草坪灌溉與排水工程學(xué)2011.03教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié)灌溉水力學(xué)基礎(chǔ)第二節(jié)水頭損失的概念及分類第三節(jié)水頭損失的計算第四節(jié)灌溉管網(wǎng)水力設(shè)計第四章管道水力學(xué)原理教學(xué)要求：1、了解灌溉水力學(xué)基礎(chǔ)知識2、掌握水頭損失的概念及分類3、能夠進(jìn)行水頭損失的計算4、掌握灌溉管網(wǎng)水力設(shè)計第一節(jié)灌溉水力學(xué)基礎(chǔ)水力學(xué)是研究液體特性（靜止和運動狀態(tài)）的一門學(xué)科。依據(jù)水力學(xué)知識設(shè)計的管網(wǎng)，可以大大減少灌溉系統(tǒng)的投資和在運行過程中的維護(hù)保養(yǎng)費用。通過控制水的流速，可以減少水流在管網(wǎng)系統(tǒng)中的壓力水頭耗損。而不符合水力學(xué)特性的設(shè)計，會使噴灌系統(tǒng)的灌水質(zhì)量降低、工程費用偏大和浪費水資源，并有可能使管受力過大,甚至導(dǎo)致管道破裂。因此管網(wǎng)水力學(xué)分析對于減少工程造價、提高灌溉效率和灌溉質(zhì)量等都具有很重要的作用。—靜水壓力靜水壓力是指水不流動的封閉系統(tǒng)中水的壓力。一條充滿水的管子，閥門全部關(guān)閉，系統(tǒng)中的壓力即靜水壓力，靜水壓力是一個系統(tǒng)所能獲得的最大的壓力。1升水重1

kg，即水的比重為1000

kg/m3。在重力作用下，水總是由高處流向低處，一個重要的概念就是水壓力（也稱水頭），它是指水對單位面積上作用力的大小。式中，P－水壓力（kPa）；F－作用力（N

N=mgg=9.8N/kg）；A－面積（m2）。其計算公式如下:這種水壓力是由被測點以上水的重量所產(chǎn)生的。假設(shè)有10cm2的面積，該面積上作用力的大小，簡單地說就是它上面的水柱的重量。水柱重量越大，作用力越大，水壓力也就越大。底面積為0.01m2的柱狀容器充0.3米高的水后，容器底部水壓力為：P=W/A=(1000kg/m3*0.3

m)

/

(0.01

m2)=30000kg/m2

=

294000

N/

m2

=

294

kPa因此，水壓力還可用“水頭高度”或簡稱“水頭”來表示。壓力與水頭之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系為：1m水頭=10kPa。二動水壓力動水壓力，即水流流動狀態(tài)下管道內(nèi)的水壓力，磨擦損失和高程變化都會使系統(tǒng)內(nèi)的動水壓力變化。水在管道中流動時，水與管壁由于摩擦而產(chǎn)生壓力損失，另外，連接件、閥門、水表和逆止閥等對水的流動都有阻力，這些阻力也會產(chǎn)生壓力損失，使管道內(nèi)水壓力減低。通過管道系統(tǒng)的水流大小影響摩擦損失的大小，即通過系統(tǒng)的水流越多，流速越大，壓力損失越大。另外管道的大小尺寸也影響壓力損失。壓力損失或水頭損失可以根據(jù)經(jīng)驗公式計算，也可以查表得到。水流通過管道的速度快，除摩擦損失大外，大的水流速度還會引起一些其他問題。因此管道中的流速不能過大，根據(jù)經(jīng)驗，噴灌管道中可接受的最大流速為1.5m/s。流速超過1.5m/s時，其壓力損失會急劇增大。三管道摩擦損失影響管道摩擦損失的因素流量管道的直徑與局部變化管道長度管道材質(zhì)第二節(jié)水頭損失的概念及分類①水壓力P—在給水管上任意點安裝壓力表，所測得的讀數(shù)，即為該點的水壓力值，（kg/cm2或N、KN、mH2O）。為了便于計算，也把水壓稱為“水柱高”，力學(xué)上又稱“水頭”，其單位換算關(guān)系為1kg/cm2=10m水頭=100Kpa。②水頭損失—水流經(jīng)過管道過程中機(jī)械能的損失。其值可用壓力表測得的兩點壓力差來確定。流線 流速分布理想液體：運動時沒有相對運動，流速是均勻分布，無流速梯度和粘性切應(yīng)力，因而，也不存在能量損失。u(y)實際液體:其有粘性，過水?dāng)嗝嫔狭魉俜植疾痪鶆?。因此，相鄰液層間有相對運動，兩流層間存在內(nèi)摩擦力。液體運動中，要克服摩擦阻力（水流阻力）做功，消耗一部分液流機(jī)械能，轉(zhuǎn)化為熱能而散失。流速分布uτy切應(yīng)力分布水頭損失產(chǎn)生的原因產(chǎn)生水頭損失的根源是實際液體本身具有粘滯性，而固體邊界的幾何條件（輪廓形狀和大?。λ^損失也有很大的影響。流體在受到外部剪切力作用時發(fā)生變形(流動)，內(nèi)部相應(yīng)要產(chǎn)生對變形的抵抗，并以內(nèi)摩擦的形式表現(xiàn)出來。所有流體在有相對運動時都要產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，這是流體

