第3章-给水排水管网水力学基础
(整理)第三章给水排水管道系统水力计算基础
第三章给水排水管道系统水力计算基础本章内容：1、水头损失计算2、无压圆管的水力计算3、水力等效简化本章难点：无压圆管的水力计算第一节基本概念一、管道内水流特征进行水力计算前首先要进行流态的判别。
判别流态的标准采用临界雷诺数Re k，临界雷诺数大都稳定在2000左右，当计算出的雷诺数Re小于2000时，一般为层流，当Re大于4000时，一般为紊流，当Re介于2000到4000之间时，水流状态不稳定，属于过渡流态。
对给水排水管道进行水力计算时，管道内流体流态均按紊流考虑紊流流态又分为三个阻力特征区：紊流光滑区、紊流过渡区及紊流粗糙管区。
二、有压流与无压流水体沿流程整个周界与固体壁面接触，而无自由液面，这种流动称为有压流或压力流。
水体沿流程一部分周界与固体壁面接触，另一部分与空气接触，具有自由液面，这种流动称为无压流或重力流给水管道基本上采用有压流输水方式，而排水管道大都采用无压流输水方式。
从水流断面形式看，在给水排水管道中采用圆管最多三、恒定流与非恒定流给水排水管道中水流的运动，由于用水量和排水量的经常性变化，均处于非恒定流状态，但是，非恒定流的水力计算特别复杂，在设计时，一般也只能按恒定流(又称稳定流)计算。
四、均匀流与非均匀流液体质点流速的大小和方向沿流程不变的流动，称为均匀流；反之，液体质点流速的大小和方向沿流程变化的流动，称为非均匀流。
从总体上看，给水排水管道中的水流不但多为非恒定流，且常为非均匀流，即水流参数往往随时间和空间变化。
对于满管流动，如果管道截面在一段距离内不变且不发生转弯，则管内流动为均匀流；而当管道在局部有交汇、转弯与变截面时，管内流动为非均匀流。
均匀流的管道对水流的阻力沿程不变，水流的水头损失可以采用沿程水头损失公式进行计算；满管流的非均匀流动距离一般较短，采用局部水头损失公式进行计算。
对于非满管流或明渠流，只要长距离截面不变，也没有转弯或交汇时，也可以近似为均匀流，按沿程水头损失公式进行水力计算，对于短距离或特殊情况下的非均匀流动则运用水力学理论按缓流或急流计算。
给水排水管网水力学基础
∑
当并联管道直径相同时
d1 = d 2 = d =
n m/n m ( Nd i )
= d N = di =
n (N ) m
di
3．4．2 沿线均匀出流的简化 干管配水情况
配水支管
Q 1 q1 q 3 Q2 q2
q5 q4
Q3
q7
配水干管
Q4
q6
t
假设沿线出流是均匀 的，则管道的任一断 面上的流量
管道的水力等效简化
n kq n l kq1n l kq 2 l = m = m = m d d1 d2
n kq N l = m dN
d = (∑ d )
i =1
N
m n i
n m
当并联管道直径相同时， 有：
d = (N ) di
n m
3.1 给排水管网水流特征 3．1．1 流态特征
Re ⎧层流： < 2000 ⎪ ⎪ 1.流态 ⎨过渡流 : 2000 < Re < 4000 ⎪ Re （给排水管网一般按紊 流考虑） ⎪紊流： > 4000 ⎩
第3章 给水排水管网水力学基础 －－管渠稳定流方程 谢才公式：
式中
v2 hf = 2 l C R
（m）
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，即断面面积除以湿周，m， 对于圆管满流R=0.25D（D为直径）。
圆管满流－达西公式：
n
kq n d m
N
l
kq n l i kq l = ∑ m m d i=1 d i d = (l /
m i=1 d i
∑
N
第3章-给水排水管网水力学基础讲解
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 管渠流量公式：
q
Av
A
R
2 3
I
1 2
式中
A―过水断面面积（m2）；
n
I―水力坡度，对于均匀流，为管渠底坡。
N mn
d ( din ) m i 1
当并联管道直径相同时，等效直径：
n
d (N)m di
kqNn l
d
m N
干管配水情况
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：
qx
qt
沿程水头损失计算公式的指数形式为：
或
或 hf sf qn
