管段流量管径水头损失.pptx

Water Pollution Control Engineering2012-1-141在给水工程总投资中，输水管渠和管网所占费用(包括管道、阀门、附属设施等)约占70%80%。新建和扩建的城市管网按最高时用水量计算。对多种方案进行管网计算，可得到最佳给水管网方案。5.1 管网计算的课题管网计算的课题4计算步骤1.求沿线流量和节点流量；2.求管段计算流量；3.确定各管段的管径和水头损失；4.进行管网水力计算或技术经济计算；5.确定水塔高度和水泵扬程。Water Pollution Control Engineering2012-1-142给水管线遍布在街道下，管线多、管径差别大，将全部管线一律加以计算，实际上没有必要，也不可能。新设计管网的定线和计算仅限于干管而不是全部管线。改建和扩建管网的计算可对实际管网适当简化，保留主要的干管，略去一些次要的、水力条件影响较小的管线。5.2 管网图形及简化管网图形及简化4管网图形简化管网图形简化就是在保证计算结果接近实际情况，对管线进行简化，以减轻计算工作量。Water Pollution Control Engineering2012-1-143管网分解：两管网由一条或两条管线连接，可把连接线断开，分解成两个管网。管线合并：管径较小、相互平行且靠近的管线。管线省略：水力条件影响较小、管径相对较小的管线。4管网简化方法5.2 管网图形及简化管网图形及简化Water Pollution Control Engineering2012-1-1445.2 管网图形及简化管网图形及简化.管线简化示意600400300300100100250250250250250250300300300300300200200200200200200200200200200250300300400400300250250250200200200200150100100100100100100100100100100100100150150150150150150150150150150150150150150150150150150150150200200200200200250100100100100100150150150150150150150100100150150100100100100150分解分解分解分解合并合并合并省略省略合并节点合并省略合并Water Pollution Control Engineering2012-1-145从沿线流量折算得出的,并且假设是在节点集中流出的流量。5.3 沿线流量和节点流量沿线流量和节点流量4管网计算术语节点有集中流量进出、管道合并或分叉以及边界条件发生变化的地点,包括水源节点(泵站、水塔)、管线交接点、两管段交点。管段两个相邻节点之间的管道顺序相连的若干管段管线环起点与终点重合的管线基环不包含其它环的环大环包含两个或两个以上基环的环沿线流量节点流量指供给该管段两侧用户所需流量Water Pollution Control Engineering2012-1-146工业企业的给水管网，大量用水集中在少数车间，配水情况简单。城市给水管线的干管和分配管上接出许多用户，沿管线配水，有数量少但用水量大的工厂、机关、旅馆等单位用水，也有数量多但水量少的居民用水，情况复杂。沿线有数量较多的用户用水q1，q2，等，也有分配管的流量Q1，Q2，等。5.3 沿线流量和节点流量沿线流量和节点流量4沿线流量.沿线流量分布情况Q2 q1 q2 q3 q4 q5 Q3 Q4 q6 q7 干管Q1 分配管Water Pollution Control Engineering2012-1-147因用户用水量经常变化，按照实际用水情况来计算管网，没有必要也少有可能，因此，计算时往往加以简化。5.3 沿线流量和节点流量沿线流量和节点流量比流量(qs)是假定用水量均匀分布在全部干管上，由此算出干管线单位长度的流量。.比流量qs:比流量;Q:管网总用水量;q:大用户集中用水量总和;l:干管总长度;ql:沿线流量;l:管段长度。.沿线流量Water Pollution Control Engineering2012-1-148干管的总长度一定时，比流量随用水量增减而变化，最高用水时最高用水时和最大转输时最大转输时的比流量不同，所以在管网计算时须分别计算。城市内人口密度或房屋卫生设备条件不同的地区，也应该根据各区的用水量和干管线长度，分别计算其比流量，以得出比较接近实际用水的结果。若沿线供水人数和用水量的差别较大时，采用该管段的供水面积代替管段总长度计算比流量，结果比较准确，但计算较复杂。