第三章给水排水管网水力学基础
给水排水管道系统水力计算汇总
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。
给水排水管网系统第三版答案(供参考)
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靠得住提供知足用户需求的用水量，将排出的废水与雨搜集输送到指定地址；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？别离列举各类用水实例。
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？各子系统包括哪些设施。
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给水处置系统包括：各类采用物理化学生物等方式的水质处置设备和构筑物；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：污废水搜集与输送管渠、水量调节池、提升泵等；⑤废水处置系统包括：各类采用物理化学、生物等方式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、给水排水系统各部份流量是不是相同？若不同，是如何调节的？因为用水量和排水量是随时间转变的，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置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置流量之差。
(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
第3章-给水排水管网水力学基础
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
l
l
x
ql
沿程水头损失：
h f
l
k (qt
l
l
x
2y) D
或
y / D (1 cos ) / 2
2
式中，θ的单位为弧度。
过水断面面积、湿周 和水力半径依次为，
A D2 ( sin ) ，
8
D 和
2
R A D ( sin ) 4
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
A0 D2 / 4 ， R0 D / 4 ，
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。
hf
l v2
D 2g
式中 D──管段直径（m）；g──重力加速度（m/s2）； λ──沿程阻力系数， 8g。 C2
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 ：
局部阻力系数ζ
式中，hm ──局部水头损失，m； ζ──局部阻力系数，见表3.5。
第三章 给水排水管网水力学基础
3.1 给水排水管网水力学基础
流态特征
水的三种流态： 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 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： 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 水头损失和流速1.75~2次方成正比 过渡区 水头损失和流速 次方成正比 水头损失和流速1.75次方成正比 水力光滑管区 水头损失和流速 次方成正比
5 3
2）根据充满度h/D，查表 得A/A0，然后用下式计算流速 。 ）根据充满度 然后用下式计算流速v。 ，查表3.7得
q A 4q 1.273q v ⇒v= = = 2 2 2 A0 πD πD ( A / A0 ) D ( A / A0 ) 4
已知某污水管道设计流量为q=100L/s，根据地 例3.1已知某污水管道设计流量为 已知某污水管道设计流量为 ， 形条件可以采用水力坡度为I=7%，初拟采用管径 形条件可以采用水力坡度为 ， D=400mm的钢筋混凝土管，粗糙系数 的钢筋混凝土管， 的钢筋混凝土管 粗糙系数nM=0.014，求 ， 其充满度h/D和流速 。 和流速v。 其充满度 和流速 用粗糙度系数、管径和水力坡度带入式3.32计算： 计算： 解 用粗糙度系数、管径和水力坡度带入式 计算
沿程水头损失计算公式的指数形式： 沿程水头损失计算公式的指数形式：
kq n h f = m l ⋯或h f = s f q n D k , n, m − 指数公式参数 kl s f 摩阻系数, s f = m D
参数 K n m 海曾威廉公式 曼宁公式 10.67/Cw1.852 10.29nM2 1.852 4.87 2.0 5.333 舍维列夫公式 0.001798 1.911 5.123
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。
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。
给水排水管道工程第3章 给水排水管网水力学基础
6R
nM
式中 n M －曼宁粗糙系数，与巴甫洛夫斯基公式n B 相同。
hf = nMv2
2
R1.333
l或h f =
10.29n M q 2
2
D 5.333
l
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； 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。