式中，k、n、m─指数公式的参数。见表3.6； α―比阻，即单位管长的摩阻系数， α =k/Dm； sf―摩阻系数，sf= α l=kl/Dm。
沿程水头损失指数公式的参数
表3.6
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。
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：
Re
VD
式中，V－管内平均流速（m/s）；D－管径(m)；ν－水的运动粘性系数，当水温为 10oC时，ν＝1.308 x 10-6m2/s，当水温为30oC时，ν＝0.804 x 10-6m2/s，当水温为 50oC时，ν＝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。
第三章给水排水管网水力学基础选编
已知
流量q 求
管径D 水力坡度I
充满度h/D 流速v
1）先由下式计算q/q0，反查表3.7的充满度h/D；
q q0
1 nM
q 2 1 A0 A0 R 0 3 I 2
D 2
4
R0
D 4
5
q q0
43
nM q
81
D3I 2
3.208nM q D I 2.667 0.5
2）根据充满度h/D，查表3.7得A/A0，然后用下式计算流速v。
压力流与重力流
压力流：水体沿流程整个周界与固体壁面接触，无 自由液面，满管流动，又称管流。
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：水体沿流程一部分与固体壁面接触，另一 部分与空气接触，具有自由液面。非满管流动，又 称明渠流。
根据水力等效的原则：
k qnl dm
k q1nl d1m
k q2 nl d2m
kqN nl dNmn 经变换：d Nhomakorabea
N
m m din
i1
人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。
例3 已知钢筋混凝土排水管n=0.013，设计流 量q=100L/s，充满度h/D=0.65，最大水力坡度 为I=7%，求最小管径D。
第三章 给水排水管道系统水力计算基解读
v C Ri
1 C R6 n
1
l v
20
3．2．3 局部水头损失计算
v hm 2g
式中 hm——局部水头损失，m；
2
ξ ——局部阻力系数P50 表3-4。
给水排水管网中局部水头损失一般不超过沿 程水头损失的5%，常忽略局部水头损失的影响， 不会造成大的计算误差。
3.2.1沿程水头损失计算
4.巴甫洛夫斯基公式
适用：明渠流、非满流管道
Ry C＝ nB 式中 y 2.5 nB 0.13 0.75 R ( nB 0.10) nB 粗糙系数， P49表3 3
15
将上述公式带入谢才公式
v h f 2 l (m) C R
2
nB v h f 2 y 1 l R
3.1.4均匀流与非均匀流
均匀流：水体在运动过程中，其各点的流速与方向沿流程 不变的流动称为均匀流
非均匀流：水体在运动过程中，其各点的流速与方向沿流 程变化的流动称为非均匀流
6
第 3章
3.1基本概念
给水排水管网水力学基础
3.1.5水流的水头与水头损失
水头：指的是单位质量的流体所具有的能量除以重力加速 度，一般用h或H表示，常用单位为米（m）
K称为流量模数
Q Av AC Ri Ki
上述公式中谢才系数C如采用曼宁公式计算，则可写成
1 3 2 v R i n
2 1
1 3 2 Q Av A R i n
2 1
23
第 3章
给水排水管网水力学基础
3.5管道的水力等效简化
水力等效简化原则：简化后，等效的管网对象与原来的实际对象 具有相同的水力 特性。 1.串联
给水排水管网水力学基础教学课件
02 水力学基础理论
流体性 质
理解流体性质是水力学研究的基础， 包括液体的物理性质和流动特性。
VS
流体是气体、液体和固体的总称，它 们具有不同的物理性质和流动特性。 在给水排水管网中，主要涉及液体（ 水）的流动，因此需要了解液体的物 理性质，如密度、粘度、压缩性和热 传导性等。此外，还需要了解液体的 流动特性，如牛顿流体和非牛顿流体 的行为。
