城市给水排水管段流量管径和水头损失.pptx

第第5 5章章 管段流量、管径和水头损失管段流量、管径和水头损失5.1 5.1 管网计算的课题管网计算的课题 内内 容：容：求出所有管道的直径、水头损求出所有管道的直径、水头损失、水泵扬程和水塔高度。并对事故时、消失、水泵扬程和水塔高度。并对事故时、消防时、最大转输时的水泵扬程进行较核。防时、最大转输时的水泵扬程进行较核。重要性：重要性：管道工程的建设投资占整个给管道工程的建设投资占整个给水系统总投资的水系统总投资的 6080%，输配水所需，输配水所需的动力费用占给水系统运行总费用的的动力费用占给水系统运行总费用的4070%。步骤：步骤：绘制计算草图，对节点和管段顺序编号，绘制计算草图，对节点和管段顺序编号，标明管段长度和节点地形标高；标明管段长度和节点地形标高；按最高日最高时计算比流量、沿线流量和按最高日最高时计算比流量、沿线流量和节点流量；节点流量；对各管段拟定水流方向，进行流量分配；对各管段拟定水流方向，进行流量分配；初步确定各管段的管径和水头损失；初步确定各管段的管径和水头损失；进行管网水力计算和技术经济计算；进行管网水力计算和技术经济计算；确定水塔高度和水泵扬程；确定水塔高度和水泵扬程；根据管网各节点的压力和地形标高，绘制根据管网各节点的压力和地形标高，绘制等水压线和自由水压线图。等水压线和自由水压线图。5.2 5.2 管网图形及简化管网图形及简化 管网图形：管网图形：根据图论的基本原理，图由根据图论的基本原理，图由“弧弧”和和“顶点顶点”两部分组成。给水管网的两部分组成。给水管网的几何图形可以抽象地认为是由管段和节点构几何图形可以抽象地认为是由管段和节点构成的有向图，如将管段看成成的有向图，如将管段看成“弧弧”，节点看，节点看成成“顶点顶点”，则管网本身也是一种，则管网本身也是一种“图图”。管网图形中每个节点通过一条或多条管管网图形中每个节点通过一条或多条管段和其他节点相连接。如果舍去后，会破坏段和其他节点相连接。如果舍去后，会破坏“图图”的连续性的管段，称为的连续性的管段，称为联系管段联系管段。去。去除后会破坏除后会破坏“图图”的连续性的节点，称为的连续性的节点，称为铰铰点点。铰点铰点联系管段联系管段 节点：节点：有集中流量进出、管道合并或有集中流量进出、管道合并或分叉以及边界条件发生变化的地点分叉以及边界条件发生变化的地点 管段：管段：两个相邻节点之间的管道两个相邻节点之间的管道 管线：管线：顺序相连的若干管段顺序相连的若干管段 环：环：起点与终点重合的管线起点与终点重合的管线 基环：基环：不包含其它环的环不包含其它环的环 大环：大环：包含两个或两个以上基环的环包含两个或两个以上基环的环管段管段基环基环节点节点管线管线大环大环 在保证计算结果接近实际情况的前提下，在保证计算结果接近实际情况的前提下，为方便计算可对管线进行适度简化。为方便计算可对管线进行适度简化。忽略：忽略：管网中主要起联络作用的管段，管网中主要起联络作用的管段，由于正常运行时流量很小，对水力条件的影由于正常运行时流量很小，对水力条件的影响很小，计算时可以忽略。响很小，计算时可以忽略。分解：分解：只有一条管段连接的两个管网可只有一条管段连接的两个管网可分解成两个管网进行计算；管网末端水流方分解成两个管网进行计算；管网末端水流方向确定的部分可分开计算；环状网上接出的向确定的部分可分开计算；环状网上接出的树状网分开计算。树状网分开计算。节点合并：节点合并：距离很近的两个节点计算时距离很近的两个节点计算时可视为一个节点。可视为一个节点。管段合并：管段合并：长度近似相等、彼此几长度近似相等、彼此几乎平行且相距很近的两条管段计算时可乎平行且相距很近的两条管段计算时可合并。合并。