1、第四章 管道水力學(xué)原理,自然狀況下：水往低處流 施壓條件下：任何位置流動(dòng) 草坪的灌溉系統(tǒng) 壓力灌溉系統(tǒng) 管壁摩擦 消耗壓力水流能量 減少流動(dòng)高度 了解管道消耗壓力水流能量的規(guī)律 確定管道鋪設(shè)長(zhǎng)度、斷面尺寸、流量大小、管道提供壓力范圍,能量高的位置 低,第一節(jié) 管道水流及其能量,管道水流 在水力學(xué)中，指管道橫斷面為圓形、水完全充滿管道并具有一定壓力的管道水流。 管道橫斷面上的平均流速：,二. 管道水流流態(tài) 管道中流動(dòng)的水分為層流和紊流兩種流態(tài)。 層流：當(dāng)管道流速較小時(shí)，流體中液體質(zhì)點(diǎn)彼此互不混雜，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡呈有條不紊的線狀形態(tài)的流動(dòng)。流體質(zhì)點(diǎn)沿著與管軸平行的方向作平滑直線運(yùn)動(dòng)。 紊流：速度、壓

2、強(qiáng)等流動(dòng)要素隨時(shí)間和空間作隨機(jī)變化，質(zhì)點(diǎn)軌跡曲折雜亂、互相混摻的流體運(yùn)動(dòng)。 由層流過(guò)渡到紊流與管道直徑、管內(nèi)流速、液體密度和液體黏滯性有關(guān)。黏滯性越小，越容易發(fā)生紊流。 黏滯性：流體企圖阻止外力作用下流體流動(dòng)的特性。,雷諾數(shù)（Renolds number) Re: 用來(lái)表征流體流動(dòng)情況的無(wú)量綱數(shù),黏滯系數(shù) 與密度、溫度有關(guān),管道內(nèi)徑,平均流速,層流時(shí)，管道橫斷面上各點(diǎn)的流速分布是拋物面，斷面平均流速是最大點(diǎn)流速的一半。,紊流時(shí)，管道橫斷面上各點(diǎn)的流速分布趨于均勻，呈對(duì)數(shù)曲線的旋轉(zhuǎn)曲面。,管道中流動(dòng)水流產(chǎn)生能量損失： 水流與管壁摩擦 管壁粗糙度、管壁附近的流速變化梯度。相同流量條件下，紊流的流速

3、梯度比層流大。 水流內(nèi)部作用的黏性。,三. 管道水流的基本規(guī)律 連續(xù)性原理 在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)通道上任何截面的流體質(zhì)量都是相等的。 根據(jù)質(zhì)量守恒原理得到的。,截面窄，流體的流速快，截面寬，流體的流速慢。窄水流快，路面窄風(fēng)速大。,2. 能量守恒原理 兩個(gè)斷面之間流入的能量一定等于流出的能量。 管道中流動(dòng)的水流有：動(dòng)能、勢(shì)能（重力勢(shì)能）和壓能（壓力勢(shì)能）。 水頭：能頭，用幾何高度表示能量的大小。 具有長(zhǎng)度單位。 動(dòng)能 水流運(yùn)動(dòng)；勢(shì)能 位置高度； 壓能 管道斷面壓強(qiáng) 斷面總水頭：總機(jī)械能，3種能量水頭的和。,摩擦和紊動(dòng)消耗部分能量，導(dǎo)致能量損失 水頭損失 水頭第1斷面 第2斷面 水流 能量高的斷面 低

4、的斷面,能量方程（伯努利方程）：,第二節(jié) 水頭損失與計(jì)算,水頭損失及分類 單位重量液體機(jī)械能的損失。 水頭損失,沿程水頭損失 水流邊界形狀和大小沿程不變，水流在長(zhǎng)且直的流段中發(fā)生的水頭損失。hf表示。單位長(zhǎng)度上損失相等，與管道長(zhǎng)度成正比。 局部水頭損失 水流邊界形狀或大小沿流程急劇變化所產(chǎn)生的水頭損失。hj,水流流經(jīng)整個(gè)流程的水頭損失：,沿程水頭損失計(jì)算理論 管道沿程水頭損失計(jì)算基本公式 （達(dá)西-威斯巴赫公式）,計(jì)算管流的雷諾數(shù) 流態(tài) 選用沿程阻力系數(shù)計(jì)算公式。,2. 層流的沿程阻力系數(shù),Re 2000時(shí) 層流：水流慢，分層運(yùn)動(dòng)，管壁粗糙度對(duì)沿程阻力系數(shù)無(wú)影響，沿程阻力系數(shù)只與雷諾數(shù)有關(guān)。,層

