第三章给水排水管网水力学基础

1、串联管道的简化
l
l1 d1 l2 d2 lN dN
1 m
根Βιβλιοθήκη Baidu水力等效的原则：
l kqnl N kqnli m 经变换有：d N m li d i 1 d i m d i 1 i
2、并联管道的简化
q
d1 q1 d2 q2 dN qN 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。
充满度h/D 流速v
R0
1）先由下式计算q/q0，反查表3.7的充满度h/D； q q D 2 D
q0 A0 4 4

q 4 nM q 3.208nM q 2.667 0.5 8 1 q0 3 2 D I D I
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。
测压管水头
水头损失：流体克服流动阻力所消耗的机械能。
水头损失分为
沿程水头损失 局部水头损失
（1）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。
e C C 17.71lg( ) 14.8 R 3.53Re 1 e 2.51 或 2lg( ) 3.7D Re
恒定流与非恒定流
恒定流：水体在运动过程中，其各点的流速和压力 不随时间而变化，而与空间位置有关的流动。
非恒定流：水体各点的流速和压力不仅与空间位置 有关，还随时间而变化的流动。
在设计时一般只能按恒定流计算。
均匀流与非均匀流
均匀流：液体质点流速的大小和方向沿流程不变。 非均匀流：液体质点流速的大小和方向沿流程变 化，水流参数随时间和空间变化。
（4）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。
代入谢才公式
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
1）柯尔勃洛克-怀特公式适用范围广，精度高，计 算繁琐，需用计算机计算。 2）巴甫洛夫斯基公式适用范围广，精度高，特别适 用于较粗糙的管道和较大范围流态，1.0≤e≤5.0mm； 计算繁琐，需用计算机计算。 3）曼宁公式特别适用于较粗糙的非满管流和明渠均 匀流，0.5≤e≤4.0mm； 4）海曾－威廉公式特别适用于较光滑的管道，即给 水管网。
q A 4q 1.273q v2 v A0 D D 2 ( A / A0 ) D 2 ( A / A0 ) 4
例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nM=0.014，求其充 满度h/D和流速v。
例2 已知D=400mm,充满度h/D=0.57,i<0.007, 求i。
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。
3.4
管道的水力等效简化
采用水力等效原理，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，等效为集中出流或入流； 泵站多台水泵并联工作可以等效为单台水泵。
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。
第三章 给水排水管网水力学基础
3.1 给水排水管网水流特征
流态特征
Re 2000 层流： 1.流态过渡流 : 2000 Re 4000 Re 4000 （给排水管网一般按紊 流考虑） 紊流：
2 阻力平方区（粗糙管区 ） h v（管径 D较大或管壁较粗糙） .0 2.紊流过渡区 h v1.75～2（管径 D较小或管壁较光滑） 水力光滑区 h v1.75
沿程水头损失计算公式的指数形式：
k , n, m 指数公式参数 kl s f 摩阻系数, s f m D
沿程水头损失指数公式参数
参数 K
海曾威廉公式 10.67/Cw1.852
曼宁公式 10.29nM2
n m
1.852 4.87
2.0 5.333
局部水头损失公式的指数形式：
s m 局部阻力系数
e ——管壁当量粗糙度，m。
简 化 为 直 接 计 算 式
（2）海曾-威廉公式
适用:较光滑的圆管满流管紊流（给水管道）
代入达西公式
q——流量，m3/s； Cw——海曾-威廉粗糙系数。
（3）巴甫洛夫斯基公式
适用于明渠流和非满流排水管道计算。
代入谢才公式
式中y 2.5 n B 0.13 0.75 R ( n B 0.1) n B 巴甫洛夫斯基公式粗 糙系数
3.2.3 局部水头损失计算
hm — 局部水头损失， m；
— 局部阻力系数。
局部阻力系数ξ 局部阻力设施 ξ 局部阻力设施 ξ
全开闸阀
50%开启闸阀 截止阀
0.19
2.06 3~5.5
90。弯头
45。弯头 三通转弯
0.9
0.4 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
满管流动 1）如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。 非满管流或明渠流 只要长距离截面不变，可以近似为均匀流，按沿程水头损 失公式计算。
压力流与重力流
例1 已知n=0.014,D=300mm,I=0.004,Q=30L/s,求v和h/D
充满度
精 度 低
坡 度
流速
通 用 性 差
流量
例1 已知n=0.014,D=300mm,I=0.004,Q=30L/s,求v和h/D
已知
求 流量q 管径D 水力坡度I
1 A0 R 0 I nM
2 3 5 3 1 2
根据水力等效的原则：
kq nl kq1 l kq2 l kqN l m m m m d d1 d2 dN N m n 经变换：d d i i 1
n m
n
n
n
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。
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 水头分为 压力水头P/r 流速水头v2/2g
沿程水头损失与局部水头损失之和：
sm s f
式中 Sg——管道阻力系数；s g
非满流管渠水力计算简化法一 方法：
水力计算图表
首先根据已知资料，计算出流量Q，根据Q值可初步确定 管径D；然后，根据Q、D值，求I、h/D、v值。在这三个未知 数中，还需知道一个参数，才能求得另外两个，此时可以在 三个参数中先假设一个值，比如流速为最小流速，或是坡度 为最小坡度，或是充满度满足一定要求等，之后进行查表或 查图，就可得出其余两个未知数；最后要进行校核，若得出 的两个参数满足其规定的要求，则计算完成，若不满足要求 ，则需调整假设值，甚至管径D，重新进行计算。 水力计算图适用于混凝土及钢筋混凝土管道，其粗糙系 数 n＝0.014。每张图适用于一个指定的管径。我国《室外排 水设计规范》和《给水排水设计手册》推荐此法。