流体动力学主要研究液体在运动状态下的规律和能量转换。在给水排水管网中， 流体动力学可用于分析管道内水流的速度、流量和流向等。通过掌握流体动力学 的基本原理，可以更好地理解给水排水管网中的水流现象和能量转换。
流动阻力与水头损失
流动阻力与水头损失是给水排水管网中常见的水力学问题，涉及到水流在管道中的能量损失。
流量监测与控制
预警与应急响应
实时监测管网中水流状况，根据需求 进行流量调节，确保供水稳定和排水 通畅。
建立预警系统，及时发现管网故障和 异常情况，迅速启动应急预案，降低 事故影响。
水质监测与保护
定期检测管网中水质指标，采取相应 措施保障供水水质安全，同时防止水 体污染。
给水排水管网维护与保养
定期检查与维修
水头损失计算
沿程水头损失 由于流体在管道中流动时克服摩擦阻 力所损失的能量。
局部水头损失
由于管道中的局部障碍物（如阀门、 弯头等）对流体产生的能量损失。
Hale Waihona Puke 恒定流能量方程适用于恒定流，表示上游水头与下游 水头、沿程水头损失和局部水头损失 之间的关系。
动能方程
适用于非恒定流，表示任意两断面的 动量和能量之间的关系。
输配水管网
排水管网
负责将处理后的水输送到用户， 包括干管、支管和接户管等。
第3章-给水排水管网水力学基础
13.16gD0.13 λ＝ 1.852 0.148 Cw q 式中 q－流量，m3 / s Cw－海曾－威廉粗糙系数
hf＝ l 1.852 4.87 Cw D
3．柯尔勃洛克－怀特公式 ．柯尔勃洛克－
适用：各种紊流， 适用：各种紊流，是适应性和计算精度最高的公式
10.67q
1.852
C e C＝－ .71lg 17 + 14.8R 3.53 Re 2.51 e 或 = −2 lg + λ 3.7D Re λ 1
管渠沿程水头损失用谢才公式 v = C Ri
i=
v2 C2R
h f = il =
v2 C 2R
l
(m)
圆管满流，沿程水头损失也可以用达西公式表示： 圆管满流，沿程水头损失也可以用达西公式表示：
l v2 hf = λ D 2g 式中 λ－沿程阻力系数，λ＝ C2 8g
(m)
C、λ与水流流态有关，一般采用经 与水流流态有关， 验公式或半经验公式计算。常用： 验公式或半经验公式计算。常用：
1 2 Ao = πD 4
D Ro = 4
1 2 qo = Ao Ro / 3 I 1/ 2 nM
1 2 / 3 1/ 2 vo = Ro I nM
h h h 2(1 − 2 ) (1 − ) R D D D ＝− 1 ＝f1 (h ) D h Ro −1 cos (1 − 2 ) D A 1 h 2 h h h −1 ＝ cos (1 − 2 ) − (1 − 2 ) (1 − )＝f 2 (h ) D Ao π D π D D D q A R ( = qo Ao Ro
0.00107v 2 l D1.3 hf = 0.000912v 2 0.867 0.3 1 + l 1.3 v D
给水排水管道系统水力计算
第三章给水排水管道系统水力计算基础本章内容：1、水头损失计算2、无压圆管的水力计算3、水力等效简化本章难点：无压圆管的水力计算第一节基本概念一、管道内水流特征进行水力计算前首先要进行流态的判别。
判别流态的标准采用临界雷诺数Re k，临界雷诺数大都稳定在2000左右，当计算出的雷诺数Re小于2000时，一般为层流，当Re大于4000时，一般为紊流，当Re介于2000到4000之间时，水流状态不稳定，属于过渡流态。
对给水排水管道进行水力计算时，管道内流体流态均按紊流考虑紊流流态又分为三个阻力特征区：紊流光滑区、紊流过渡区及紊流粗糙管区。
二、有压流与无压流水体沿流程整个周界与固体壁面接触，而无自由液面，这种流动称为有压流或压力流。
水体沿流程一部分周界与固体壁面接触，另一部分与空气接触，具有自由液面，这种流动称为无压流或重力流给水管道基本上采用有压流输水方式，而排水管道大都采用无压流输水方式。
从水流断面形式看，在给水排水管道中采用圆管最多三、恒定流与非恒定流给水排水管道中水流的运动，由于用水量和排水量的经常性变化，均处于非恒定流状态，但是，非恒定流的水力计算特别复杂，在设计时，一般也只能按恒定流(又称稳定流)计算。
四、均匀流与非均匀流液体质点流速的大小和方向沿流程不变的流动，称为均匀流；反之，液体质点流速的大小和方向沿流程变化的流动，称为非均匀流。
