水力学 第6章 有压管流

H 9 0.125 m 3 / s al 0.23 2500
【例2】其他条件同【例1】，供水量增至 0.152 m3/s，求管径。 【解】 作用水头不变
H (61 18) ( 45 25) 9m
求得比阻
H 9 2 6 a 2 0 . 156 s / m lQ 2500 0.152 2
查表6-1，求管径 D = 450mm， a = 0.1230 s2/m6 ； D = 400mm， a = 0.230 s2/m6 。 可见，所需管径界于上述两种管径之间，但实际上无此规 格。采用较小管径达不到要求的流量，使用较大管径又将浪费 投资。合理的办法是分部分采用，然后将二者串联起来。
6.2.2 串联管道 直径不同的管段顺序连接起来的管道称串联管道。 设串联管道系统。各管段长分别为 l1、l2……，管径分 别为D1、D2……，通过的流量分别为 Q1、Q2……，两管段 的连接点即节点处的流量分别为 q1、q2……。 根据连续性方程， 在节点处满足节点流 量平衡，即 Qi qi Qi 1 q1 q2 H
sj si
或
Qi Q
s si
由于 Q Q2 Q3 Q4 及
hfi Qi si
得并联管道系统的总阻抗为
1 1 1 1 s s2 s3 s4
【例4】三根并联铸铁输水管道，总流量 Q = 0.28m3/s；各 支管管长分别为 l1 = 500m，l2= 800m，l3= 1000m；直径分 别为D1 = 300mm， D2 = 250mm， D3 = 200mm 。试求各支 管流量及 AB 间的水头损失。 l1, D1, Q1 B A 【解】查表6-1求比阻 D1= 300mm，a1= 1.07s2/m6 l2பைடு நூலகம் D2, Q2 D2= 250mm，a2= 2.83s2/m6 l3, D3, Q3 D3= 200mm，a3= 9.30s2/m6 根据各管段水头损失的关系： 2 2 2 2 2 2 或 5352 Q 2264 Q 9300 Q a1l1Q1 a2l2Q2 a3l3Q3 1 2 3
6.3 管网水力计算基础 6.3.1 枝状管网 由多条串联而成的具有分支结构的管网系统称为枝状管网。 枝状管网节省材料、造价低，但供水的可靠性差。 枝状管网的计算 主要为以干管为主确 定作用水头与管径。 干管指从水源到最远 水源
点而且通过的流量为最大的管道部分。对水 头要求最高、通过流量最大的点称为控制点 。 于是，从水源到控制点的总水头可为：
0 1 v H 2 0
2
流量计算与自由出流相同，即
Q s A 2 gH
管系流量系数为
s
1 l ζ D
6.1.2 基本问题 第一类为已知作用水头、管长、管径、管材与局部变 化，求流量，见p117 [例6-1]。 第二类为已知流量、管长、管径、管材与局部变化， 求作用水头，见p118 [例6-2]。 第三类为已知作用水头、流量、管长、管材与局部变 化，求管径，见p119 [例6-3]。 6.2 长管的水力计算 6.2.1 简单管道 直径与流量沿程不变的管道为简单管道。 列1-2断面伯努利方程。 1 1 对于长管来说，局部水头 损失（包括流速水头）可忽略 不计，于是有 H 2 2
i 1
n
故
H sQ 2
【例3】【例2】中，为充分利用水头和节省管材，采用 450mm和400mm两种直径管段串联，求每段管长度。 【解】设 D1= 450mm的管段长 l1， D2= 400mm的管段长 l2 由表6-1查得 D1= 450mm，a1= 0.123 s2/m6 D2= 400mm，a2= 0.230 s2/m6 于是 解得
Qs Qx Qp Qs x l
该段的水头损失则为 ：
Qs dhf adxQ a Qp Qs l
2 x
x dx
2
假定比阻 a 为常数，上式积分得
此式还可近似写成
