，简化给水排水管网的水力计算，也便于计算机

6、程序设计和编程。沿程水头损失计算公式的指数形式为：,式中，k、n、m指数公式的参数。见表3.6；比阻，即单位管长的摩阻系数， =k/Dm； sf摩阻系数，sf= l=kl/Dm。,沿程水头损失指数公式的参数 表3.6,或,或,3.3非满流管渠水力计算,在排水管网中，污水管道一般采用非满管流设计，雨水管网一般采用满管流设计，如图3.1所示。在两者的运行过程中，大多数时间内，均处于非满管流状态。为了简化计算工作，在给水排水管道的水力计算中一般都采用均匀流公式。,图3.1圆形管道非满管流和满管流示意图（a）非满管流；（b）满管流,图3.2圆形管道充满度示意图,3.3.1非满流管道水力计算公式,管渠流

7、量公式：,式中A过水断面面积（m2）； I水力坡度，对于均匀流，为管渠底坡。,非满流管道水力计算参数公式:,设管径为D，管内水深为y，充满度为y/D，由管中心到水面线两端的夹角计算公式：,式中，的单位为弧度。过水断面面积、湿周 和水力半径依次为，,或,，,和,设该管道的坡度为I，满管流时的过水断面面积、水力半径、流量和流速分别为A0、R0、q0和v0，可得,，,，,和,3.4管道的水力等效简化,水力等效简化原则： 经过简化后的管网对象与原来的实际对象具有相同的水力特性。如两条并联管道简化成一条后，在相同的总输水流量下，应具有相同的水头损失。3.4.1串联或并联管道的简化,管道串联等效直径：,管

8、道串联：如图3.4所示，两条或两条以上管道串联，可将它们等效为一条直径为d，长度为l 的管道。根据水力等效原则，有：,管道并联：两条或两条以上管道并联，长度相等，可以将它们等效为一条直径为d长度为l的管道，则：,3.4管道的水力等效简化,水力等效简化原则： 经过简化后的管网对象与原来的实际对象具有相同的水力特性。如两条并联管道简化成一条后，在相同的总输水流量下，应具有相同的水头损失。,管道串联等效直径：,3.4.1串联或并联管道的等效简化管道串联：如图3.4所示，两条或两条以上管道串联，可将它们等效为一条直径为d，长度为l 的管道。根据水力等效原则，有：,当并联管道直径相同时，等效直径：,管道

9、并联：两条或两条以上管道并联，长度相等，可以将它们等效为一条直径为d长度为l的管道，则：,并联管道等效直径：,干管配水情况,沿程水头损失：,3.4.2沿线均匀出流的简化给水管网中的配水管沿线向用户供水，如图3.6所示。假设沿线出流是均匀的，则管道内任意断面x上的流量可以表示为：,为简化计算，将沿线流量简化为在管道起端和未端的两个集中流量，假设未端的流量为ql（ 称为流量折算系数），其余流量转移到起端，则管道流量为q=qt+ ql ，根据水力等效原则，有：,结论：管道沿线出流的流量可以近似地一分为二，平均分配到管段的两个端点上，由此造成的计算误差在工程上是允许的。,设管道直径为D，局部阻力系数为，令其局部水头损失与折算当量管道的沿程水头损失相等，可以计算当量管道长度ld ，即,3.4.3局部水头损失计算的简化 给水排水管网中的局部水头损失一般占总水头损失的比例较小，通常可以忽略不计。在一些特殊情况下，局部水头损失必须进行计算。为了简化计算，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，与沿程水头损失合并计算。,【例3.5】某管道直径D=0.6m，管壁粗糙系数nM=0.013，管道中有3个45弯头，2个闸阀，2个直流三通，试计算当量管长度。【解】查表3.5，该管道上总的局部阻力系数为：,采用曼宁公式计算谢才系数：,于是，当量管长度为：,第3章结束,