过水断面面积.docx

过水断面面积The document was finally revised on 2021第三章 给水排水管道系统水力计算基础本章内容：1、 水头损失计算2、 无压圆管的水力计算3、 水力等效简化本章难点：无压圆管的水力计算第一节 基本概念一、 管道内水流特征进行水力计算前首先要进行流态的判别判别流态的标准采用临界雷诺数 Rek，临界雷诺数大都稳定在2000左右，当计算出的雷诺数Re小于2000时， 一般为层流，当Re大于4000时，一般为紊流，当Re介于2000到4000之间 时，水流状态不稳定，属于过渡流态对给水排水管道进行水力计算时，管道内流体流态均按紊流考虑紊流流态又分为三个阻力特征区：紊流光滑区、紊流过渡区及紊流粗糙管 区二、 有压流与无压流水体沿流程整个周界与固体壁面接触，而无自由液面，这种流动称为有压流 或压力流水体沿流程一部分周界与固体壁面接触，另一部分与空气接触， 具有自由液面，这种流动称为无压流或重力流给水管道基本上采用有压流输水方式，而排水管道大都采用无压流输水方 式从水流断面形式看，在给水排水管道中采用圆管最多三、 恒定流与非恒定流给水排水管道中水流的运动，由于用水量和排水量的经常性变化，均处于 非恒定流状态，但是，非恒定流的水力计算特别复杂，在设计时，一般也只能 按恒定流（又称稳定流）计算。

四、 均匀流与非均匀流液体质点流速的大小和方向沿流程不变的流动，称为均匀流；反之，液体 质点流速的大小和方向沿流程变化的流动，称为非均匀流从总体上看，给水 排水管道中的水流不但多为非恒定流，且常为非均匀流，即水流参数往往随时 间和空间变化对于满管流动，如果管道截面在一段距离内不变且不发生转弯，则管内流 动为均匀流；而当管道在局部有交汇、转弯与变截面时，管内流动为非均匀 流均匀流的管道对水流的阻力沿程不变，水流的水头损失可以采用沿程水头 损失公式进行计算；满管流的非均匀流动距离一般较短，采用局部水头损失公 式进行计算对于非满管流或明渠流，只要长距离截面不变，也没有转弯或交汇时，也 可以近似为均匀流，按沿程水头损失公式进行水力计算，对于短距离或特殊情 况下的非均匀流动则运用水力学理论按缓流或急流计算五、水流的水头和水头损失水头是指单位重量的流体所具有的机械能，一般用符号h或H表示，常用 单位为米水柱（mH2O），简写为米（m）水头分为位置水头、压力水头和流速水 头三种形式位置水头是指因为流体的位置高程所得的机械能，又称位能，用 流体所处的高程来度量，用符号Z表示；压力水头是指流体因为具有压力而具 有的机械能，又称压能，根据压力进行计算，即P/Y （式中的p为计算断面上的 压力，Y为流体的比重）；流速水头是指因为流体的流动速度而具有的机械能， 又称动能，根据动能进行计算，即v2"2g （式中v为计算断面的平均流速，g为 重力加速度）。

位置水头和压力水头属于势能，它们二者的和称为测压管水头，流速水头 属于动能流体在流动过程中，三种形式的水头（机械能）总是处于不断转换之 中给水排水管道中的测压管水头较之流速水头一般大得多，在水力计算中， 流速水头往往可以忽略不计实际流体存在粘滞性，因此在流动中，流体受固定界面的影响（包括摩擦 与限制作用），导致断面的流速不均匀，相邻流层间产生切应力，即流动阻 力流体克服阻力所消耗的机械能，称为水头损失当流体受固定边界限制做 均匀流动（如断面大小，流动方向沿流程不变的流动）时，流动阻力中只有沿 程不变的切应力，称沿程阻力由沿程阻力所引起的水头损失称为沿程水头损 失当流体的固定边界发生突然变化，引起流速分布或方向发生变化，从而集 中发生在较短范围的阻力称为局部阻力由局部阻力所引起的水头损失称为局 部水头损失在给水排水管道中，由于管道长度较大，沿程水头损失一般远远大于局部 水头损失，所以在进行管道水力计算时，一般忽略局部水头损失，或将局部阻 力转换成等效长度的管道沿程水头损失进行计算第二节管渠水头损失计算一、沿程水头损失计算管渠的沿程水头损失常用谢才公式计算，其形式为：v 2 / 、f CRl(m)(3-1)式中hf —沿程水头损失，m；v —过水断面平均流速，m/s ；C一谢才系数；R— 过水断面水力半径，即过水断面面积除以湿周R = 0.25D（D为圆管直径）；l一管渠长度，m。