1 2 2 hf 0 dhf al Qp Qp Qs Qs 3
H (a1l1 a2l2 )Q 2 [a1l1 a2 (2500 l1 )]Q 2
l1= 1729 m， l2= 771 m
6.2.3 并联管道 两节点之间首尾并接两根以上的管道系统称为并联管道。 A、B 两点满足节点流量平衡 A： Q1 qA Q2 Q3 Q4 B： Q Q Q q Q 2 3 4 B 5 由于A、B两点为各管 Q1 qA A Q2 Q3 Q4 qB hf B
H hf H s z0 z t
式中 H 为水源的总水头（水塔高度），Hs 为控制点的最小 服务水头，hf 为干管各段水头损失，z0 为控制点地形标高， zt 为水塔处地形标高。 对于新建管网，按经济流速 ve 确定管径
D
4Q πve
D = 100 - 400mm， ve = 0.6 – 1.0 m/s D＞400mm， ve = 1.0 – 1.4 m/s
H hf
引入达西公式
l v2 8 hf 2 5 lQ 2 alQ 2 sQ 2 D 2 g gπ D
式中 s = al 称为管道的阻抗，a 则称为比阻。于是
H alQ 2 SQ 2
为简单管道按比阻计算的基本公式。 可按曼宁公式计算比阻。 在阻力平方区，根据曼宁公式可求得
第 6 章 有压管流 有压管流指液体在管道中的满管流动。除特殊点外， 管中液体的相对压强一般不为零，故名。 根据沿程水头损失与局部水头损失的比例，有压管 流分为短管出流与长管出流。 短管出流指水头损失中沿程水头损失与局部水头损 比例相当、均不可以忽略的有压管流；如虹吸管或建筑 给水管等。 长管出流则是与沿程水头损失相比，局部水头损失 可以忽略或按比例折算成沿程水头损失的有压管流；按 连接方式，长管又有简单管路与复杂管路之分,如市政 给水管道等。
Q1 q Qs Qp 0.045 m3 / s
Q2 0.55Qs Qp 0.028 m3 / s
Q3 Qp 0.02 m3 / s
作用水头为各段损失之和，即
l1D1 q
H
B l2D2 C l3D3 Qt 0.55Qs Qp
q+0.45Qs
H hfi a1l1Q1 a2l2Q2 a3l3Q32 23.51 m
式中水头损失可表示为
2 l v hl hf hm ζ d 2g
解出流速
v
1 l ζ D
2 gH
1 令 s 为短管管系流量系数 l ζ D 流量为
Q vA s A 2 gH
液体经短管流入液体为淹没出流。 1
然后按上式计算水源的作用水头。 对于扩建管网，由于水源等已固定，无法按经济流速计 算，因此采用平均水力坡度来计算管径，即 H z t z0 H s J t li hf J 于是由 hf ai li Qi2 2 得 ai 2 li Qi Qi 再通过查表求得管径。
再与流量关系
Q Q1 Q2 Q3
联立解得：
Q3 0.0389m 3 / s
AB 间水头损失：
Q2 0.0789m 3 / s
Q1 0.1622m 3 / s
hfAB a3l3Q32 9.30 1000 0.0389 2 14.07 m
6.2.4 沿程均匀泄流管道 前面的管道流动中，通过管道沿程不变的流量称为通过 流量或转输流量。 工程中有些设备装有穿孔管，即当水流通过这种管道时， 除有部分流量（转输流量）通过该管道以外，另一部分流量 随水流的流动由管道壁面的开孔沿途泄出，该流量称为途泄 流量或沿线流量。 x dx 设沿程均匀泄流管段 Qp 长度 l ，直径 D，通过流 量 Qp ，总途泄流量 Qs 。 Qs 距开始泄流断面 x 处取微 元长度 dx，该处流量为：
4Q D πve 然后对照规格选取管径并确定在经济流速范围之内。 根据所取管径查表求得各段比阻，计算水头损失。
