给水管网设计之水力学基础.doc

给水管网设计之水力学基础水力学是流体力学的一个分支，包括三部分内容：水静力学、水运动学和水动力学。水静力学研究水在静止状态下的受力平衡及工程应用，解决的是压强与压力问题，如水池池壁的静水压力计算等。水运动学研究水的运动要素（如位移、速度、加速度等）及其变化规律，不涉及受力问题。水动力学研究水的运动要素与引起运动的动力要素（即作用力）之间的相互关系，是水力学的重点内容。水力学有三大基本方程：连续性方程、能量方程和动量方程。连续性方程是物理学质量守恒定律在水力学中的具体体现，通俗地讲就是流量平衡。对一段管道，当断面1与断面2之间无流量进出时，恒有。此恒等式与管径大小、管道材质及管道布置方式等无关。连续性方程对管网结点同样成立，即流入与流出结点的流量代数和恒为零。能量方程又称伯努利方程，是物理学机械能守恒定律在水力学中的具体体现。能量方程从本质上讲体现的是水在运动过程中各机械能之间的守恒关系，包括三项：位能（又称势能）、压能和动能。在恒定总流能量方程中，用作用水头（计量单位为m）来表示，公式如下： 式中，为位置水头；为压强水头（为断面压强，为水的密度，为重力加速度）；为流速水头（为动能修正系数，为断面流速）；为水头损失。位置水头与压强水头之和称为测压管水头，测压管水头与流速水头之和称为总水头。动量方程是物理学动量守恒定律在水力学中的具体体现。动量定义为质量与速度的乘积（），是矢量。恒定总流动量方程为，式中为动量修正系数，为合外力。动量方程用于动力学分析，如管道弯管处的受力分析。在给水管网设计中，如何计算水头损失是一个重要课题。水头损失包括两类：沿程水头损失和局部水头损失。沿程水头损失与管道长度、直径、材质及管内流速等有关，局部水头损失取决于流道局部扰动引起的流场结构调整，如收缩、扩张、弯曲等。实际工程中的管网布置有树状与环状之分，其中的管段又有串联与并联之别，其流量分配与压力平衡等均应根据实际情况进行计算。管道水流根据是否存在压力而分为有压与无压两类，一般的给水管道均属于有压管道（当压力等级较高时应考虑水击问题）。管道设计的主要任务是求解管道流量、流速与压力（或称作用水头），并由此确定管道的设计管径。管径选择中有一个经济流速问题，一般情况下DN100400管其经济流速为0.61.0 m/s，DN400管以上为1.01.4 m/s。此外，管径选择还与管道材质有关，因为不同的管材其水头损失并不相同，由此对管内流速会产生一定影响。