从总体上看，给水排水管道中的水流不但多为非恒定流，且常为非均匀流，即水流参数往往随时间和空间变化。
对于满管流动，如果管道截面在一段距离内不变且不发生转弯，则管内流动为均匀流；而当管道在局部有交汇、转弯与变截面时，管内流动为非均匀流。
均匀流的管道对水流的阻力沿程不变，水流的水头损失可以采用沿程水头损失公式进行计算；满管流的非均匀流动距离一般较短，采用局部水头损失公式进行计算。
对于非满管流或明渠流，只要长距离截面不变，也没有转弯或交汇时，也可以近似为均匀流，按沿程水头损失公式进行水力计算，对于短距离或特殊情况下的非均匀流动则运用水力学理论按缓流或急流计算。
第三章-给水排水管网水力学基础
或
1
2lg
(e 3.7D
4.462 Re 0.875
)
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。
C Ry nB
式中y 2.5 nB 0.13 0.75 R ( nB 0.1) nB 巴甫洛夫斯基公式粗糙系数
谢才系数或沿程阻力系数的确定
3.2.1 沿程水头损失计算
谢才公式
hf
v2 C2R
l
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。
沿程水头损失计算
对于圆管满流，达西公式：
hf
l
D
v2 2g
D——管段直径，m； g ——重力加速度，m/s 2； λ——沿程阻力系数， λ=8g/C2
▪ 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。
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
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。
流量
(2)比例变换法
▪ 假设有一条满流管渠与待计算的非满流管渠具有相 同 力的半管径径 为DR和0，水通力过坡流度量I为，q其o，过流水速断为面v面o，积可为以A证0，明水：
截止阀
3~5.5 三通转弯
1.5
全开蝶阀
0.24
三流直流
0.1
水头损失公式的指数形式
第3章-给水排水管网水力学基础
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 管渠流量公式：
A q Av R I n
2 3
1 2 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:
l v hf D 2g
式中 D──管段直径（m）；g──重力加速度（m/s2）； 8 g。 λ──沿程阻力系数， 2 C
2
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； ζ──局部阻力系数，见表3.5。 局部阻力系数ζ 表3.5
第 3章 给水排水管网水力学基础
3.1
3.1.1
给水排水管网水流特征
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：
Re
VD
式中，V－管内平均流速（m/s）；D－管径(m)；ν－水的运动粘性系数，当水温为 10oC时，ν＝1.308 x 10-6m2/s，当水温为30oC时，ν＝0.804 x 10-6m2/s，当水温为 50oC时，ν＝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0.5~1.5m/s之间，管径多在0.1~1.0m之间，水温一般 在5~25℃之间，水的动力粘滞系数在1.52~ 0.89×10-6m2/s之间，水流雷诺数约在 33000～1680000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0.6~1.5m/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1.75~2.0次方成正比。
给水排水管网系统（第三版）答案
给水排水管网系统（第三版）答案给水排水管网系统第一章给水排水管网系统概论1、给排水系统功能有哪些？请分类说明。
