第3章-给水排水管网水力学基础讲解

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。
一般, 0.5,
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。
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。
dm
d1m
d
m 2
d
m N
d
n
(N)m di
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：
hf
kqnl dm

N i 1
kqnli dim
管道串联等效直径： 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：
1
N
mn
lm
d ( ) N
d ( din ) m
li
i 1
m
d i1 i
kqnl kq1nl kq2nl kqNn l
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为直径（m） 。
对于圆管满流，可采用达西-韦伯（Darcy-Weisbach）公式：
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，也便于计算机程序设计和编程。
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。
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。
管道串联等效直径：
hf
kqnl dm

N i 1
kqnli dim
d
(
N
l li
1
)m
dm
i 1 i
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：
hf
kqnl dm
kq1nl d1m
kq2nl d2m

并联管道等效直径：

l
l
x
ql
沿程水头损失：
h f

l 0
k (qt

l d

l
m
x
ql
)n
dx

k
(qt
ql ) n1

q n1 t
(n 1)d m ql
l
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αql（ α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+ αql ，根据水力等效原则，有：
hf

k
(qt
ql ) n1 qtn1 (n 1)d m ql
l
k
(qt
ql ) n
dm
l
令n 2， qt ，代入上式，得 2 1
ql
3
f（）
管 管网 网末 起端 端， ，qqtt
ql， ql，
， 0.5 0， 0.577
【解】查表3.5，该管道上总的局部阻力系数为：
3 0.4 2 0.19 2 0.1 1.78
采用曼宁公式计算谢才系数： 于是，当量管长度为：
C 6 R 6 0.25 0.6 56.07
n
0.013
ld

D
8g
C2

0.6 1.78 56.07 2 8 9.81
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：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：
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：


2 cos1(1
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 ，
q0

A0 n
21
R0 3 I 2
和
v0

1 n
R0 23
I
1 2
3.4 管道的水力等效简化
42.8
Hale Waihona Puke 第3章结束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。
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。