其他管段计算见下表 管段 3-4 2-3 1-2 6-7 5-6 1-5 0-1 管长 350 350 200 500 200 300 400 流量 0.025 0.045 0.080 0.013 0.023 0.032 0.112 管径 200 250 350 150 200 250 400 流速 0.80 0.92 0.83 0.74 0.73 0.65 0.89 比阻 9.30 2.83 1.07 43.0 9.30 2.83 0.23 水头损失 2.03 2.01 1.37 3.63 0.98 0.87 1.15
l
hf al Qp 0.55Qs alQc2
2
其中 Qc Qp 0.55Qs 称为折算流量。 若管段无通过流量，全部为途泄流量，则
1 hf alQs2 3
【例5】水塔供水的输水管道，由三段铸铁管串联而成，BC 为沿程均匀泄流段。管长分别为 l1 = 500m， l2= 150m ， l3= 200m；管径 D1 = 200mm ，D2 = 150mm，D3 = 100mm ， 节点B分出流量q = 0.07m3/s ，通过流量 Qp = 0.02m3/s，途泄 流量Qs = 0.015m3/s，试求所需作用水头H。 【解】BC 段途泄流量折算后 A
【例6】枝状管网如图所示。设水塔与管网端点4、7地形标 高相同，两点的最小服务水头均为 Hs = 12m，各管段均为 铸铁管其他已知条件见表，试求各管段的直径、水头 损失及水塔高度。 35L/s 20L/s 25L/s 1 6 2 0 3 4 水塔 7 5 10L/s 13L/s 9L/s
【解】先按经济流速计算管径
10.3n 2 a 5.33 D 上式计算结果也可通过查表6-1求得。
【例1】采用铸铁管由水塔向车间供水。已知水管长2500m， 管径400mm，水塔地面标高61m，水塔高18m，车间地面 标高45m，供水点要求最小服务水头25m，求供水量。
【解】 首先计算作用水头 H (61 18) ( 45 25) 9m 2 6 然后查表求比阻，查表6-1 a 0.23 s / m 求得流量为 Q
6.1 短管的水力计算 6.1.1 基本公式 短管水力计算可直接应用伯努利方程求解，也可将伯努利 方程改写成工程应用的一般形式，然后对短管进行求解。 短管出流有自由出流和淹没出流之分。 液体经短管流入大气为自由出流。 设一短管，列1-2断面伯努利方程，得 1
v H 2 0 2
1
0
H
v 2
2g
hl
水头损失： hf0-4= 2.03 + 2.01 + 1.37 + 1.15 = 6.56 m hf0-7= 3.63 + 0.98 + 0.87 + 1.15 = 6.63 m 点7为控制点，水塔高度应为 H = 6.63 + 12 = 18.63 m。
6.3.2 环状管网
环状管网指多条管段互连成闭合形状的管道系统。 C F 水源 E H A B D G 1.环状管网水力计算的基本问题 计算各管段流量、直径与水头损失。 2.环状管网的未知量 环状管网上管段数目 np 、环数 nl 以及节点数目 nj 之间存 在着如下关系： np = nl+ nj-1 。 每个管段均有流量 Q 和管径 D 两个未知数，因此整个管网 共有未知数 2 np = 2 ( nl+ nj-1) 个。
Q5
段所共有， A、B两点的水 头差也就为各管段所共有，而且A、B两点之间又为全部并联系 统，说明并联管道系统各管段水头损失相等且等于系统总损失。 或者
hf 2 hf 3 hf 4 hf
s2Q22 s3Q32 s4Q42 sQ 2
上式还可表示为各管段的流量分配关系
Qi Qj
Q1
Q2
Q3
每一段均为简单管道，按比阻计算水头损失为 hfi ai li Qi2 si Qi2 串联管道的总水头损失等于各段水头损失之和，即 H hf hfi si Qi2
当节点无分流时，通过各管段的流量相等，管道系统的 总阻抗 s 等于各管段阻抗之和，即
s si