①水量保障向指定用水点及时可靠提供满足用户需求的用水量，将排出的废水与雨收集输送到指定地点；②水质保障向指定用水点提供符合质量要求的水及按有关水质标准将废水排入受纳水体；③水压保障为用户提供符合标准的用水压力，同时使排水系统具有足够的高程和压力，顺利排水；2、给水的用途有哪几类？分別列举各类用水实例。
有生活用水、工业生产用水和市政消防用水。
生活用水有：居民生活用水（如家里的饮用、洗涤用水）、公共设施用水（如学校、医院用水）、工业企业生活用水（如企业区工人饮用、洗涤用水）；工业生产用水有：产品用水（如制作酸奶饮料的用水）、工艺用水（如水作为溶剂）、辅助用水（如冷却锅炉用水）；市政消防用水有道路清洗、绿化浇灌、公共清洁卫生和消防用水。
3、废水有哪些类型？分别列举各类用水实例。
按所接纳废水的来源分：生活污水、工业废水和雨水。
生活污水：居民生活所造成的废水和工业企业中的生活污水，如洗菜水、冲厕产生的水；工业废水：如乳制废水；雨水：如下雪、下雨产生的水。
4、给水排水系统由哪些子系统组成？各子系统包含哪些设施。
①原水取水系统包括：水源地、取水设施、提升设备和输水管渠等；②给水处理系统包括：各种采用物理化学生物等方法的水质处理设备和构筑物；③给水官网系统包括：输水管渠、配水管网、水压调节设施及水量调节设施等；④排水管网系统包括：污废水收集与输送管渠、水量调节池、提升泵等；⑤废水处理系统包括：各种采用物理化学、生物等方法的水质净化设备和构筑物；⑥排放和重复利用系统包括：废水收纳体和最终处置设施如排放口等。
5、给水排水系统各部分流量是否相同？若不同，是如何调节的？因为用水量和排水量是随时间变化的，所以各子系统一时间内流量不相同，一般是由一些构筑物或设施来调节，比如清水池调节给水处理流量与管网中的用水量之差，调节池和均合池用于调节排水官网流量和排水处理流量之差。
3给水排水管网水力学基础
第3章 给水排水管网水力学基础 (2h)3.1 给水管网水流特征流态分析：<2000 层流雷诺数νVD=Re =2000~4000 过渡流水力光滑区eD80~4000 h f ∝V 1.75 >4000 紊流 过渡区85.0)2(4160~80eDe D hf ∝V 1.75~2阻力平方区 85.0)2(4160eD> h f ∝V 2紊流过渡区=过渡粗糙区 阻力平方区=紊流粗糙区恒定流与非恒定流：水力因素(水流参数)随时间变化 均匀流与非均匀流： 水力因素(水流参数)随空间变化 压力流与重力流：水流的水头：单位重量流体具有的机械能h / H (位置水头 位能Z)(压力水头 压能P/γ) (流速水头 动能V 2/2g)水头损失：流体克服流动阻力所消耗的机械能 (沿程阻力)(局部阻力)3.2 管渠水头损失计算沿程水头损失(frictional head loss)：谢才(Chezy)公式 l RC v h f 22= (通用，R 水力半径=断面/湿周，C 谢才系数)达西-韦伯(Darcy-Weisbach)公式 gv D l h f 22λ= (适用于圆管满流，λ沿程阻力系数， )28Cg=λC 和λ的计算 ①科尔勃洛克-怀特公式：)Re53.38.14lg(7.17CR e C +-= )Re 51.27.3lg(21λλ+-=D e 简化 )Re 462.48.14lg(7.17875.0+-=R e C )Re462.47.3lg(21875.0+-=D e λ②海曾-威廉(Hazen-Williams)公式：148.0852.113.016.13qC gD W=λlDC q h Wf 87.4852.1852.167.10=(v=0.9m/s 时)注：81.000)(vvC C W W = （v 0=0.9m/s ） ③曼宁(Manning)公式：6/11R nC =(n 曼宁粗糙系数) lR v n h f 3/422=l D q n 333.52229.10=3/22/13/22/12/123/41)()(R i nn R lh ln R h v f f === ④巴普洛夫斯基公式：yR nC 1=(n 曼宁粗糙系数) 式中)10.0(75.013.05.2---=n R n y局部水头损失(local head loss )：gv h m 22ζ= (ζ局部阻力系数)水头损失公式指数形式：n f n m nf q s l aq l Dkq h === (a 比阻，s f 磨阻系数)n m m q s D g q g v h ===422282πζζ (s m 