管道设计原理 第3章ppt课件.ppt

管道设计原理,王美艳 河北工业大学能源与环境工程学院,3.1 给水排水管网水流特征 3.2 管渠水头损失计算 3.3 非满流管渠水力计算 3.4 管道的水力等效简化 3.5 水泵与泵站水力特性,第3章 给水排水管网水力学基础,3.1 给水排水管网水流特征,3.1.1 管网中的流态分析要计算沿程水头损失，首先要判别流态。在水力学中，水在圆管中的流动有层流、紊流及过渡流三种流态，可以根据雷诺数Re进行判别，其表达式如下：,式中：V管内平均流速（m/s）； D管径(m)； 水的运动粘性系数。 当水温为10时，1.30810-6 m2/s， 当水温为20时，1.00710-6 m2/s， 当水温为30时，0.80410-6 m2/s， 当水温为50时，0.55610-6 m2/s。,当流速较小时，各流层质点互不混杂，这种型态的流动叫层流。当流速较大时，各流层质点形成涡体互相混掺，这种型态的流动叫做紊流。,3.1 给水排水管网水流特征,3.1.1 管网中的流态分析,3.1 给水排水管网水流特征,层流：液体质点作有条不紊的线状运动，水流各层或各微小流束上的质点彼此互不混掺。,3.1.1 管网中的流态分析,3.1 给水排水管网水流特征,3.1.1 管网中的流态分析,3.1 给水排水管网水流特征,3.1.1 管网中的流态分析,紊流：液体质点在沿管轴方向运动过程中互相混掺。,3.1 给水排水管网水流特征,给水排水管网中，流速一般在0.51.5m/s之间，管径多在0.11.0m之间，水温一般在525之间，水的动力粘滞系数在1.52 0.8910-6m2/s之间，水流雷诺数约在330001680000之间，处于紊流状态。给水排水管网中，阻力平方区与过渡区的流速界限在0.61.5m/s之间，过渡区与光滑区的流速界限则在0.1m/s以下。多数管道的水流状态处于紊流过渡区和阻力平方区，部分管道因流速很小而可能处于紊流光滑管区，水头损失与流速的1.752.0次方成正比。,3.1.1 管网中的流态分析,3.1 给水排水管网水流特征,3.1.2 恒定流与非恒定流,给水排水管网中，水流水力因素随时间变化，特别是雨水排水及合流制排水管网，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：水体在运动过程中，其各点的流速和压力 不随时间而变化。,非恒定流：水体各点的流速和压力随时间而变化的流动。,3.1 给水排水管网水流特征,3.1.2 恒定流与非恒定流,t0时刻,3.1 给水排水管网水流特征,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。,非均匀流：液体质点流速的大小和方向沿流程变化， 水流参数随空间变化。,均匀流： 液体质点流速的大小和方向沿流程不变。,3.1.3 均匀流与非均匀流,3.1 给水排水管网水流特征,3.1.3 均匀流与非均匀流,均匀流,均匀流,非均匀流,均匀流,非均匀流,均匀流,非均匀流,渐变流,急变流,急变流,非均匀流,急变流,3.1 给水排水管网水流特征,3.1.3 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。,水头是指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水头损失：流体克服流动阻力所消耗的机械能。,3.1 给水排水管网水流特征,3.1.3 水流的水头与水头损失,3.2 管渠水头损失计算,对于任意形状管渠断面，谢才（Chezy）公式式中：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,3.2 管渠水头损失计算,3.2.1 沿程水头损失计算,对于圆管满流，达西-韦伯（Darcy Weisbach）公式：式中：D管段直径，m； g 重力加速度，m/s2； 沿程阻力系数， =8g/C2,谢才系数或沿程阻力系数的确定,（1）柯尔勃洛克-怀特（Colebrook-White）公式 适用于各种流态，是适用性和计算精度最高的公式之一。 