5、流時(shí)沿程水頭損失hf與斷面平均流速成正比，是線性關(guān)系,3. 紊流的沿程阻力系數(shù),Re 2000時(shí) 紊流：速度和雷諾數(shù)變化范圍大，較小雷諾數(shù)和較大雷諾數(shù)時(shí)的沿程阻力系數(shù)不同，需分區(qū)計(jì)算。 根據(jù)管壁粗糙度是否對(duì)水流影響，將紊流分為紊流光滑區(qū)、紊流過(guò)渡區(qū)、紊流粗糙區(qū)（阻力平方區(qū)）。,紊流光滑區(qū),Re 2000后，管道水流流態(tài)為 紊流，但靠近管壁極薄的一層水仍為層流，該層稱黏性底層，其厚度隨雷諾數(shù)的增大而減少。 2000 4000 時(shí)，層流向紊流過(guò)渡，沿程阻力系數(shù)僅與雷諾數(shù)有關(guān)，與相對(duì)光滑度無(wú)關(guān)。 Re 4000 時(shí)， 流態(tài)進(jìn)入紊流，但雷諾數(shù)相對(duì)較小，黏性底層較厚，足夠淹沒(méi)管壁粗糙度。 此時(shí)的水流實(shí)際

6、上是在水光滑的館內(nèi)流動(dòng)。沿程阻力系數(shù)僅與雷諾數(shù)有關(guān)，與管壁粗糙度無(wú)關(guān)。,紊流平滑區(qū)的沿程阻力系數(shù)計(jì)算公式：,適用于Re105的紊流平滑區(qū),紊流過(guò)渡區(qū) 隨著雷諾數(shù)的增大，黏性底層厚度相對(duì)減薄，以致不能淹沒(méi)管壁粗糙度。沿程阻力系數(shù)不僅與雷諾數(shù)有關(guān)，而且與管壁粗糙度有關(guān)。用可里布魯克(Colebrook)公式計(jì)算：,紊流粗糙區(qū) 當(dāng)雷諾數(shù)繼續(xù)增大，黏性底層繼續(xù)變薄，紊流繞過(guò)壁面突出高度時(shí)已形成小漩渦，此時(shí)管壁粗糙度對(duì)沿程阻力系數(shù)起主要作用，與雷諾數(shù)無(wú)關(guān)。,三. 沿程水頭損失計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式 布拉休斯公式計(jì)算塑料管道沿程水頭損失 多數(shù)塑料管道的流態(tài)屬于紊流光滑區(qū)：,s管道的比阻率或比阻抗,2. 哈森-威廉斯

7、公式計(jì)算沿程水頭損失 適于較大的管道(d5cm)，適中的流速（3m/s）,C沿程摩擦系數(shù),四. 局部水頭損失計(jì)算 計(jì)算原理 在管道系統(tǒng)中通常裝有閥門、彎管、變截面管等局部裝置。流體流經(jīng)這些局部裝置時(shí)流速將重新分布，流體質(zhì)點(diǎn)與質(zhì)點(diǎn)及與局部裝置之間發(fā)生碰撞、產(chǎn)生漩渦，使流體的流動(dòng)受到阻礙，由于這種阻礙是發(fā)生在局部的急變流動(dòng)區(qū)段，所以稱為局部阻力。流體為克服局部阻力所損失的能量，稱為局部損失。,邊界與水流流線越吻合,對(duì)水流干擾越小,局部損失與流速水頭成正比:,在工程實(shí)際中，絕大多數(shù)管道系統(tǒng)是由許多等直管段和一些管道附件連接在一起所組成的，所以在一個(gè)管道系統(tǒng)中，既有沿程損失又有局部損失。沿程阻力和局部