0.00107v 2 v 1.2 m / s l D1.3 hf = 0.000912v 2 (1 + 0.867 ) 0.3l v < 1.2 m / s D 1.3 v
海曾-威廉（Hazen-Williams）公式
=
13.16 gD 0.13
C w1.852 q 0.148
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：
v2 hf = 2 l C R
（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， 对于圆管满流R=0.25D（D为直径）。
圆管满流－达西公式：
2．海曾－威廉公式
适用：较光滑圆管满流紊流（给水管道）
v 1.2m/s
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。
第三章第3章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3.1 基本概念3.2 管渠水头损失计算3.3 非满流管渠水力计算3.4 管道的水力等效简化3.1基本概念3.1.1管道内水流特征Re=ρvd/μ3.1基本概念3.1.2有压流与无压流有压流：水体沿流程整个周界与固体壁面接触，而无自由液面（压力流、管流）无压流：水体沿流程一部分周界与固体壁面接触，其余与空气接触，具有自由液面（重力流、明渠流）3.1基本概念3.1.3恒定流与非恒定流恒定流：水体在运动过程中，其各点的流速与压力不随时间而变化，而与空间位置有关的流动称为恒定流非恒定流：水体在运动过程中，其流速与压力不与空间位置有关，还随时间的而变化的流动称为非恒定流3.1基本概念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3.1基本概念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）3.1基本概念3.1.5水流的水头与水头损失水头损失：流体克服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的沿程水头损失常用谢才公式计算对于圆管满流，沿程水头损失可用达西公式计算R 为过水断面的里半径，及过水断面面积除以湿周，圆管满流时R=0.25D流体在非圆形直管内流动时，其阻力损失也可按照上述公式计算，但应将D 以当量直径de 来代替 3.2管渠水头损失计算3.2.1沿程水头损失计算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。
1.舍维列夫公式适用：旧铸铁管和旧钢管满管湍流，水温10C0（压力管道）将上述公式带入达西公式2.海曾－威廉公式适用：较光滑圆管满流（压力管道）将上述公式带入达西公式3.柯尔勃洛克-怀特公式适用：各种湍流（压力管道）4.巴甫洛夫斯基公式适用：明渠流、非满流管道将上述公式带入谢才公式5.曼宁公式适用：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将上述公式带入谢才公式3.2管渠水头损失计算3.2.1沿程水头损失计算3.2管渠水头损失计算3.2.1沿程水头损失计算✓给水排水管道计算时水流流态均按照湍流考虑✓给水排水管道用得最多的是圆管✓给水排水管道计算一般按照恒定流考虑✓如果管道截面在一定距离内不变且没有转弯和交汇，则管内流动按照均匀流考虑，水头损失按照沿程水头损失公式计算（谢才公式、达西公式）；非均匀流（即管截面发生变化、转弯、汇合)采用局部水头公式计算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P50 表3-4。
给水排水管道系统思考题
给⽔排⽔管道系统思考题给⽔排⽔管道⼯程第1章给⽔管⽹系统概论１.给⽔排⽔系统、给⽔系统、排⽔系统、给⽔排⽔管⽹系统的概念？２.给⽔排⽔系统的主要功能、组成（⼦系统）？３.给⽔排⽔管⽹系统的功能与特点是什么？４.给⽔管⽹、排⽔管⽹系统的构成？５.给⽔排⽔系统的⽔量、⽔质、⽔压间的关系怎样？６.给⽔管⽹系统的类型？７.排⽔体制概念？排⽔体制的类型、选择？第2章给⽔排⽔管⽹⼯程规划１.给⽔排⽔⼯程规划的内容？２.给⽔排⽔⼯程规划的原则？３.城市⽤⽔量包括的内容？最⾼⽇⽤⽔量包括的内容？４.⽤⽔量的表⽰⽅法？５.⽤⽔量变化系数（⽇变化系数、时变化系数）含义、取值？６.城市⽤⽔量预测计算的⽅法？７.给⽔系统中各部分的设计⽔量？供⽔泵站（⼆级泵站）的供⽔流量确定？８.清⽔池、⽔塔的作⽤？调节容积如何计算？９.给⽔管⽹布置原则？消⽕栓、阀门、泄⽔阀、排⽓阀等作⽤和设置位置？１０.给⽔管⽹布置的基本形式，优缺点，适⽤范围？１１.输⽔管渠的概念？定线基本原则？１２.排⽔管⽹布置的原则、形式及各形式适⽤情况？１３.污⽔管⽹布置的原则和⽅法？１４.⾬⽔管渠布置的原则？⾬⽔⼝设置位置？第3章给⽔排⽔管⽹⽔⼒学基础１.⽔的流动有哪⼏种流态？在给排⽔管⽹⽔⼒计算时按什么流态考虑的？２.恒定流与⾮恒定流、均匀流与⾮均匀流、压⼒流与重⼒流，在给排⽔管⽹⽔⼒计算时各按什么情况考虑的？３.沿程⽔头损失、局部⽔头损失计算？４.⾮满流管渠计算？５.给⽔管道的简化，简化原则，简化⽅法，简化结论？６.⽔泵⽔⼒特性及其简化？第4章给⽔排⽔管⽹模型１.给⽔排⽔管⽹模型化经过的两个步骤？２.给⽔排⽔管⽹抽象后的两个基本元素？特点？３.环、树、关联集的概念?４.恒定流基本⽅程组：节点连续性⽅程（节点流量⽅程）、管段能量守恒⽅程（管段能量⽅程）的表达形式、含义？环能量⽅程？第5章给⽔管⽹设计与计算１.给⽔管⽹计算的内容?(设计、复核)？校核的⼯况、⽬的？各校核⼯况的条件和结果？２.⽐流量、沿线流量、节点流量、管段流量的计算？３.管段设计直径如何确定？经济流速概念？４.树状⽹（环状⽹）的管段流量、管径、节点⽔压（节点⽔头、⽔压⾼程）、⾃由⽔压的计算？控制点？⽔泵扬程、⽔塔⾼度？５.解环⽅程的基本思路和步骤?６.⽜顿拉夫森和哈代-克罗斯算法的解题⽅法？７.多⽔源管⽹的设计和校核内容、⽅法？８.解节点⽅程的基本思路和步骤?9. 最⾼时管⽹总⽤⽔量Q h ＝100L/s ，求各节点流量和管段流量?10.某城镇树状管⽹，管长如图所⽰。