局部磨阻系数) 总：n m f m f g q s s h h h )(+=+= (s g 管道磨阻系数)3.3 非满流管渠水力计算满流：曼宁公式6/11R n C =，谢才公式l RC v h f 22=lR v n h f 3/422=，满流时l Dq n 333.52229.10= 2/13/23/22/12/123/41)()(I R nn R lh ln R h v f f === 2/13/2I R nA Av q == 非满流：充满度 y/D ，管中心到水面线夹角θ2/)2cos 1(/θ-=D y)21(cos 21Dy-=-θ)sin (82θθ-=D A)sin 1(4θθ-=D R则θθsin 10-=R R ，R 为非满流时水力半径，R 0为漫流时水力半径； πθθ2sin 0-=A A ，A 为非满流时过水断面，A 0为满流时过水断面； 323200)sin 1()(θθ-==R R v v ，v 为非满流时流速，v 0为满流时流速； 3235320002)sin ()(πθθθ-==R R A A q q ，q 为非满流时流量，q 0为满流时流量； （y/D=0.94时，q/q 0=1.08最大；y/D=0.81时，v/v 0=1.14最大）l D q n h f 333.520229.10=31620229.10D q n I l h f == nD I q 29.1038210= 2/32/13/83/516.20)sin (⎥⎦⎤⎢⎣⎡∙-=nq I D θθθ，23/83/53/2)sin (16.20⎥⎦⎤⎢⎣⎡-∙=D nq I θθθ例题：某污水管道设计流量q=100L/s ，采用水力坡度I=0.007，拟采用D=400mm 钢筋混凝土管，粗糙系数n=0.014，求充满度y/D 和流速v 。
第三章 排水管网水力学基础3
3
2
【例3.1】已知Q、D、I，求管道h/D、v 【解】1、初设θ值，代入公式，迭代计算，直到计算θ值与代 入θ值相近；
h 1 2 1 cos 代入θ值求得h/D； 2、D sin 4 2 2
D sin R 1 代入θ值求得R； 3、 4
积、水力半径、流速、流量； A0、R0、 υ0 、Q0分别为满流时的进水面 积、水力半径、流速、流量。
D2 sin A 8
D sin R 1 4
θ(弧度)
h
D
D 湿周 2
h 1 sin 2 1 cos D 4 2 2
1 2
3 1 C 5 sin 2 2 Q AC RI D I 16
R sin h fv 1 R0 D
1 3 2 2 2 R I 3 v R h sin 3 n f v 1 1 2 v0 1 R0 D 2 R0 3 I n
P89 【例】已知n=0.013、地面坡度i=0.004、雨水Q=200l/s
（雨水 h/D =1）。求D、v和I。
2
2
D sin R 1 代入θ值求得R； 3、 4
1 4、v R I n
2 3
1 2
代入R值求得v。
由此可见，通过公式靠数学演算（迭代）而计算出其 他值是非常复杂、困难的，同时工程实例也证实有些计算 没必要那么精确。为了简化计算流程，绘制出了水力计算 图表。
1 3 2 1 3 v R I R D，h / DI 2 n n
1 1 3 2 Q AR I AD，h / DR 3 D，h / DI 2 n n
给水排水管道系统 第三章 给水排水管网水力学基础
第三章给水排水管网水力学基础3.1 给排水管网水流特征3.1.1 液态特征三种流态：层流、紊流及介于两者之间的过渡流三种流态。
紊流流态又分为三个阻力特征区：阻力平方区、过渡区及水力光滑区。
3.1.2 恒定流与非恒定流非恒定流的水力计算特别复杂时，在设计时，一般也只能按恒定流计算。
3.1.3 均匀流与非均匀流定义：水流参数往往随时间和空间变化叫非均匀流3.1.4 压力流与重力流1．压力流：hf∝n、l、v；与H、I无关（压能克服水流阻力）2．重力流：靠水的位能克服给水管网基本上采用压力流输水方式，而排水管网多采用重力流输水方式。
3.1.5水流的水头与水头损失水头损失：流体克服流动阻力所消耗的机械能。
水头分为位置水头、压力水头和流速水头三种形式。
