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第三章 给水排水管网水力学基础 2010年9月8日 3.1 给水排水管网水流特征 流态特征 给水排水管网中，水流水力因素随时间变化，属 于非恒定流，水力计算复杂。 在设计时一般只能按恒定流计算。 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。 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。 均匀流与非均匀流 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。 均匀流：液体质点流速的大小和方向沿流程不变。 压力流与重力流 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。 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 测压管水头 水头分为 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 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 压力水头P/r 流速水头v2/2g 3.2 管渠水头损失计算 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。 3.2.1 沿程水头损失计算 管渠管渠沿程水头损失用沿程水头损失用谢才公式谢才公式 圆管满流，沿程水头损失也可用沿程水头损失也可用达西公式： C C、与水流流态有关，一般采用经验公式与水流流态有关，一般采用经验公式 或半经验公式计算。常用公式如下或半经验公式计算。常用公式如下 ： D管段直径，m； g 重力加速度，m/s2； 沿程阻力系数， =8g/C2 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 （1）舍维列夫公式 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。 （2）海曾-威廉公式 适用于各种紊流，是适用性和计算精度最高的公式。 简 化 为 直 接 计 算 式 （3）柯尔勃洛克-怀特公式 e 管壁当量粗糙度，m。 适用于明渠流和非满流排水管道计算。 代入谢才公式 （4）巴甫洛夫斯基公式 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。 （5）曼宁公式 3.2.2 沿程水头损失计算公式的比较与选用 4）舍维列夫公式在1.0e1.5mm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。 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1.0e5.0mm； 2）曼宁公式亦适用于较粗糙的管道，最佳适用范围 为0.5e4.0mm； 3）海曾威廉公式则适用于较光滑的管道，特别 是当e0.25mm（CW130）时，该公式较其它公式 有较高的计算精度； 3.2.3 局部水头损失计算 局部阻力设施局部阻力设施 全开闸阀0.1990。弯头0.9 50%开启闸阀2.0645。弯头0.4 截止阀35.5三通转弯1.5 全开蝶阀0.24三流直流0.1 局部阻力系数局部阻力系数 3.2.4 水头损失公式的指数形式 沿程水头损失计算公式的指数形式： 参数海曾威廉公式曼宁公式舍维列夫公式 K10.67/Cw1.85210.29nM20.001798 n1.8522.01.911 m4.875.3335.123 沿程水头损失指数公式参数 局部水头损失公式的指数形式： 沿程水头损失与局部水头损失之和： 式中 Sg管道阻力系数； 3.3 非满流管渠水力计算 排水管网和长距离输水工程常采用非满管流。 水力计算目的：确定水力计算目的：确定 3.3.1 非满流管渠水力计算公式 h D 充满度h/D:设计流量下，管道内有效水深与管径之比 过水断面A=A（D，h/D） 水力半径R=R(D,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 ： 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。 由流量和流速关系 将A，R代入上两式 A=A（D，h/D） R=R(D,h/D) 方法： 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 n0.014。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。 非满流管渠水力计算简化法一 水力计算图表水力计算图表 例1 已知n=0.014,D=300mm,I=0.004,Q=30L/s,求v和h/D 精 度 低 通 用 性 差 坡 度 充满度 流速 流量 例1 已知n=0.014,D=300mm,I=0.004,Q=30L/s,求v和h/D 可证明满流A0 、R0 、qo 、vo，与 非满流相应 A 、 R 、 q 、 v 的比 例A/ A0 、R/ R0 、q/ qo 、v/ vo只和充满度有关。 非满流管渠水力计算简化法二比例变换法 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： 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。 充满度h/D 流速v 已知 求流量q 管径D 水力坡度I 1）先由下式计算q/q0，反查表3.7的充满度h/D； 例2 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。 解用粗糙度系数、管径和水力坡度带入式3.32计算： 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： 3.4 管道的水力等效简化 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