第3章 给水排水管网水力学基础课件.pdf

水流运动的类型（一）恒定流、非恒定流若流场中各空间点上的任何运动要素均不随时间变化，称流动为恒定流。否则，为非恒定流。I _/恒定流中，所有物理量的表达式中将不含时间，它们只是空间位置坐标的函数，时变导数为零。（二）均匀流、非均匀流；渐变流、急变流注意:匀流的流线必为相互平行的直线，而非均匀流的流线要么是曲线，要 的直线。举例。控制流动的规律能量守恒质量守恒4微小流束的能量方单位总能量2V UH-1-、Y 2 g单位压能单位动能（单位位能o今新水力学问敢 素布用也是量变 要的方程式四、能量方程的意义|Z|单位重量流体所具有的位置势能（简称单位势能）.单位重量流体所具有的压强势能（简称单位压能）r沿程水头损失计算沿程阻力系数或谢才系数的估计方法:满管流满管流、非满管流8达西 L奠定比托管构型 2.确定管流达西公式 3.达西渗流定律 4.求谢才系数亨利.达西(Henry Darcy,18031858)9比托管 32年，法国皮托发明比托管 达西发明了沿流动方向布置的静压管10达西公式 1839年德国工程师哈根发表黄铜管(D6cm,L n m-指数公式参数;a比阻，即单位管长的摩k阻系数，a二；DmSf-摩阻系数，Sf=al=-J J Dm162.局部水头损失公式的指数形式为:式中sm局部阻力系数；3.沿程水头损失与局部水头损失之和式中Sg一管道阻力系数；为二+叮177.A,Zi n-1-y 2 g.；/V2 hr=A-f digv22gP2%E 7=+1-2 y 2 g,_ V2/hf=R今新水力学问敢 素布用也是量变 要的方程式有压流、无压流注意:压流主要是依靠压力作用而流动，而无压流主要是依靠重力作用而流动。举例。有压流长管如果作用水头的95%以上用于沿程水 头损失，我们就可以略去局部损失及 出口速度水头，认为全部作用水头消 耗在沿程，这样的管道流动称为水力 长管。否则为水力短管。长管：作用水头全部消耗于 沿程损失已知某管道直径为500mm,长度为1000m,管壁当量粗糙度为1.25mm,流速为1.2m/s,水温为20,试分别用海曾威廉公式、柯尔勃洛克怀特公式、巴普洛夫斯基公式和曼宁公式 计算沿程水头损失。有压流管道的水力等效简化管网简化:利用水力等效简化原理水力等效简化原则:简化后，等效的管网对象与原 来的实际对象具有相同的水力 特性。有压流。串联管道段串联管道，各段损失 分别计算然后叠加，认为 作用水头全部用于沿程损 失，可得一个方程。nH=i=l有压流串联支1=1/,1md“7)23有压流。并联管道。段并联管道的水头损失是相同的，给出个方程=constJln)流量之和为总流 量，又可得一个方 程i=l并联 有压流kqR I 二 kql 二包名二 二 kq%l dm d1m d2m dNmN 吧巴 二(/严i=l当并联管道直径相同时d d.d n=d jn nd=(Ndn)m=(N)加必25有压流Q沿程均匀泄流管途泄流量q,=ql功为贯通流量（转输流量）XqA|M|Qm|有压流圈3.4.2沿线均匀出流的简化 干管配水情况27假设沿线出流是均匀 的，则管道的任一断 面上的流量Qx=分+-(/-x)沿程水头损失小分+丁公)二八分+一产1-+1)dm(n+l)dm28将G/移至两端点，分别为(1-a)qi，aqi4+5管道内流量为%二分+阳沿程水头损失_ 7犷(+s严/dm0(n+l)dmq(29根据水力等效原则hfdm有压流(%+为严-*(n+l)dmq(令n=2,y=,代入上式，+/+-/a=/(/)管网起端，分外，y t g,a-0.5 管网末端，qt qi，y f 0,a=0.577一般,a=0.5,qi=2。.5/301 有压流0.5Q1%+5qi 0.55_/T 一4+5 5一般,a=0.5,qi=Z 0.5q/31例 一条混凝土输水管长L=50m,其中起点的节 点流量Q=0.200m3/s,管道直径为0.3m,设 该管均匀出流，流量为0.0005m3/s每米，求总水头损失（曼宁公式粗糙系数）。32有压流、无压流注意:压流主要是依靠压力作用而流动，而无压流主要是依靠重力作用而流动。举例。明渠水流（无压流）具有显露在大气中并且可以自由变动的自由水面，水面压强一般为大气压，其相对压强为零，大 多是露天开敞式的。明渠水流根据其空间点上运动要素是否随时间变化，可分为恒定流和 非恒定流；根据其运动要素是否随流程变化，可分为均匀流与非均匀流；非均匀 流又有渐变流和急变流之分。