供水面积可用等分角线的方法划分街区。5.3 沿线流量和节点流量沿线流量和节点流量1说明Water Pollution Control Engineering2012-1-149沿线流量沿线流量(ql)转输流量转输流量(qt)本管段沿程配水产生的流量,顺水流方向逐渐减小通过该管段输送到下游管段的流量,沿整个管段不变4节点流量5.3 沿线流量和节点流量沿线流量和节点流量.管段流量按沿线流量计算时,管段的流量是变化的,难以确定管径和水头损失。将沿线流量转化为节点流出节点流出的流量,即沿管线没有流量流出,管段的流量不再沿管线变化，由此可计算管径和水头损失。Water Pollution Control Engineering2012-1-1410将沿线流量按适当比例分配到两个节点上，转换成从两个节点流出的流量，就成为节点流量。.节点流量.沿线流量转换成节点流量的原则管段的水头损失相同求出一个沿线不变的折算流量q，使它产生的水头损失等于实际上沿管线变化的流量。5.3 沿线流量和节点流量沿线流量和节点流量Water Pollution Control Engineering2012-1-1411在1，2两节点之间，管长为l的管段中的沿线流量顺水流方法逐级减少，节点1处的流量为qt+ql，节点2处的流量为qt，管段12中任一断面的流量为qx(图中红线)。用节点流量表示时，仅从仅从节点1，2两节点处出流，1和2之间的管段流量不变为q(图中绿线)。假定节点2的流量为ql，则节点1的流量为(1-)ql，从图可以看出 q=qt+ql。:折算系数，是把沿线变化的流量折算成在管段两端节点流出的流量，即节点流量系数。qt+ql 1xdxlqt(1-)ql qqlq12qtqlqx5.3 沿线流量和节点流量沿线流量和节点流量Water Pollution Control Engineering2012-1-14125.3 沿线流量和节点流量沿线流量和节点流量.求解折算系数()qt+ql 1xdxLqt(1-)q1 qq1q12qtqlqxWater Pollution Control Engineering2012-1-14135.3 沿线流量和节点流量沿线流量和节点流量折算系数只与=qt/ql有关：2在管网末端的管段，转输流量qt=0，=0.577；2转输流量远大于沿线流量的管段，=0.5为方便管网计算，通常为统一采用=0.5。任一节点i的节点流量等于与该节点相连各管段的沿线流量qi总和的一半，即 。工业企业等大用户的流量或用水量大的车间流量可直接作为节点流量。管网图上的流量主要表示为由沿线流量折算的节点流量和大用户的集中流量。P34例题1说明Water Pollution Control Engineering2012-1-1414泵站563856462735452861427333412177262347154单水源的树状网的流量分配树状管网的管段流量具有唯一性,任一管段的流量等于该段以后所有节点流量的总和。5.4 管段计算流量管段计算流量Water Pollution Control Engineering2012-1-14155.4 管段计算流量管段计算流量4环状网的流量分配任一节点的流量包括节点流量、流向和流离该节点管段流量。分配流量应保持每一节点的水流连续性，满足节点流量平衡，即流向任一节点的流量等于流离该节点的流量，。在流量分配时，使环状网中某些管段的流量为零，即将环状网改成树状网，才能得到最经济的流量分配，但是树状网并不能保证可靠供水。环状网流量分配时，应同时照顾经济性和可靠性，即在满足可靠性的要求下，力求管网最为经济。2经济性是指流量分配后得到的管径，应使一定年限内的管网建造费用和管理费用为最小。2可靠性是指能向用户不间断地供水，并且保证应有的水量、水压和水质。Water Pollution Control Engineering2012-1-1416按照管网的主要供水方向，初步拟定各管段的水流方向，并选定整个管网的控制点。4控制点是管网正常工作时和事故时必须保证所需水压的点，一般选在给水区内离二级泵站最远或地形较高之处）。从二级泵站到控制点之间选定几条主要的平行干管线。4这些平行干管中尽可能均匀地分配流量，并且符合水流连续性(满足节点流量平衡)的条件。这样，当其中一条干管损坏、流量由其它干管转输时，不会使这些干管中的流量增加过多。和干管线垂直的连接管可分配较少的流量。4连接管的作用主要是沟通平行干管之间的流量，有时起一些输水作用、有时只是就近供水到用户，平时流量一般不大、只有在干管损坏时才转输较大的流量。.