1、,第3章 給水排水管網(wǎng)水力學基礎,3.1 給水排水管網(wǎng)水流特征,3.1.1管網(wǎng)中的流態(tài)分析 在水力學中，水在圓管中的流動有層流、紊流及過渡流三種流態(tài)，可以根據(jù)雷諾數(shù)Re進行判別，其表達式如下：,式中，V管內(nèi)平均流速（m/s）；D管徑(m)；水的運動粘性系數(shù)，當水溫為10oC時，1.308 x 10-6m2/s，當水溫為30oC時，0.804 x 10-6m2/s，當水溫為50oC時，0.556 x 10-6m2/s。 當Re小于2000時為層流，當Re大于4000時為紊流，當Re介于2000到4000之間時，水流狀態(tài)不穩(wěn)定，屬于過渡流態(tài)。,給水排水管網(wǎng)中，流速一般在0.51.5m/s之間，管徑

2、多在0.11.0m之間，水溫一般在525之間，水的動力粘滯系數(shù)在1.52 0.8910-6m2/s之間，水流雷諾數(shù)約在330001680000之間，處于紊流狀態(tài)。 計算表明，給水排水管網(wǎng)中，阻力平方區(qū)與過渡區(qū)的流速界限在0.61.5m/s之間，過渡區(qū)與光滑區(qū)的流速界限則在0.1m/s以下。多數(shù)管道的水流狀態(tài)處于紊流過渡區(qū)和阻力平方區(qū)，部分管道因流速很小而可能處于紊流光滑管區(qū)，水頭損失與流速的1.752.0次方成正比。,3.1.2恒定流與非恒定流 由于用水量和排水量的經(jīng)常性變化，給水排水管道中的流量和流速隨時間變化，水流經(jīng)常處于非恒定流（又稱非穩(wěn)定流）狀態(tài)。但是，非恒定流的水力計算比較復雜，在管

3、網(wǎng)工程設計和水力計算時，一般按恒定流（又稱穩(wěn)定流）計算。 隨著計算機技術快速發(fā)展與普及，國內(nèi)外已經(jīng)開始研究和采用非恒定流計算給水排水管網(wǎng)，而且得到了更接近實際的結(jié)果。,3.1.3均勻流與非均勻流 給水排水管網(wǎng)中的水流參數(shù)隨時間變化，也隨空間變化。特別是明渠流或非滿管流，通常都是非均勻流。 對于滿管流，長距離等截面滿管流為均勻流。 對于非滿管流或渠流，只要長距離截面不變，也可近似為均勻流，按沿程水頭損失公式計算。 對于短距離或特殊情況下的非均勻流動，運用水力學理論按緩流或急流計算。,3.1.4壓力流與重力流 壓力流輸水通過具有較大承壓能力的管道進行，水流在運動中的阻力主要依靠水泵產(chǎn)生的壓能克服，

4、管道阻力大小只與管道內(nèi)壁粗糙程度、管道長度和流速有關，與管道埋設深度和坡度等無關。 重力流輸水系統(tǒng)依靠地形高差，通過管道或渠道由高處流向低處，水流的阻力主要依靠水的位能克服，水位沿水流方向降低，稱為水力坡降。 給水管網(wǎng)多采用壓力流輸水方式，如果地形條件允許，也可采用重力流輸水以降低輸水成本。排水管網(wǎng)一般采用重力流輸水方式，要求管渠的埋設高程隨著水流水力坡度下降。,3.2管渠水頭損失計算,3.2.1沿程水頭損失計算 對于任意形狀管渠斷面，采用謝才（Chezy）公式：,式中hf沿程水頭損失（m）； v過水斷面平均流速（m/s）； C謝才系數(shù)； l管渠長度(m) ； R過水斷面水力半徑（m），對于圓

5、管滿流， R=0.25D，D為直徑（m） 。,對于圓管滿流，可采用達西-韋伯（Darcy-Weisbach）公式：,式中D管段直徑（m）；g重力加速度（m/s2）； 沿程阻力系數(shù)， 。,常用管材內(nèi)壁當量粗糙度e（mm）表3.1,3.2.3局部水頭損失計算,計算公式 ：,式中，hm 局部水頭損失，m； 局部阻力系數(shù)，見表3.5。,局部阻力系數(shù)表3.5,經(jīng)驗表明，給水排水管網(wǎng)中的局部水頭損失一般不超過沿程水頭損失的5%，所以，在管網(wǎng)水力計算中，常忽略局部水頭損失的影響，不會造成大的計算誤差。,3.2.4水頭損失公式的指數(shù)形式,將水頭損失計算公式寫成指數(shù)形式，有利于統(tǒng)一計算公式的表達形式，簡化給水排