本课程只讨论明渠恒定均匀流问题。明渠的几何性质）明渠的横断面天然河道的横断 人工渠道的横断天然河道断面人工断面形式梯形 矩形:可以看成是梯形的特例 圆形 马蹄形：结构受力较好 蛋形：减少淤积，底部较大流速38明渠的底坡当底坡较小时:，=sine=，ge=ZiZ2在工程中明渠底坡可能有三种情况:徐 j 0，称为正坡（或顺坡）；养1=0,称为平坡；架 i SAVON I US ROTORADV点式流速仪ADCPAcoustic 一声学 Doppler 多普勒 Current 流速 Profiler 剖面仪深度单元和流速剖面水流在垂向上被分割成若干层，叫做深度单元(depth cell)。一台ADCP相当于许多台单点流速仪Depth c ellsCur r ent Veloc ity Vec torAver ages Vec tor WithinComplete Depth Cell Ar eaMeasur es Cur r ent Only at a Loc alized Point in the Ar eaMoor ed Line of Standar d Cueent Meter s深度单元ADCP机械式流速仪拉子成像速度计(PIV)PIV原理粒子第一 个的像At后，粒子 第二个的像12fti t2 4 t2t t2%拉子成像速度计(PIV)电子同步器典型系统:拉子成像速度计(PIV)算法第一次曝光的图象第二次曝光的图象双曝光的图象4拉子成像速度计(PIV)算法自相关、互相关拉子成像速度计(PIV)尾迹中的粒子图PIV定量测量的 活鱼尾迹流场(来流速度 88mm/s,脉冲 的间隔3ms,查 询区为2.74mm X 2.74mm)尾迹的速度场差压式流量计文丘利流量计属于差压式流量计当充满圆管的流体流经在管道内部 安装的节流装置时，流束将在节流 件处形成局部收缩，使流速增大，静压力降低，于是在节流件前后产 生压力差.该压力差通过差压计检 出.流体的体积流量或质量流量与 差压计所测得的差压值有确定的数 值关系。文丘里涡街流量计涡街流量计涡街流量计 电压式涡街流量计 插入式涡街流量计 分体式涡街流量计 潜水型涡街流量计精度：0.1%适用流体：液体、蒸汽（饱 和、过热）明渠均匀流的基本公式ac4riQ=n排水管渠粗糙系数表管渠类别粗糙系数n管渠类别粗糙系数n石棉水泥管、钢管0.012浆砌砖渠道0.015木槽0.012-0.014浆砌块石渠道0.017陶土管、铸铁 管0.013干砌块石渠道0.020-0.025混凝土管、钢筋混凝土管 水泥砂浆抹面渠道0.013-0.014土明渠 包括（带草皮）0.025-0.03067B2A哪个断面的过水能力大?矩形断面n=0.01 3满流：V=l/n RA(2/3)iA(l/2)A=bH x=2B+2H R=A/x(b)矩型 非满流：A=bh x=B+2H R=A/x69计算题例题1有两条矩形断面渡槽，过水断面面积均为5苏，其他=加,%=2m、瓦=5m b2=2,52 D 糙率巧=%=0.014底坡=。4,问这两条渡槽中水流作均匀流时，它们通过的流量是否相等？应为多少？解：渠道1：面积 4=b1kl=5x1=5m2,湿周力=瓦+2%=5+2x1=7用水力半径为=三=0.714%为7流量=*1%=-x 0.714x 0,004 0.014=18.05%3/s渠道2：回积为=瓦=2.5x2=5/湿周抬=%+23=2.5+22=6.5m水力半径“/=高=。.769加流量出2&乂-X 0.769x 0.004=Z.96m3/sn 0.014可见，两渠道在过水断面面积相等时，由于渠道的底宽和水深不同,它们的过水能力是不同的，水力半径越大的，其过水能力越强。或者说 湿周越小的，过水能力就越强。梯形断面明渠n=0.02 5 V=l/n R八(2/3)iA(l/2)A=(B+mh)h X=b+2h sqrt(l+m2)R=A/x(a)梯型r d梯形断面明渠n=0.02 5 设某梯形断面明渠边坡系数m=1.5b=h=4800mm,水力坡度i=0.002求流量和流速。过水断面 a=(b+mh)h=57.6m2 湿周 x=b+2hsqrt(l+m2)=22.1m R=a/x=2.6m V=l/n R2/3 I%=3.387m Q=a*v=195m3/s73梯形断面明渠某梯形断面明渠底宽b=4800mm水深 2400mm边坡系数0.002求流量和流速参考答案：47.234m3/s 2.342m/s74园形明渠流水力计算水力计算目的：确定q、院D也、D，之间的水力关系园形非满流管渠水力计算公式1.