的一種固有物理屬性，稱為流體的粘滯性或粘性。用單位重量液體的能量損失

hw

表示水流的能量損失水頭損失（依據(jù)邊界條件以及作用范圍）水頭損失沿程損失

hf局部損失

hjhf

∝

s沿程水頭損失hf在平直的固體邊界水道中，單位重量的液體從一個斷面流至另一個斷面的機(jī)械能損失。這種水頭損失隨沿程長度增加而增加，稱沿程水頭損失。

發(fā)生在管道均勻流的直線段。局部水頭損失當(dāng)液體運動時，由于局部邊界形狀和大小的改變、局部障礙，液體產(chǎn)生漩渦，使得液體在局部范圍內(nèi)產(chǎn)生了較大的能量損失，這種能量損失稱作局部水頭損失。發(fā)生在水流邊界突然發(fā)生變化的流段。突然管道縮小漩渦區(qū)管道中的閘門局部開啟漩渦區(qū)產(chǎn)生漩渦的局部范圍局部水頭損失沿程水頭損失fh

∝

s發(fā)生邊界平直的固體邊界水道中大小與漩渦尺度、強(qiáng)度,邊界形狀等因素相關(guān)耗能方式通過液體粘性將其能量耗散外在原因液體運動的摩擦阻力邊界層分離或形狀阻力水頭損失沿程損失

hf局部損失

hj液體在以下管道時的沿程損失包括四段：hf

1hf

2hf

3hf

4液體經(jīng)過時的局部損失包括五段：進(jìn)口、突然放大、突然縮小、彎管和閘門。進(jìn)口 突然放大突然縮小彎管閘門第三節(jié) 水頭損失的計算水頭損失的計算總水頭損失：式中，－－全流程中各沿程水頭損失的總和－－全流程中各邊界突變點局部水頭損失的總和灌溉中管道沿程水頭損失的理論公式：（達(dá)西-威斯巴赫公式）式中，f－－沿程阻力系數(shù)（又稱沿程水頭損失系數(shù)與流態(tài)和管壁粗糙程度有關(guān)）L－－管道長度（指同一管徑的管段）D－－管道內(nèi)徑－－流速水頭（具有長度單位）灌溉中管道沿程水頭損失的經(jīng)驗公式式中，hf——沿程水頭損失，m；f——摩阻系數(shù)，查表得到；L——管長，m；Q——流量，m3/h；d——管內(nèi)徑，mm；m——流量指數(shù)，查表得到；b——管徑指數(shù)，查表得到。上述：f,

