第3.章给水管网水力计算基础

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第3章给水管网水力学基础 第3章给水管网水力学基础3.1给水管网水流特征3.2管渠水头损失计算3.3给水系统的水压关系（补充）3.4管道的水力等效简化3.5给水管网模型 3.1给水管网水流特征3.1.1管网中的流态分析流态特征水的三种流态：层流Re<2000紊流Re>4000过渡流2000~4000给水排水管网水流一般处在紊流流态紊流流态分为三个阻力特征区：阻力平方区水头损失与流速平方成正比过渡区水头损失和流速1.75~2次方成正比水力光滑管区水头损失和流速1.75次方成正比给水排水管网水流一般处在阻力平方区和过渡区 3.1.2恒定流与非恒定流给水排水管网中，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。 3.1.3均匀流与非均匀流非均匀流：水流参数随空间变化。满管流动1）如果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。非满管流或渠流，只要长距离截面不变，可以近似为均匀流。 3.1.4压力流与重力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。 3.1.5水流的水头与水头损失水头：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测压管水头流速水头v2/2g 3.2管渠水头损失流体克服流动阻力所消耗的机械能称为水头损失。当流体受固定边界限制做均匀流动时，流动阻力中只有沿程不变的切应力，称为沿程阻力。由沿程阻力引起的水头损失成为沿程水头损失。当流体的固定边界发生突然变化，引起流速分布或方向发生变化，从而集中发生在较短范围的阻力称为局部阻力。由局部阻力引起的水头损失成为局部水头损失。 3.2管渠水头损失计算谢才公式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 沿程水头损失计算对于圆管满流，达西公式：D——管段直径，m；g——重力加速度，m/s2；λ——沿程阻力系数，λ=8g/C2 谢才系数或沿程阻力系数的确定（1）舍维列夫公式适用于旧铸铁管和旧钢管满管紊流，水温10度，常用于给水管道水力计算。 谢才系数或沿程阻力系数的确定（2）海曾-威廉公式适用于较光滑的圆管满流管紊流计算，主要用于给水管道水力计算。q——流量，m3/s；Cw——海曾-威廉粗糙系数。 谢才系数或沿程阻力系数的确定（3）柯尔勃洛克-怀特公式适用于各种紊流，是适用性和计算精度最高的公式之一。e——管壁当量粗糙度，m。 谢才系数或沿程阻力系数的确定（4）巴甫洛夫斯基公式适用于明渠流和非满流排水管道计算。 谢才系数或沿程阻力系数的确定（5）曼宁公式巴甫洛夫斯基公式中y=1/6时的特例，适用于明渠或较粗糙的管道计算。nM——曼宁公式粗糙系数。 3.2.2沿程水头损失计算公式的比较与选用柯尔勃洛克-怀特公式具有较高的精度;巴甫洛夫斯基公式具有较宽的适用范围，1.0≤e≤5.0mm;曼宁公式适用于较粗糙的管道,0.5≤e≤4.0mm;海曾-威廉公式适用于较光滑的管道,e≤0.25mm;舍维列夫公式适用于1.0≤e≤1.5mm. 3.2.3局部水头损失计算局部阻力设施ξ局部阻力设施ξ全开闸阀0.1990。弯头0.950%开启闸阀2.0645。弯头0.4截止阀3~5.5三通转弯1.5全开蝶阀0.24三流直流0.1 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：参数海曾威廉公式曼宁公式舍维列夫公式K10.67/Cw1.85210.29nM20.001798n1.8522.01.911m4.875.3335.123 局部水头损失公式的指数形式 由一泵站供净水厂3.3给水系统的水压关系 无水塔时二泵站压力控制点 向前置水塔和管网供水时的压力 消防时水压 3.4管道的水力等效简化采用水力等效的原理，将局部管网简化成简单的形式。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，等效为集中出流或如流；泵站多台水泵并联工作可以等效为单台水泵。 l1l2lNd1d2dN3.4.1串联管道的简化l根据水力等效的原则： 3.4.1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。根据水力等效的原则：d1q1d2q2dNqNq 任一管段的流量：沿线流量，转输流量。3.4.2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。 3.5给水管网模型给水管网是一类大规模且复杂多变的网络系统，为了便于规划、设计和运行管理，应将其简化和抽象以便于用图形和数据表达和分析的系统，称为给水管网模型。 3.5.1给水管网的简化所谓简化，就是从实际系统中去掉一些比较次要的给水排水设施，使分析和计算集中于主要对象。简化原则：宏观等效原则；最小误差原则。 简化方法：1）删除次要管线，保留主管线；2）交叉点近可合并为同一交叉点；3）将全开阀门去掉，将管线从全闭阀门处切断；4）采用水力等效原则将不同管材和规格等效为单一管材和规格；5）并联管线可简化为单管线；6）大系统可拆分为多个小系统。附属设施简化：1）删除不影响全局水力特性的设施；2）将同一处的多个相同设施合并。 节点合并管段合并分解忽略 3.5.2给水管网的抽象所谓抽象，就是忽略所分析和处理对象的一些具体特征，而将它们视为模型中的元素，只考虑它们的拓扑关系和水力特性。经过简化的给水排水管网进一步抽象成为仅由管段和节点两类元素组成的管网模型。 管段和节点管段：管线和泵站等简化后的抽象形式，只输送水量，不允许改变水量，但可以改变水的能量。当管线中间有较大的集中流量时，应在集中流量点处划分管段，设置节点。泵站、减压阀、跌水井、非全开阀门等应设于管段上。节点：管线交叉点、端点或大流量出入点的抽象形式。水的能量唯一，但有流量的输入或输出。 管段和节点的属性管段属性构造属性：管长、直径、粗糙系数。拓扑属性：管段方向、起点、终点。水力属性：流量、流速、扬程、摩阻，压降。节点属性构造属性：高程、位置。拓扑属性：与节点关联的管段及其方向、节点的度；（与某节点关联的管段的数目称为该节点的度）水力属性：节点流量、节点水头、自由水头。 3.5.3管网模型的标识（1）节点和管段编号节点（1）,（2）…管段[1],[2]…（2）管段方向的设定任意设定，不一定等于管段中水流的流向。实际流向与设定方向不一致，用负值表示。（3）节点流量方向的设定流出节点为正，流入为负值。Q8（8）（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）[1][9][8][7][6][5][4][3][2]Q7Q3Q2Q1Q4Q5Q6q1,h1q6,h6q5,h5q2,h2q3,h3q7,h7q8,h8q9,h9q4,h4 管网节点数N和管段数M的关系两大类管网：树状网和环状网树状网：M=N-1环状网：M=L+N-1（L为内环数）（3）Q7（1）（2）（4）（5）（6）（7）（8）[1][9][8][7][6][5][4][3][2]Q3Q2Q1Q4Q5Q6Q8节点数：N=8管段数：M=2+8-1=9