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3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【知识点】 管渠水力计算公式、水头损失计算、管道水流特 性、管道的水力等效简化；管网的水力等效简化原 则。
【能力目标】 熟练识记 管渠水力计算公式、管道水流特性；水 泵水力特性参数； 熟练掌握及运用 水头损失计算、管道的水力等效 简化。
12011-09-20«给水排水管道系统»第3章 给水排水管网水力学基础2011-09-202引 言前一章讨论了给水排水管网的工程规划： 原则最新规范、 法规、政策工作程序目的、手续、资料收 集、方案制定、绘 图、编制文件城市用水量预测分类、面积、人 口、模型预测（3 种）管网布置给水相关概念：树状网、 环状网、输水管渠、干 排水相关概念：干管、 管、支管、连接管、分配 主干管、支管、坡度、 雨水相关概念：雨水 管、坡度、定线 定线、平行式、正交 口、自排、径流 2011-09-20 式、连接方式（窨井）技术经济分析静态年费计算、 动态年费计算3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 3.2 管渠水头损失计算 3.3 非满流管渠水力计算 3.4 管道的水力等效简化 3.5 水泵与泵站水力特性2011-09-2043.1 给水排水管网水流特征1. 管网中的流态分析 管道中的流态： 层流、紊流（三个区）、过渡流。
流态判别： Re = νvDRe ⎧层流： < 2000 ⎪ 流态 ⎨过渡流： 2000 < Re < 4000 ⎪紊流： > 4000 Re （给排水管网一般按紊 流考虑） ⎩2011-09-20 53.1 给水排水管网水流特征1. 管网中的流态分析按紊流考虑。
(计算数据P47)v: 0.5~1.5 (m/s) D: 0.1~1.0 (m) T: 5~25 (oC) v: 1.52~0.89×10-6 (m2/s)2 ⎧阻力平方区（粗糙管区 ） h ∝ v（管径 D 较大或管壁较粗糙） ⎪ 2 h ∝ v1.75～（管径 D 较小或管壁较光滑） 紊流 ⎨过渡区 ⎪水力光滑区 h ∝ v1.75 ⎩给水排水管网流态：主要为紊流过渡区和阻力平方区（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 区的流速界限在0.1m/s。
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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。
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。
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
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。
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。
1、串联管道的简化
l
l1 d1 l2 d2 lN dN
1 m
根据水力等效的原则：
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。
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
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
（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。
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 1.5ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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
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
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。
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
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。
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
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
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