式中：e 管壁当量粗糙度，m。,谢才系数或沿程阻力系数的确定,常用管材内壁当量粗糙度e (mm) 表3.1,谢才系数或沿程阻力系数的确定,谢才系数或沿程阻力系数的确定,（2）海曾-威廉（Hazen-Williams）公式 适用于较光滑的圆管满流管紊流计算，主要用于给水管道水力计算。 式中： q流量，m3/s； Cw海曾-威廉粗糙系数。,谢才系数或沿程阻力系数的确定,海曾-威廉系数Cw值 表3.2,海曾-威廉系数的修正,海曾-威廉系数与流速V的0.081次方成反比，即：,式中：v00.9m/s，Cw0为表3.2中推荐值，v为实际流速，Cw为与v对应的系数。,谢才系数或沿程阻力系数的确定,（3）曼宁（Manning）公式引入曼宁粗糙系数n，适用于明渠、非满管流或较粗糙的管道计算。代入谢才公式和达西-韦伯公式： 式中：n曼宁公式粗糙系数; I 水力坡度，hf / l。,谢才系数或沿程阻力系数的确定,（4）巴甫洛夫斯基公式 适用于明渠流、非满管流或较粗糙的管道计算。,柯尔勃洛克-怀特公式适用于较广的流态范围具有较高的精度;巴甫洛夫斯基公式具有较宽的适用范围，1.0e 5.0mm;曼宁公式适用于较粗糙的管道, 0.5e 4.0mm;海曾-威廉公式适用于较光滑的管道,e 0.25mm;,3.2 管渠水头损失计算,3.2.2 沿程水头损失计算公式的比较与选用,3.2 管渠水头损失计算,3.2.3 局部水头损失计算,式中：hm沿程水头损失，m； 局部阻力系数；,局部阻力系数 表3.5,3.2 管渠水头损失计算,3.2.4 水头损失公式的指数形式,式中：k、n、m指数公式的参数。见表3.6； 比阻，即单位管长的摩阻系数，=k/Dm； Sf摩阻系数，Sf=l=kl/Dm。,沿程水头损失计算公式的指数形式：,沿程水头损失指数公式的参数 表3.6,3.2 管渠水头损失计算,3.2.4 水头损失公式的指数形式,局部水头损失计算公式的指数形式：,沿程水头损失与局部水头损失之和：,式中： Sm局部阻力系数； Sg管道阻力系数；,污水管道按不满流设计的原因：,（1）流量时刻变化，很难确定计算，而且雨水、地下水可能通过检查井盖或管道接口渗入污水管道。因此，要保留一部分管道断面，为未预见的水量留有余地，避免污水逸出，妨碍环境卫生，同时使渗入的地下水顺利流泻。（2）污水管道内沉积的污泥可能分解出一些有害气体。此外，污水中如含有汽油、苯、石油等易燃液体时，可能形成爆炸性气体。故需要留出适当的空间，以利于管道的通风，排除有害气体。（3）管道非满流时，管道内水流速度在一定条件下比满流大一些。流速大，有利于冲刷淤泥。,在排水管网中，污水管道一般采用非满管流设计，雨水管网一般采用满管流设计，,3.3 非满流管渠水力计算,3.3 非满流管渠水力计算,图3.1 圆形管道非满管流和满管流示意图（a）非满管流；（b）满管流,图3.2 圆形管道充满度示意图,（a)非满管流,（b)满管流,3.3 非满流管渠水力计算,非满管流水力计算的目的：确定管段流量(q)、流速(v)、断面尺寸()、充满度(y/D)和坡度之间(I)的关系。,1）图表分析法 2）解析计算法,3.3.1 非满管流水力计算公式,3.3 非满流管渠水力计算,设管径为D，管内水深为y，充满度为y/D，由管中心到水面线两端的夹角计算公式：,式中，的单位为弧度。,充满度y/D指设计流量下，管 道内的有效水深与管径的比值。 