环状网流量分配步骤5.4 管段计算流量管段计算流量Water Pollution Control Engineering2012-1-1417例例5.4 管段计算流量管段计算流量1510131218161714197612527148581912335913460249511135730102498Water Pollution Control Engineering2012-1-14185.5 管径计算管径计算4管径计算管段的直径应按分配后的流量确定从技术上考虑，水流的最大速度应不超过2.53.0 m/s(防止水锤)，最小速度不得小于0.6 m/s(防止沉积)。从经济上考虑，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（投资偿还期）内管网造价与运行费用之和最小。.水流速度的选择4经济管径的确定Water Pollution Control Engineering2012-1-1419DeM1WDW0.管网费用分析5.5 管径计算管径计算Wt：总费用；C：管网造价；M1：年度运行电费；M2：年折旧费用；p：管网折旧和大修费；t：投资偿还年限。1投资偿还期内的年度总费用W1投资偿还年限内的总费用Wt1年折旧费与管径的关系Water Pollution Control Engineering2012-1-1420管径管径（mm）平均经济流速平均经济流速（m/s）D=1004000.60.9D4000.91.4VeM1WVW01年折旧费与流速的关系.平均经济流速5.5 管径计算管径计算Water Pollution Control Engineering2012-1-1421.均匀流基本公式4流量和水头损失的关系.管段的沿程水头损失C:谢才系数,m1/2s;i:水力坡度;R:水力半径,m;:阻力系数，a:比阻，q:流量;l:管段长度；s:水管摩阻，s=al。5.6 水头损失计算水头损失计算Water Pollution Control Engineering2012-1-14225.6 水头损失计算水头损失计算.水头损失一般公式当n=2时,h=alq2=sq2。给水管的水流流态分为三种情况：2阻力平方区(n=2)，此时比阻a值仅和管径及水管内壁粗糙度有关，而和Re数无关，例如旧铸铁管和旧钢管在流速v1.2 m/s时或金属管内壁无特殊防腐措施时，就属于这种情况；2过渡区(n=1.752)，此时，比阻a值和管径、水管内壁粗糙度以及Re数有关，例如旧铸铁管和旧钢管在流速。v1.2 m/s时以及石棉水泥管在各种流速时的情况；2水力光滑区(n=1.75)，此时比阻a值和管径及Re数有关，但和水管内壁粗糙度无关，例如应用塑料管和玻璃管时。Water Pollution Control Engineering2012-1-1423.舍维列夫公式适用于旧铸铁管和旧钢管当v1.2 m/s时,当v1.2 m/s时，将 代入上式得：比较 hij=li=alq2 得：a=i/q2令 得：由不同管径和流速可算得a,K值,列表于表5-2,表5-3中。实际计算时,只需将q,D以及表中的a,K值代入公式计算,即可求出h。5.6 水头损失计算水头损失计算4水头损失的实际计算Water Pollution Control Engineering2012-1-1424.巴甫洛夫斯基公式适用于混凝土管、钢筋混凝土管和渠道对于混凝土管和钢筋混凝土给水管，当n0.02时，y值可采用1/6。当n取不同的值时，将 代入 得：由不同管径和粗糙度可算得a,值,列表于表5-4。实际计算时,只需将q,D以及表中的a值代入公式计算,即可求出h。5.6 水头损失计算水头损失计算Water Pollution Control Engineering2012-1-1425.海曾-威廉公式水管种类海曾-威廉系数C塑料管150新铸铁管、涂沥青或水泥的铸铁管130混凝土管、焊接钢管120旧铸铁管和旧钢管100西方国家应用较多5.6 水头损失计算水头损失计算Water Pollution Control Engineering2012-1-1426.柯尔勃洛克公式水管种类粗糙系数k（mm）水管种类粗糙系数k（mm）涂沥青铸铁管0.050.125石棉水泥管0.030.04涂水泥铸铁管0.50离心法钢筋混凝土管0.040.25涂沥青钢管0.05塑料管0.010.03镀锌钢管0.125适用范围广,接近实际,运算复杂,宜用计算机求解应用上述各种水头损失计算公式时，由于公式本身的某些缺陷和系数值(如n、C,k 值)在选用上的偏差，各式的计算结果有时相差较大。