非满流管渠水力计算公式D2A=(9-sin9)8D(9-sin9)K-4 0(9=2 cos-1(1-2-)=(l-cos)/2D 275谢才公式v二曼宁公式c=r|/6 n76V=2-13 1(D O-sin(O)A 2n 14 0)211 q=-n8(O-sin(O)f D 0-sin(O)(4 0一一非满流管渠水力计算基本公式v、q、D、h/D、I五个变量，已知三个，求另两 个。77Mathcad统一解法知3求2已知流量，管径，水力坡度，求充满度和 流速例3.1某污水管设计流量q:=100L/s,水力坡 度上二0.007,管径D:二400mm的钢筋混凝土管，n:=0.014,求充满度和流速。78简化:。水力计算表，按两个公式制成图表。简单，精 度较差，且只适用于一种管材。借助满流水力计算公式并通过一定的比例变换 进行计算。假设一条满流管渠与待计算的非满 流管渠具有相同的D和I,满流时，4 _ 1-n 2 n _ D _ 1 4 n 2/3 rl/2%)二/D R0 二 z 夕 二(Ko I4 4 nMnM79sinft)R_RO(e):=1 u9 9-sin(9)J0(8):=)2-jvY_?0（e）：=一口叫尸口嘤2 7V铲80方法一 数列用来给矩阵赋值 矩阵的亓素加减乘除81方法二 参数法 将自变量和变量都写成某个参数的函数,利用参数进行绘图823.3.2形非满流管渠水力计算方法国1.常采用水力计算图或表进行计算水力计算图适用于混凝土及钢筋混凝土管道，其粗糙系数Z7=0.014o每张图适用于一个指定的管径。图上的纵座标表示坡度/,即是设计管道的管底坡度，横座标表示流量。，图中的曲线分别表示流量、坡度、流速和充满度间的关系。当选定管材与管径后，在流量久坡度/、流速0、充满度hh个因素中，只要已知其中任意两个,就可由图查出另外两个。2.借助于满流水力计算公式并通过一定的比例变换进行计算。83圆形排水沟道水力计算例：钢筋混凝土圆形排水管，非满流 n=0.014 V=c*sqrt(R i)c=l/n RA(l/6)R=A/x A=0.5rA2(sita-sin(sita)x=r sita84钢筋混凝土圆形排水管 某钢筋混凝土圆形排水管，直径1500mm,粗糙系数n=0.014,水力坡度i=0.001,求最大设 计充满度h/H=0.75时的流量和流速 先计算满流流量和流速：v=c sqrt(R i)=1.17 m/s 2.07m3/s 查表求h/H=0.75时的 v/v0=1.125 q/q0=0.9 V=1.125*1.17=1.32m/s q=1.87m3/s85B4Q)梯型 m=c tg。形式面积A湿周z水力半径R水面宽度B梯形(b+mli)hb+lhyJl+m2(b+mH)h b+2hT+m1b+2mh(b)矩型Ai形式面积A湿周 2水力半径R水面宽度B矩形bhb+2hbhb+2hbB宽矩形断面力=3R=h形 面积 湿周 水力半径 水面宽度式 A Z R B翼 胪/).力”1 47 d 厂 sin。、i-X2 I。T)2 而7二万(d)U 型形式面积A湿周Z水力半径R水面宽度B圆形Ttr1+2r(/z-r)71r+2(h r)加2 n、+2r(h-r)2r7ir+2(/z-r)水泵与泵站水力特性 Hp=he-sp*qpA2 通过样本泵的流量-扬程数据，拟合得到 he,sp He是流量为0的时候的理论最大扬程 Sp是泵的内部阻力，起到减少扬程的作用90例 流量：576 792 972 扬程：63 58 50 试拟合出he和sp91Mathcad 方法 设置拟合函数 给拟合参数赋初值 利用genfit（拟合数据x,拟合数据y,参数初 值，函数名）求解出正确的参数92调速泵站泵站如果在变速下工作，静扬程按平方比 例变化，内阻不变 Hp=(r/rO)A2*he-sp*qA2考虑吸水、压水管路后的泵站特性:Hp=he-sp*qAn-sg*qAn93并联同型号设总流量q,则每一台流量q/N代入得 Hp=he-s*(q/N)A294不同型号的水泵并联重新拟合参数法：每台水泵取1个共同的扬 程，计算出此时每台水泵的流量，求和得 到总流量。这样就得到了扬程-流量关系的 第一个点，类似的方法，再取若干组扬程-流量数据。然后利用拟合方法，确定静扬 程和内阻。95