3.2 管渠水头损失计算3.2.1沿程水头损失计算管渠沿程水头损失通常用谢才公式；圆管满流，沿程水头损失也可以用达西公式；目前国内外使用较广泛的公式如下：1．舍维列夫公式适用：旧铸铁管和旧钢管满管紊流，水温100C0（给水管道计算）2．海曾－威廉公式适用：较光滑圆管满流紊流（给水管道）3．柯尔勃洛克－怀特公式适用：各种紊流，是适应性和计算精度最高的公式4. 巴甫洛夫斯基公式适用：明渠流、非满流排水管道5．曼宁公式曼宁公式是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。
3.2.2沿程水头损失计算公式的比较与选用⑴巴甫洛夫斯基公式适用范围广，计算精度也较高，特别是对于较粗糙的管道，管道水流状态仍保持较准确的计算结果，最佳适用范围为1.0≤e≤5.0mm；⑵曼宁公式亦适用于较粗糙的管道，最佳适用范围为0.5≤e≤4.0mm；≥⑶海曾－威廉公式则适用于较光滑的管道，特别是当e≤0.25mm（CW 130）时，该公式较其它公式有较高的计算精度；⑷舍维列夫公式在1.0≤e≤1.5mm之间给出了令人满意的结果，对旧金属管道较适用，但对管壁光滑或特别粗糙的管道是不适用的。
第3章管网水力学
第3章 管网水力学
3.3 管道的水力等效简化
水力等效简化原则：等效后管网与原系统具有相 同的水力特性。
第3章 管网水力学
3.3 管道的水力等效简化
3.3.1 串联和并联管道的简化
串联管道的简化
L
l1
l2
lN
d1
d2
dN
串联管道
l d [ N
hp he spqpn
当不计管路水头损失时，则有如下流量与扬程对应关 系，见下表
第3章 管网水力学
3.4 水泵和泵站
3.4.2 水泵和泵站特性曲线
单台q 单台he 单台sp 单台hp N台q N台he N台sp N台hp
q
he
sp
hp
Nq
he
？？ hp？
得同型号水泵并联水力特性公式
hp he sp/ (Nqp )n he spqpn
2. hf 1051.852* 0.74.87 *800 2.25m 3.ξ=0.9*2+0.1*6+0.19*2=2.78
1.2482 4. hm 2.78* 2*9.8 0.22m
5.0.22/2.25=0.10=10%.
第3章 管网水力学
3.2 管渠水头损失计算
3.2.3 非满管流水力计算
]1/ m
li
dm
i1
i
当串联管段管径相同时呢？
第3章 管网水力学
3.3 管道的水力等效简化
3.3.1 串联和并联管道的简化
并联管道的简化
d1
q1
d2
q2
dN
qN
d
q
并联管道
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3.2.2 沿程水头损失计算公式的比较与选用
巴甫洛夫斯基公式适用范围广，计算精度也较高，特别 是对于较粗糙的管道，管道水流状态仍保持较准确的计 算结果，最佳适用范围为1.0≤e≤5.0mm；
曼宁公式亦适用于较粗糙的管道，最佳适用范围为 0.5≤e≤4.0mm；
对于圆管满流R=0.25D（D为直径）。
圆管满流，沿程水头损失也可以用 达西公式：
适用：塑料管、 内衬与内涂塑料的钢管。
C、λ与水流流态有关，一般采用经验公式或半 经验公式计算。常用：
1．舍维列夫公式
适用：旧铸铁管和旧钢管满管紊流，水温10℃（给水管道计算）
2．海曾－威廉公式
适用：较光滑圆管满流紊流（给水管道）
用于：输配水管道、 配水管网水力平差计算。
3．柯尔勃洛克－怀特公式
适用：各种紊流，是适应性和计算精度最高的公式。
4. 巴甫洛夫斯基公式
适用：混凝土管(渠)、 已作水泥砂浆内衬的金属管道。明渠流
、非满流排水管道。
5．曼宁公式
曼宁公式是巴甫洛夫斯基公式中y=1/6时的特例， 适用：明渠或较粗糙的管道计算。
式中 Sm——局部阻力系数 ；
3．沿程水头损失与。局部水头损失之和：
式中 Sg——管道阻力系数；
3.3 非满流管渠水力计算
水力计算目的：确定
3.3.1 非满流管渠水力计算公式
1．非满流管渠水力计算公式
常用的均匀流基本公式有：
式中 Q —— 流量（m3/s）； ω —— 过水断面面积（m2） v —— 流速（m/s）； R —— 水力半径（ｍ）；
其过水断面面积为A0，水力半径为R0，通过流量为 qo，流速为vo:
证明：A/ A0 、R/ R0 、q/ qo 、v/ vo只和充满度(h/D)有关。
见图3.3， 表3.7