等效管段的比阻：等效管段的比阻：等效管段的长度：等效管段的长度：节点节点合并合并管段合并管段合并分解分解忽略忽略5.3 5.3 沿线流量和节点流量沿线流量和节点流量 比流量：比流量：为简化计算而将除去大用户集为简化计算而将除去大用户集中流量以外的用水量均匀地分配在全部中流量以外的用水量均匀地分配在全部有效有效干管长度干管长度上，由此计算出的单位长度干管承上，由此计算出的单位长度干管承担的供水量。担的供水量。城镇中用水量标准不同的区域应分别计城镇中用水量标准不同的区域应分别计算比流量。算比流量。公园公园街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊 沿线流量：沿线流量：干管有效长度与比流量的干管有效长度与比流量的乘积。乘积。按管道长度计算的比流量不能反映供按管道长度计算的比流量不能反映供水人数和用水量的差别，可采用按面积计水人数和用水量的差别，可采用按面积计算比流量的方法。算比流量的方法。管网中除最末端的管段外，其他任一管段管网中除最末端的管段外，其他任一管段的流量都由两部分组成，一部分是本管段沿程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，即配水产生的流量，即沿线流量沿线流量，另一部分是通，另一部分是通过该管段输送到下游管段的流量，称为过该管段输送到下游管段的流量，称为转输流转输流量量。节点流量：节点流量：沿线流量只有概念上的意沿线流量只有概念上的意义，在水力计算时应义，在水力计算时应将沿线流量按适当比将沿线流量按适当比例分配到两各节点例分配到两各节点，成为节点流量。沿线，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流量转换成节点流量的原则是管段的水头损失相同。损失相同。集中流量处理：集中流量处理：5.4 5.4 管段计算流量管段计算流量 树状管网的管段流量具有唯一性。树状管网的管段流量具有唯一性。泵站泵站56385646273545286142733341217726234775 环状管网环状管网满足连续性条件满足连续性条件的流量分配方的流量分配方案可以有无数多种。案可以有无数多种。15101312181617141976125271485819123359134602495111357301024985.5 5.5 管径计算管径计算 管道直径、管段计算流量和水流速度管道直径、管段计算流量和水流速度之间满足以下关系：之间满足以下关系：在确定的计算流量下，管道直径是流在确定的计算流量下，管道直径是流速的函数：速的函数：从从技术上技术上考虑，水流的最大速度应不超考虑，水流的最大速度应不超过过2.53.0米米/秒（防止水锤），最小速度秒（防止水锤），最小速度不得小于不得小于0.6米米/秒（防止沉积）。秒（防止沉积）。从从经济上经济上考虑，较大的水流速度可减小考虑，较大的水流速度可减小管道直径，降低工程造价；但由于水流速度管道直径，降低工程造价；但由于水流速度大而会导致水头损失增加，从而加大运行的大而会导致水头损失增加，从而加大运行的动力费用。合理的流速应该使得在一定年限动力费用。合理的流速应该使得在一定年限（投资偿还期）内管网造价与运行费用之和（投资偿还期）内管网造价与运行费用之和最小。最小。设设Wt为总费用，为总费用，C为管网造价，为管网造价，M1为为年度运行电费，年度运行电费，M2为年折旧费用，为年折旧费用，t为投资为投资偿还年限。则有：偿还年限。则有：投资偿还期内的投资偿还期内的年度总费用年度总费用为：为：DeM1VeWM1WVW0DW0管径管径（mm）平均经济流速平均经济流速（m/s）D=100400D4000.60.90.91.45.6 5.6 水头损失计算水头损失计算 流量和水头损失的关系：流量和水头损失的关系：均匀流基本公式：均匀流基本公式：1.舍维列夫公式（适用于旧铸铁管和旧钢管）舍维列夫公式（适用于旧铸铁管和旧钢管）2.