8、阻力二者之和稱為總阻力，沿程損失和局部損失二者之和稱為總能量損失?？偰芰繐p失應(yīng)等于各段沿程損失和局部損失的總和 能量損失的疊加原理,2. 部分管道連接部位的局部阻力系數(shù) 絕大多數(shù)的局部水頭損失要通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，因此計(jì)算中必須參照現(xiàn)有的局部水頭損失計(jì)算圖表。,不同管道進(jìn)口形式的局部阻力系數(shù),0.5,1.0,=0.5+033cosa + 0.2cos2a,0.04,管道斷面突然減少與擴(kuò)大,管道斷面突然減少或擴(kuò)大：,突然擴(kuò)大的局部水頭損失等于兩個(gè)斷面流速差的流速水頭。,管道斷面漸變小或擴(kuò)大：,管道轉(zhuǎn)彎 轉(zhuǎn)彎角度為90并光滑地轉(zhuǎn)彎，局部阻力系數(shù)與管道轉(zhuǎn)彎半徑與管道直徑的比值有關(guān),管道分叉,管道閘閥 閘閥

9、的局部損失比較大，取決于閘閥類型和開(kāi)度。,d0閘閥內(nèi)徑， h開(kāi)度,第三節(jié) 串聯(lián)和分支管道水力計(jì)算 一. 串聯(lián)管道水力計(jì)算 管道流量 串聯(lián)管道: 具有不同管徑、不同流量和不同管長(zhǎng)的管段相互串聯(lián)起來(lái)的管道。相互連接點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)上可以有分流。草坪灌溉系統(tǒng)中比較典型的串聯(lián)灌溉單元如下，一個(gè)節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)噴頭。,2 管道直徑 確定噴灌系統(tǒng)中各級(jí)管道的直徑 管網(wǎng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù). 根據(jù)確定的管道材料和相應(yīng)的管道規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，參考各種管材和管徑的適宜流速，初步擬定管道直徑； 通過(guò)水頭損失計(jì)算校驗(yàn)初步擬定直徑的合理性； 存在明顯不合理，反復(fù)調(diào)整計(jì)算。 PVC塑料管道的適宜流速為0.5-2.0m/s，管徑初步計(jì)算：,

10、根據(jù)管道流量 選擇適宜的管徑,PVC管道直徑、流量與流速的關(guān)系,3 水頭損失 管道長(zhǎng)度依據(jù)管道布置確定。確定了管段流量、管道直徑后，應(yīng)用管道水頭損失計(jì)算公式可以計(jì)算噴灌單元的水頭損失。不同類型的噴灌單元，沿程水頭損失的計(jì)算有所不同。對(duì)于串聯(lián)管道，從進(jìn)口到末端的沿程水頭損失是各段沿程損失的和。,局部損失計(jì)算 可根據(jù)管道布置情況進(jìn)行逐個(gè)計(jì)算，包括 閘閥、三通、彎道、噴頭、提升管的管件處的局部損失。 也可根據(jù)管道布置和特點(diǎn)，按局部損失占沿程損失的一個(gè)百分比估算，一般為10%-15%。,4 壓力分布 計(jì)算了噴灌單元總水頭損失后，水平鋪設(shè)的單元進(jìn)口所需要的工作壓力就是：,管道上任意一點(diǎn)的壓力水頭為：,各

11、點(diǎn)的壓力水頭數(shù)據(jù)繪在管線圖上并連接起來(lái) 管道的壓力水頭分布圖,5 壓力變化與流量變化的關(guān)系 噴頭位置影響噴頭的實(shí)際工作壓力，離進(jìn)口近則大。 一個(gè)噴灌系統(tǒng)中，盡可能要求各個(gè)噴頭的出流量相同，以便草坪得到均勻的灌水量。需了解壓力變化與流量變化的關(guān)系。,距管道進(jìn)口最近的一個(gè)噴頭與最遠(yuǎn)的一個(gè)噴頭之間的流量變化與壓力變化可用流量變化率表示：,二. 分支管道水力計(jì)算 水頭損失 確定了管道布置后 與串聯(lián)管道相同，從各分支的末端或總進(jìn)口端逐段推算管道流量 根據(jù)管段流量和適宜流速擬定各管段管徑 水頭損失計(jì)算。 選擇管線最長(zhǎng)和流量最大的分支或距管道進(jìn)口最遠(yuǎn)的分支計(jì)算，其他分支水頭損失較小，工作壓力能滿足要求。如果