例3.1已知某污水管道设计流量为q=100L/s，根据地形条件 可以采用水力坡度为I=7‰，初拟采用管径D=400mm的 钢筋混凝土管，粗糙系数n=0.014，求充满度h/D和流速v 。
3.4.1 串联或并联管道的简化
1．串联
ll1l2来自lNd1 d2
dN
2．并联 当并联管道直径相同时
3.4.2 沿线均匀出流的简化
管网计算不包括全部管线，只计算经过简化后的干管网。
泵站 1
2
34
ⅠⅡ
0
节点 1、2、3、4、5、6、7、8 管段1-2、2-3、…… 管线1-2-3-4-7-8 基环Ⅰ(2-3-6-5-2)Ⅱ(3-4-7-6-3) 大环2-3-4-7-6-5-2 虚环1-0-8-7-4-3-2-1
第3章-给水排水管网水 力学基础
2020年7月23日星期四
3.1 给水排水管网水流特征
3.1.1 流态特征
3.1.2 恒定流与非恒定流
水量变化－非恒定流（复杂）－按恒定流计算
3.1.3 均匀流与非均匀流
水流参数往往随时间和空间变化－非均匀流
3．1．4 压力流与重力流
1．压力流：hf∝e、l、v；与H、I无关（压能克服 水流阻力）
海曾－威廉公式则适用于较光滑的管道，特别是当 e≤0.25mm（CW≥130）时，该公式较其它公式有 较高的计算精度；
舍维列夫公式在1.0≤e≤1.5mm之间给出了令人满意 的结果，对旧金属管道较适用，但对管壁光滑或特别粗 糙的管道是不适用的。
3.2.3 局部水头损失计算
式中 hm——局部水头损失，m； ξ——局部阻力系数。见表3.5
I —— 水力坡度（即水面坡度，等于管底坡度）。 n —— 管壁粗糙系数（见P53表3.4）。
管渠类别
石棉水泥管、钢 管
木槽
陶土管、铸铁管
混凝土管、钢筋 混凝土管
水泥砂浆抹面渠 道
排水管渠粗糙系数表
粗糙系数 n
管渠类别
0.012
0.012～ 0.014
0.013
浆砌砖渠道 浆砌块石渠道 干砌块石渠道
2．重力流：靠水的位能克服
3．1．5 水流的水头与水头损失
水头是指单位重量的流体所具有的机械能。 H＝Z＋P/γ＋v2/2g ＋ h
水头损失：流体克服流动阻力所消耗的机械能
3．2 管渠水头损失计算
3．2．1 沿程水头损失计算
管渠沿程水头损失：
谢才公式：
（m）
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，即断面面积除以湿周，m，
解: 用粗糙度系数、管径和水力坡度带入下式计算：
反查表3.7的充满度h/D=56.9%，相应A/AO=0.587 ，
由下式计算：
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； 泵站多台水泵并联工作可以等效为单台水泵。
借助于满流水力计算公式并通过一定的比例变换进行计算。
详见《给水排水设计手册.第01册.常用资料》P766-803 非满流n=0.014，DN150-3000mm
水力计算图
充满度 流速
流量
精
度
低
，
通
坡 度
用
性
差
。
2. 比例变换法
假设有一条满流管渠与待计算的非满流管渠具有相 同的管径D和水力坡度I，
数 n＝0.014。每张图适用于一个指定的管径。图上的纵坐 标表示坡度 I，即是设计管道的管底坡度，横坐标表示流量 Q，图中的曲线分别表示流量、坡度、流速和充满度间的关 系。当选定管材与管径后，在流量 Q、坡度 I、流速 v、充 满度 h/D四个因素中，只要已知其中任意两个，就可由图查
出另外两个。 2. 比例变换法
给水排水管网中局部水头损失一般不超过沿程 水头损失的5%，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
有利于管网理论分析，便于计算机程序设计。 1．沿程水头损失公式的指数形式为：
式中:k、n、m——指数公式参数； a——比阻，即单位管长的摩阻系数，
2．局部水头损失公式的指数形式为：
0.013～ 0.014
土明渠 包括（带草皮）
粗糙系数 n
0.015
0.017 0.020～
0.025
0.025～ 0.030
？
？
？
――非满流管渠水力计算基本公式
v、q、D、h/D、I五个变量，已知三个，求另两个。 水力计算很复杂。
3.3.2 非满流管渠水力计算方法（简化）
1．常采用水力计算图进行计算 水力计算图适用于混凝土及钢筋混凝土管道，其粗糙系