m,

b

值可從有關(guān)表中查得。局部水頭損失計算：公式

——式中 hj——局部水頭損失，

m；k——局部阻力系數(shù)；——流速水頭；v——管道流速,m/s；g——重力加速度，9.81m/s2可按沿程水頭損失的10％計。各種管材的f、m及b值表管材fmb混凝土管、鋼筋混凝土管1.312×10625.33n=0.0131.516×10625.33n=0.0141.749×10625.33n=0.0152.240×10625.33n=0.017鋼管、鑄鐵管6.25×1051.95.1硬塑料管0.948×1051.774.77鋁管、鋁合金管0.816×1051.744.74石棉水泥管0.455×1051.854.89注：n為粗糙系數(shù)。對于硬質(zhì)塑料管道（PVC），目前常用的計算公式如下：第四節(jié)灌溉管網(wǎng)水力設(shè)計—灌溉支管水力設(shè)計噴灌支管是指帶有噴頭的最末一級管道，并且是多口出流管。1、多口管沿程水頭損失的計算一般計算方法：簡易計算方法：噴灌支管的特點：每隔固定間距，就有一個噴頭分流，每個噴頭分流量或噴頭出水量近似相等。這種等間距、等流量分流的管稱為多口出流管，有一種簡便計算沿程總水頭損失的方法多口管沿程水頭損失的計算其方法為：首先根據(jù)管首流量計算沿程流量不變時（不考慮分流）的水頭損失hf，然后再乘以一個小于1的折減系數(shù)（多口系數(shù)）F即得多口管的沿程水頭損失：多口系數(shù)F計算方法：多口系數(shù)F與出流孔數(shù)目，孔口位置及流量指數(shù)等有關(guān)，其計算公式為：式中：m－－流量指數(shù)（與材質(zhì)有關(guān)）N－－管上出水口總數(shù)（或噴頭總數(shù)）X－－多孔支管首孔位置系數(shù)，即支管入口至第一個噴頭（或孔口）的距離與噴頭（或孔口）間距之比；即：F1－X=1時的多口系數(shù)多口系數(shù)已制成表，不必計算，可直接查取2、支管進(jìn)口水頭計算平均壓力或平均流量所處的位置在：距離支管進(jìn)口0.4L處，此處的水頭損失為3/4Hf要求此處的壓噴頭的工作壓力支管進(jìn)口水頭H0＝H噴頭設(shè)計壓力＋H豎管高度＋3/4Hf3、20%規(guī)則支管設(shè)計主要的設(shè)計任務(wù)是限制噴頭間的流量偏差，獲得滿意的均勻度和灌水效率。一般原則為：控制同一支管上任意兩個噴頭的噴水量之差在10％以內(nèi)。此原則也等同于：控制支管上任意兩個噴頭的工作壓力水頭之差不超過頭設(shè)計工作壓力水頭的20%，此即為20%規(guī)則。例題：已知：噴頭流量q=3.2m3/h,噴頭個數(shù)＝8，噴頭間距＝18米，豎管高度＝1米，噴頭工作壓力＝350kPa，平地，支管采用PVC管，試分別計算：1）支管允許的最大壓力差；2）當(dāng)支管管徑采用D1＝63mm和D2=50mm時的支管水頭損失和支管進(jìn)口水頭。解：a、當(dāng)D＝50mm時（內(nèi)徑46mm）無旁孔出流時的水頭損失：hf1=1.1

×

fLQm／db＝1.1

×

0.948×105×(7×18+9)×(3.2×8)1.77／464.77＝51.3

m多孔出流時的水頭損失：Hf＝hf1×F＝51.3×0.387＝19.8m支管進(jìn)口水頭：H0＝H噴頭設(shè)計壓力＋H豎管高度＋3／4Hf＝35m＋1m＋3／4×19.8

m＋0=50.85

mb、當(dāng)D＝63mm時（內(nèi)徑58mm）無旁孔出流時的水頭損失：hf2=1.1

×

fLQm／db＝1.1

×

0.948×105×(7×18+9)×(3.2×8)1.77／584.77＝16.9

m多孔出流時的水頭損失：Hf＝hf2×F＝19.6×0.387＝6.55

m支管進(jìn)口水頭：H0＝H噴頭設(shè)計壓力＋H豎管高度＋3／4Hf＝35m＋1m＋3／4×6.55

m＋0＝40.91

m支管的水力計算往往是一個反復(fù)的過程。在噴頭選型、布置和支管長度確定后，水力計算的基本流程為：計算支管流量→初設(shè)管徑→計算水頭損失→校核出水口處壓力差是否小于等于20%H設(shè)→若超過20%H設(shè)，調(diào)整管徑后重復(fù)計算→最后確定支管管徑。設(shè)計時，一般不用對所有支管進(jìn)行計算，可選取最“危險條件”（極值）下的支管做水力計算?！拔ｋU條件”在大多數(shù)情況下發(fā)生在距首部最遠(yuǎn)的支管，或系統(tǒng)內(nèi)地形最高部位的支管。若系統(tǒng)的壓力能滿足這些支管的壓力要求，也就自然滿足其他支管的壓力要求。三、干管管徑的