12、分支管網(wǎng)比較復(fù)雜，無(wú)法判斷哪個(gè)分支水頭損失最大，可分別計(jì)算各分支，然后選取其中的最大值作為確定管網(wǎng)進(jìn)口壓力或選擇加壓水泵的依據(jù)。,管線最長(zhǎng)1-2-5-7 由1-2，2-5， 5-7串聯(lián),分別計(jì)算 1-2-5-7，3-2-5-7， 4-5-7， 6-5-7四個(gè)分支，確定最大值,2 壓力分布 分支管道壓力分布計(jì)算： （1）確定各個(gè)支管末端需要的工作壓力 選水頭損失最大的分支末端作為端點(diǎn)，確定其最小工作壓力； （2） 在此工作壓力的基礎(chǔ)上，分段加上該管段的水頭損失上一節(jié)點(diǎn)的壓力水頭； （3）依次類推，計(jì)算到管道進(jìn)口需要的進(jìn)口壓力水頭。,具有坡度管道的 壓力分布 當(dāng)管道末端的工作壓力He確定后，第i個(gè)

13、節(jié)點(diǎn)的壓力水頭：,管道進(jìn)口處需要的壓力水頭：,一般沿最大水頭損失分支上的總水頭損失不宜超過(guò)進(jìn)口壓力水頭的20%，否則各個(gè)分流點(diǎn)的灌水均勻度得不到保證。,三. 沿程出流多孔管道水力計(jì)算 沿程出流多孔管道主要作為安裝噴頭的支管以及具有微噴頭或滴頭的毛管，具以下的特點(diǎn)： （1）水流沿管道以一定間隔距離分流，且分流點(diǎn)較多； （2）分流點(diǎn)的間隔距離一般等距，以便于田間管道布置； （3）同一管道上安裝的噴頭、微噴頭或滴頭一般都是同一類型或相同的規(guī)格。 由此可假定：沿程出流間隔距離相等；各個(gè)噴頭或滴頭出流量相同。,1 管道流量 若沿程各個(gè)孔口的流量為q，總進(jìn)口流量為Q0， 則沿管道任一孔口前管段流量為：,當(dāng)

14、i = 1時(shí)， Q1 = nq，即第一個(gè)孔前管段的流量；當(dāng)i = n時(shí), Qn = q，即最末一個(gè)孔前管段的流量。,2 水頭損失 確定了沿程流量分布及管徑，管段長(zhǎng)度已定，沿程水頭損失可逐段計(jì)算，累計(jì)后就是總沿程水頭損失：,為計(jì)算方便，適用中常用多孔系數(shù)法計(jì)算：,X：從管道進(jìn)口到第一個(gè)孔口的長(zhǎng)度與孔口間距的比值,3 壓力分布 沿程出流管道壓力水頭分布可按串聯(lián)管道的方法逐段計(jì)算，也可按近似的簡(jiǎn)化方法計(jì)算：,在dx管段上的沿程損失：,當(dāng)x=L時(shí),在多孔管道上約4/5的水頭損失發(fā)生在距管道進(jìn)口一半的管段，只有1/5發(fā)生在較遠(yuǎn)的一半。沿程泄流，末端流量很小,第四節(jié) 管網(wǎng)水力計(jì)算,一 環(huán)形管網(wǎng) 所有管段首

15、末順序連接串聯(lián)管道（管線） 其他連接管網(wǎng) 管網(wǎng)越大，計(jì)算越復(fù)雜 當(dāng)環(huán)形管網(wǎng)形狀已定，節(jié)點(diǎn)流量為已知時(shí)，各管段的流量有許多分配方案，各管段的流量、管徑都是未知數(shù)，管內(nèi)水流方向也無(wú)法直接確定。根據(jù)節(jié)點(diǎn)流量平衡方程和任一閉合環(huán)內(nèi)各管段水頭損失的代數(shù)和等于零兩個(gè)基本條件，列出流量平衡方程（節(jié)點(diǎn)方程）和環(huán)路水頭平衡方程（環(huán)方程），聯(lián)立求解，得到管段流量、水頭損失等參數(shù)。,4個(gè)閉合環(huán)，9個(gè)節(jié)點(diǎn)，12個(gè)管段 M個(gè)環(huán)n個(gè)節(jié)點(diǎn)可列出m+(n-1)各獨(dú)立的方程,流入節(jié)點(diǎn)的流量一定等于流出節(jié)點(diǎn)的流量。 Qab Qbc Qbe = 0 在各個(gè)管道匯合的同一節(jié)點(diǎn)上，所有管道在此節(jié)點(diǎn)上的壓力水頭都是相同的，即節(jié)點(diǎn)上只有一個(gè)壓力，不存在各個(gè)管道的水頭差。,三 環(huán)形管網(wǎng)計(jì)算步