巴甫洛夫斯基公式（适用于混凝土管、钢巴甫洛夫斯基公式（适用于混凝土管、钢筋混凝土管和渠道）筋混凝土管和渠道）对于混凝土管和钢筋混凝土给水管，当对于混凝土管和钢筋混凝土给水管，当n0.02时，时，y值可采用值可采用1/6。3.海曾海曾威廉公式威廉公式水管种类水管种类海曾海曾-威廉系数威廉系数C塑料管塑料管新铸铁管、涂沥青或水泥的铸铁管新铸铁管、涂沥青或水泥的铸铁管混凝土管、焊接钢管混凝土管、焊接钢管旧铸铁管和旧钢管旧铸铁管和旧钢管1501301201004.柯尔勃洛克公式柯尔勃洛克公式水管种类水管种类粗糙系数粗糙系数k（mm）涂沥青铸铁管涂沥青铸铁管涂水泥铸铁管涂水泥铸铁管涂沥青钢管涂沥青钢管镀锌钢管镀锌钢管石棉水泥管石棉水泥管离心法钢筋混凝土管离心法钢筋混凝土管塑料管塑料管0.050.1250.500.050.1250.030.040.040.250.010.035.8 5.8 管网计算基础方程管网计算基础方程 目的：目的：确定各水源节点的供水量、各管段确定各水源节点的供水量、各管段的流量和管径、全部节点的水压。的流量和管径、全部节点的水压。多水源环状管网的管段数多水源环状管网的管段数、节点数、节点数、基环数基环数和水源数和水源数满足列关系：满足列关系：+-单水源环状管网：单水源环状管网：+-1-1 树状管网：树状管网：-1-1 管网水力计算时，节点流量、管段长度管网水力计算时，节点流量、管段长度为已知，需要确定管道的直径和流量，有为已知，需要确定管道的直径和流量，有2P2P个未知数，利用经济流速确定流量与直径的个未知数，利用经济流速确定流量与直径的关系，实际上只要求解个未知数。关系，实际上只要求解个未知数。管网中的水流必须符合质量守恒和能量管网中的水流必须符合质量守恒和能量守恒原理，即满足连续方程和能量方程。独守恒原理，即满足连续方程和能量方程。独立的连续性方程数为个，独立的能量立的连续性方程数为个，独立的能量方程数为个，共计个。方程数为个，共计个。个节点连续性方程：个节点连续性方程：qi为节点流量，为节点流量，qij为管段流量，离开节为管段流量，离开节点为正，流向节点为负。点为正，流向节点为负。个基环能量方程：个基环能量方程：hij为管段水头损失，顺时针方向为正，为管段水头损失，顺时针方向为正，逆时针方向为负。逆时针方向为负。5.9 5.9 管网计算方法分类管网计算方法分类 在管网水力计算时，根据求解的未知在管网水力计算时，根据求解的未知敷是管段流量还是节点水压，可以分为解敷是管段流量还是节点水压，可以分为解环方程、解节点方程和解管段方程三类。环方程、解节点方程和解管段方程三类。解环方程：解环方程：管网经流量分配后，各节管网经流量分配后，各节点已满足连续性方程，可是由该流量求出点已满足连续性方程，可是由该流量求出的管段水头损失，的管段水头损失，并不同时满足并不同时满足L个环的个环的能量方程，为此必须多次将各管段的流量能量方程，为此必须多次将各管段的流量反复调整，直到满足能量方程，从而得出反复调整，直到满足能量方程，从而得出各管段的流量和水头损失。各管段的流量和水头损失。解节点方程：解节点方程：在假定每一节点水压的在假定每一节点水压的条件下，应用连续性方程以及管段压降方条件下，应用连续性方程以及管段压降方程，通过计算求出每一节点的水压。节点程，通过计算求出每一节点的水压。节点水压已知后，即可以从任一管段两端节点水压已知后，即可以从任一管段两端节点的水压差得出该管段的水头损失，进一步的水压差得出该管段的水头损失，进一步从流量和水头损失之间的关系算出管段流从流量和水头损失之间的关系算出管段流量。量。解管段方程：解管段方程：应用连续性方程和能量应用连续性方程和能量方程，求得各管段流量和水头损失，再根方程，求得各管段流量和水头损失，再根据已知节点水压求出其余各节点水压。据已知节点水压求出其余各节点水压。