6、水管網(wǎng)的水力計算，也便于計算機程序設計和編程。 沿程水頭損失計算公式的指數(shù)形式為：,式中，k、n、m指數(shù)公式的參數(shù)。見表3.6； 比阻，即單位管長的摩阻系數(shù)， =k/Dm； sf摩阻系數(shù)，sf= l=kl/Dm。,沿程水頭損失指數(shù)公式的參數(shù) 表3.6,或,或,3.3非滿流管渠水力計算,在排水管網(wǎng)中，污水管道一般采用非滿管流設計，雨水管網(wǎng)一般采用滿管流設計，如圖3.1所示。在兩者的運行過程中，大多數(shù)時間內(nèi)，均處于非滿管流狀態(tài)。 為了簡化計算工作，在給水排水管道的水力計算中一般都采用均勻流公式。,圖3.1圓形管道非滿管流和滿管流示意圖 （a）非滿管流；（b）滿管流,圖3.2圓形管道充滿度示意圖,3

7、.3.1非滿流管道水力計算公式,管渠流量公式：,式中A過水斷面面積（m2）； I水力坡度，對于均勻流，為管渠底坡。,非滿流管道水力計算參數(shù)公式:,設管徑為D，管內(nèi)水深為y，充滿度為y/D， 由管中心到水面線兩端的夾角計算公式：,式中，的單位為弧度。 過水斷面面積、濕周 和水力半徑依次為，,或,，,和,設該管道的坡度為I，滿管流時的過水斷面面積、水力半徑、流量和流速分別為A0、R0、q0和v0，可得,，,，,和,3.4管道的水力等效簡化,水力等效簡化原則： 經(jīng)過簡化后的管網(wǎng)對象與原來的實際對象具有相同的水力特性。如兩條并聯(lián)管道簡化成一條后，在相同的總輸水流量下，應具有相同的水頭損失。 3.4.1

8、串聯(lián)或并聯(lián)管道的簡化,管道串聯(lián)等效直徑：,管道串聯(lián)：如圖3.4所示，兩條或兩條以上管道串聯(lián)，可將它們等效為一條直徑為d，長度為l 的管道。根據(jù)水力等效原則，有：,管道并聯(lián)：兩條或兩條以上管道并聯(lián)，長度相等，可以將它們等效為一條直徑為d長度為l的管道，則：,3.4管道的水力等效簡化,水力等效簡化原則： 經(jīng)過簡化后的管網(wǎng)對象與原來的實際對象具有相同的水力特性。如兩條并聯(lián)管道簡化成一條后，在相同的總輸水流量下，應具有相同的水頭損失。,管道串聯(lián)等效直徑：,3.4.1串聯(lián)或并聯(lián)管道的等效簡化 管道串聯(lián)：如圖3.4所示，兩條或兩條以上管道串聯(lián)，可將它們等效為一條直徑為d，長度為l 的管道。根據(jù)水力等效原則

9、，有：,當并聯(lián)管道直徑相同時，等效直徑：,管道并聯(lián)：兩條或兩條以上管道并聯(lián)，長度相等，可以將它們等效為一條直徑為d長度為l的管道，則：,并聯(lián)管道等效直徑：,干管配水情況,沿程水頭損失：,3.4.2沿線均勻出流的簡化 給水管網(wǎng)中的配水管沿線向用戶供水，如圖3.6所示。假設沿線出流是均勻的，則管道內(nèi)任意斷面x上的流量可以表示為：,為簡化計算，將沿線流量簡化為在管道起端和未端的兩個集中流量，假設未端的流量為ql（ 稱為流量折算系數(shù)），其余流量轉(zhuǎn)移到起端，則管道流量為q=qt+ ql ，根據(jù)水力等效原則，有：,結(jié)論：管道沿線出流的流量可以近似地一分為二，平均分配到管段的兩個端點上，由此造成的計算誤差在工程上是允許的。,設管道直徑為D，局部阻力系數(shù)為，令其局部水頭損失與折算當量管道的沿程水頭損失相等，可以計算當量管道長度ld ，即,3.4.3局部水頭損失計算的簡化 給水排水管網(wǎng)中的局部水頭損失一般占總水頭損失的比例較小，通?？梢院雎圆挥嫛?在一些特殊情況下，局部水頭損失必須進行計算。為了簡化計算，可將局部水頭損失等效于一定長度的管