过水断面 A=A(D, y) 水力半径 R=R(D, y) 流量,1）图表分析法：,设该管道的坡度为I，满管流的湿周、水力半径、过水断面面积、流速和流量分别为0、A0、R0、q0和v0，非满管流湿周、水力半径、过水断面面积、流速和流量分别为0、A0、R0、q0和v0,3.3 非满流管渠水力计算,任意充满度下的水力半径R、过水断面面积A、流量q和流速v与满管流A0、R0、q0和v0的比值关系图,图3.3 非满流圆管水力特性,y/D,3.3 非满流管渠水力计算,当流量q、管径D、坡度I和粗糙系数n已知时，可以推导得出管中心到水面线两端的夹角隐函数计算式，可以近似设定夹角的初值，采用迭代法计算。公式如下：,下式可以用于直接计算管道的水力坡度：,注： 的单位为弧度。,2）解析计算法：,一、已知流量 q、管径 D 和水力坡度 I ，求充满度 y/D 和流速v1、先由下式计算 q/q0，反查表 3.7 得充满度y/D;,2、根据充满度y/D，查表3.7得A/A0，然后用下式计算流速v。,3.3 非满流管渠水力计算,3.3.2 非满管流水力计算方法,解 用粗糙度系数、管径和水力坡度计算：反查表3.7的充满度y/D=0.56，相应A/A0=0.587,例3.1 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0.007，初拟采用管径D=400mm的钢筋混凝土管，粗糙系数n=0.014，求其充满度y/D和流速v。,3.3 非满流管渠水力计算,二、已知流量q、管径D和充满度y/D，求水力坡度I和流速v1、先根据充满度y/D查表3.7求出q/q0，然后用下式计算水力坡度I2、根据充满度y/D查表3.7得A/A0，然后用下式求流速v。,3.3 非满流管渠水力计算,三、已知流量q、水力坡度I和充满度y/D，求管径D和流速v1、根据充满度y/D查表3.7得q/q0，然后用下式计算管径D2、根据充满度y/D查表3.7求出A/A0，然后用下式计算流速v,3.3 非满流管渠水力计算,3.4 管道的水力等效简化,采用水力等效的原理，将局部管网简化成简单的形式。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；泵站多台水泵并联工作可以等效为单台水泵。,根据水力等效的原则：简化成一条后，在相同的总输入流量下，应具有相同水头损失。,l1 l2 lNd1 d2 dN,3.4.1 串联管道的简化,l,将它们等效为一条直径为d，长度为l=l1+l2+lN的管道，输送流量为q,3.4 管道的水力等效简化,将它们等效为一条直径为d，长度为l的管道，输送流量q=q1+q2+qN。,d1 q1d2 q2dN qN,q,当管径相等时：,3.4 管道的水力等效简化,3.4.2 并联管道的简化,3.4 管道的水力等效简化,【例3.4】 两条相同直径管道并联使用，管径分别为DN200、 DN300、 DN400、 DN500、 DN600、 DN700、 DN800、 DN900、 DN1000和DN1200，试计算等效管道直径。,【解】 采用曼宁公式计算水头损失，n=2，m=5.333。如果两条DN500管道并联，等效管道直径为：,各并联管道直径如下表：,3.4 管道的水力等效简化,3.4.3 沿线均匀出流的简化,比流量qs：用水量均匀地分配在全部有效干管长度上，由此计算出的单位长度干管承担的供水量。沿线流量ql：干管有效长度与比流量的乘积。,管段的流量都由两部分组成，一部分是本管段沿程配水产生的流量，即沿线流量ql ，另一部分是通过该管段输送到下游管段的流量，称为转输流量qt 。,假设沿线出流均匀，则管道内任意断面x上的流量可以表示为：沿程水头损失计算如下：,3.4 管道的水力等效简化,节点流量：沿线流量只有概念上的意义，在水力计算时应将沿线流量按适当比例分配到两各节点，成为节点流量。沿线流量转换成节点流量的原则是管段的水头损失相同。,3.4 管道的水力等效简化,流量折算系数,为简化计算，将沿线流量ql分为两个集中流量，分别转移到管段的两个节点。