第3章-给水排水管网水力学基础

管网中的流态分析小结
1.
Re 2000 : 2000 Re 4000 Re 4000
2 阻力平方区（粗糙管区 ） h v（管径 D较大或管壁较粗糙） 2 2.紊流过渡区 h v1.2～（管径 D较小或管壁较光滑） 水力光滑区 h v1.75
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：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：
管道串联等效直径：
3.2 管渠水头损失计算
3.2.1 沿程水头损失计算
管渠沿程水头损失用谢才公式
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。
圆管满流，沿程水头损失也可用达西公式：
D——管段直径，m； g ——重力加速度，m/s2； λ——沿程阻力系数， λ=8g/C2
3.1. 3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。 给水排水管网中的水流参数 随时间变化，也随空间变化。特 别是明渠流或非满管流，通常都 是非均匀流。
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。
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
（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。
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
2 3 5 3
K A0
4
K R0
4
K
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。
q A 4q 1.273q v2 v A0 D D 2 ( A / A0 ) D 2 ( A / A0 ) 4
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( ) 14.8R 3.53Re 1 e 2.51 或 2lg( ) 3.7D Re
e ——管壁当量粗糙度，m。
简 化 为 直 接 计 算 式
（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。
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。
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
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。
h D
3.3.1 非满流管渠水力计算公式
采用谢才公式计算水头损失， 将曼宁公式代人并转换：
1 v R I nm
将A，R代入上两式 A=A（D，h/D） R=R(D,h/D)
2 3
1 2
由流量和流速关系
q Av
2 3
1 q AR 3 I 2 nm
1 2
2
1
1 v R ( D, h / D) I nm
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。
3.1.2
恒定流与非恒定流
以时间为标准，若各空间点上 的流动参数（速度、压强、密度等） 皆不随时间变化，这样的流动是恒 定流，反之为非恒定流。
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。
并联管道等效直径：
d ( d )
i 1
N
m n i
n m
当并联管道直径相同时，等效直径：
d (N ) di
n m
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：
d (
l li m i 1 d i
N
)
1 m
N kq nli kq nl hf m m d i 1 di

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：
n n kqN l l kq nl kq1nl kq2 hf m m m m d d1 d2 dN
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
参数 K n 沿程水头损失指数公式参数 海曾威廉公式 曼宁公式 舍维列夫公式 10.67/Cw1.852 1.852 10.29nM2 2.0 0.001798 1.911
m
4.87
5.333
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
式中，
VD

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。
2 3
1 q A(D, h / D) R ( D, h / D) I nm
1 2
5个水力参数q、D、h、I、v, 已知其中3个才能求出另一个，水 力计算很复杂。采用简化法。
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。
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10度(给水管道)
代入达西公式
（
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）柯尔勃洛克-怀特公式
例1 已知n=0.014,D=300mm,I=0.004,Q=30L/s,求v和h/D。
例1 已知n=0.014,D=300mm, h/D =0.55,Q=32L/s,求v和I 。
非满流管渠水力计算简化法二
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，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， 满流时：
反查表3.7的充满度h/D=56.9%，相应A/AO=0.587， 由式3.33计算：
1.273q 1.273 0.1 v 2 1.36 2 D ( A / A0 ) 0.4 0.587
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。
1）巴甫洛夫斯基公式适用范围广，计算精 度也高，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； 2）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；
3）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； 4）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。