究应采用哪种公式，系数如何选择，应参照实际的科学测定和有关规定。5.6 水头损失计算水头损失计算Water Pollution Control Engineering2012-1-14275.7 管网计算基础方程管网计算基础方程4管网计算目的求出各水源节点（如泵站、水塔等）的供水量、各管段中的流量和管径以及全部节点的水压。环状管网：=+-1树状管网：=-14管网计算基础方程Q1Q2Q3Q4Q5Q6456321:管段数;:节点数;:基环数。水水泵泵水塔水塔012348567Water Pollution Control Engineering2012-1-1428由由由由节点流量节点流量节点流量节点流量、管段长度管段长度管段长度管段长度，确定管段的，确定管段的，确定管段的，确定管段的直径直径直径直径和和和和流量流量流量流量(即直径和流即直径和流即直径和流即直径和流量未知，需要求解量未知，需要求解量未知，需要求解量未知，需要求解)；由于有由于有由于有由于有P P个管段，则有个管段，则有个管段，则有个管段，则有2 2P P个未知数；个未知数；个未知数；个未知数；利用利用利用利用经济流速经济流速经济流速经济流速确定确定确定确定流量流量流量流量与与与与直径直径直径直径的关系，实际上只要求解的关系，实际上只要求解的关系，实际上只要求解的关系，实际上只要求解个未个未个未个未知数。知数。知数。知数。环状管网计算时，必须列出环状管网计算时，必须列出环状管网计算时，必须列出环状管网计算时，必须列出+-1-1个方程个方程个方程个方程,才能求出才能求出才能求出才能求出P P个流量。个流量。个流量。个流量。管网中的水流必须符合管网中的水流必须符合管网中的水流必须符合管网中的水流必须符合质量守恒质量守恒质量守恒质量守恒和和和和能量守恒原理能量守恒原理能量守恒原理能量守恒原理，即满足，即满足，即满足，即满足连连连连续方程续方程续方程续方程和和和和能量方程能量方程能量方程能量方程。独立的连续性方程数为独立的连续性方程数为独立的连续性方程数为独立的连续性方程数为-1-1个，独立的能量方程数为个，独立的能量方程数为个，独立的能量方程数为个，独立的能量方程数为个，个，个，个，两者共计两者共计两者共计两者共计个。个。个。个。4管网水力计算4管网计算的原理5.7 管网计算基础方程管网计算基础方程Water Pollution Control Engineering2012-1-14294压降方程管段流量与水头损失之间的关系离开节点流量为正，流向节点流量为负。5.7 管网计算基础方程管网计算基础方程Hi,Hj:节点i,j对某一基准点的水压;sij:管段摩阻;N:连接该节点的管段数。Water Pollution Control Engineering2012-1-1430管网经流量分配后，各节点已满足连续性方程，可是由该流量求出的管段水头损失，并不同时满足L个环的能量方程，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，从而得出各管段的流量和水头损失。解环方程时，哈代克罗斯（Hardy Cross）法是其中常用的一种算法。由于环状网中，环数少于节点数和管段数，相应的以环方程数为最少，因而成为手工计算时的主要方法。5.8 管网计算方法分类管网计算方法分类给水管网计算就是联立求解连续方程、能量方程和管段压降方程，根据求解的未知数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。4解环方程 Water Pollution Control Engineering2012-1-1431解节点方程是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程，通过计算调整，求出每一节点的水压。节点的水压已知后，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，进一步从流量和水头损失之间的关系算出管段流量。工程上常用的算法有哈代克罗斯法。解节点方程是应用计算机求解管网计算问题时，应用最广的一种算法。5.8 管网计算方法分类管网计算方法分类4解节点方程Water Pollution Control Engineering2012-1-1432该法是应用连续性方程和能量方程，求得各管段流量和水头损失，再根据已知节点水压求出其余各节点水压。大中城市的给水管网，管段数多达数百条甚至数千条，需借助计算机才能快速求解。5.8 管网计算方法分类管网计算方法分类4解管段方程