假设转移到末端的流量为ql，则通过管道流量为：水头损失为：,3.4 管道的水力等效简化,根据水力等效原则：,3.4 管道的水力等效简化,的变化范围为0.50.577，一般地，在靠近管网起端的管段，因转输流量比沿线流量大得多，值接近于0.5结论：管道沿线出流的流量可以近似地一分为二，平均分配到管段的两个端点上，由此造成的计算误差在工程上是允许的。,可将局部水头损失等效于一定长度的管道（称为当量管）的沿程水头损失，从而与沿程水头损失合并计算。,3.4 管道的水力等效简化,3.4.3 局部水头损失计算的简化,ld当量管长度(m)。,3.5 水泵与泵站水力特性,3.5.1 水泵水力特性公式及其参数计算,扬程：水泵提供给单位重量水的机械能（mH2O）。水泵水力特性：表征水泵流量和扬程的关系，如下：,（1）额定转速泵水力特性 （2）调速水泵水力特性（3）考虑吸水和压水管路阻力后水力特性,式中：hp水泵扬程，m； qp水泵流量，m3/s； he水泵静扬程，m； sp水泵内阻系数； n与水头损失计算指数 公式相同的指数。,（1）额定转速泵水力特性,3.5 水泵与泵站水力特性,静扬程he和内阻系数sp的确定（最小二乘法）,（1）额定转速泵水力特性,式中 N数据组数,3.5 水泵与泵站水力特性,3.5 水泵与泵站水力特性,【例3.6】从水泵样本中查得300S58型水泵的流量与扬程关系见表，试求水力特性公式。,【解】由表中数据：,qpihpi,3.5 水泵与泵站水力特性,代入公式：,即300S58型水泵水力特性为：,部分常用型号水泵的水力特性公式参数见表3.10,（2）调速水泵水力特性,式中 r0水泵额定转速，r/min; r水泵工作转速， r/min。水泵的静扬程与转速比的平方成正比；改变水泵转速改变水泵静扬程，不改变内阻。,3.5 水泵与泵站水力特性,（3）考虑吸水和压水管路阻力后水力特性,3.5 水泵与泵站水力特性,式中 sg吸水和压水管路总摩阻系数。,吸、压水管路的阻力与水 泵内部的阻力一样，都具 有降低水泵有效扬程作用。静扬程he是水泵提供的能 量，而spqpn和sgqpn分别是水 泵内部和外部吸、压水管道 上消耗的能量（水头损失）,（3）考虑吸水和压水管路阻力后水力特性,3.5 水泵与泵站水力特性,式中 sg吸水和压水管路总摩阻系数。,Sg ?,3.5.2 并联泵站水力特性公式,（1）同型号水泵并联,3.5 水泵与泵站水力特性,如果考虑吸、压水管路的阻力，则多台水泵并联的水力特性为：,式中 N并联工作的水泵台数。,（2）不同型号水泵并联查水泵样本，找出共同的高效扬程段；选取2个以上不同扬程值，求出不同水泵对应的流量值，相加得出各扬程对应的总流量；以上述扬程、流量为数据，采用最小二乘法得出水泵并联水力特性公式。,3.5 水泵与泵站水力特性,3.5 水泵与泵站水力特性,【例3.7】某泵站有3台水泵并联工作，分别为300S58型1台，500S59型2台，其中一台以90%转速调速工作；300S58型水泵吸水管直径为DN500，压力管为DN400，500S59型水泵吸水管为DN700，压水管为DN600；吸水管局部阻力系数共计1.52（吸水口一个、闸阀一个、偏心异径管一个），压水管局部阻力系数共计1.62（异径管一个、闸阀一个、止回阀一个）；吸水和压水管路均不计沿程水头损失。试求泵站水力特性公式。,【解】采用曼宁公式计算水头损失，n=2，先求出300S58和500S59两型号的水泵的水力特性公式参数，直接查表3.10得300S58和和500S59型水泵的水力特性公式为：,3.5 水泵与泵站水力特性,只计局部阻力，则吸、压水管道的摩阻为：,对于300S58和和500S59型水泵的吸、压水管道，摩阻分别为：,于是，包含吸、压水阻力后，300S58型水泵、 500S59型水泵和500S59型水泵以90%转速工作是的水力的特性分别为：,3.5 水泵与泵站水力特性,在高效段内分别取扬程值65m、60m、55m，代入上述3式，求得每台泵流量及总流量：,可得出关于he及sp的方程组：,习题,P68 2、3、6,