m，圆管满流时对于圆管满流，沿程水头损失也可用达西公式计算：（3-2）m/s2 ；…8 & 人C 2式中D 一圆管直径，m g —重力加速度,人一沿程阻力系数,沿程阻力系数或谢才系数与水流流态有关，一般只能采用经验公式或半经 验公式计算目前国内外较为广泛使用的主要有舍维列夫（OAWeB初eB）公 式、海曾-威廉（Hazen-Williams）公式、柯尔勃洛克-怀特（Colebrook- White） 公式和巴甫洛夫斯基（H・H・naB刀obcku讶）等公式，其中，国内常用的是 舍维列夫公式和巴甫洛夫斯基公式1）舍维列夫公式舍维列夫公式根据他对旧铸铁管和旧钢管的水力实验（水温10C提出 了计算紊流过渡区的经验公式当 vN1.2m/s 时人=0.00214 圣D 0.3(3-3)当 v < 1.2 m/s 时g ( 0.867、0.3人=0.001824 D~~ [1 + ^i j (3-4)将(3-3)、(3-4)式代入(3-2)式分别得：当 vN1.2m/s 时v 2七=0.00107 Dj— l (3-5)当 v < 1.2 m/s 时V2 ( 0 867 A七=0.000912dj— (1 + 0—j l (3-6)(2) 海曾-威廉公式海曾-威廉公式适用于较光滑的圆管满管紊流计算：(3-7)人=13.16 gDmC1.852q 0.148w式中q —流量，m3/s ；一海曾-威廉粗糙系数，其值见表3-1 ；其余符号意义同（3-2）式。

海曾-威廉粗糙系数Cw值 表3-1管道材料Cw管道材料Cw塑料管150新铸铁管、涂沥青或水泥的铸铁 管130石棉水泥管120 〜140使用5年的铸铁管、焊接钢管120混凝土管、焊接钢管、木管120使用10年的铸铁管、焊接钢管110水泥衬里管120使用20年的铸铁管90 〜100陶土管110使用30年的铸铁管75 〜90将式（3-7）代入式（3-2）得:(3-8)h _ 10.67qi.852 /f Ci-852 D 4.87w(3) 柯尔勃洛克-怀特公式柯尔勃洛克-怀特公式适用于各种紊流:C = —17.71lg/ e C )十 1 〜 + I 或 k _ —2lg"14.8R 3.53Re)林(3-9)式中Re 一雷诺数，Re_ ?R _ VD，其中为水的动力粘滞系数，和水温有关，其单位为：m2/s ；e 一管壁当量粗糙度，m，由实验确定，常用管材的e值见表3-2该式适用范围广，是计算精度最高的公式之一，但运算较复杂，为便于应用，可简化为直接计算的形式：八 -…]e 4.462 )* 1— .g 114.8R * Re" J 或也10)常用管渠材料内壁当量粗糙f e 4.462) e~g :3.7D * Reo.875 )te (mm) 表 3-2管渠材料光滑平均粗糙玻璃0钢、PVC或AC有覆盖的钢镀锌钢管、陶十管铸铁管或水泥衬甲预应力混凝十管或木管铆接钢管36脏的污水管道或结瘤的给水主管线61530毛砌石头或十渠60150300(4) 巴甫洛夫斯基公式巴甫洛夫斯基公式适用于明渠流和非满流管道的计算，公式为：C_Ry(3-11)式中：y = 2.\；;T-0.13-0.75\，R-0.10 )n —巴甫洛夫斯基公式粗糙系数，见表3-3。

将（3-11）式代入（3-2）式得:L n 2 V 2 7f - Rby+1 1(3-12)常用管渠材料粗糙系数nb值 表3-3管渠材料nb管渠材料nb铸铁管、陶十管架砌砖渠道混凝土管、钢筋混凝土管〜浆砌块石渠道水泥砂架抹面渠道〜干砌块石渠道〜石棉水泥管、钢管十明渠（带或不带草皮）〜⑸曼宁（Manning）公式曼宁公式是巴甫洛夫斯基公式中y二1/6时的特例，适用于明渠或较粗糙的 管道计算：C =巴 （3-13）n式中n-粗糙系数，与（3-12）式中nb相同，见表3-3将（3-13）式代入（3-1）得：h广窘曲广也q21 （3-14）二、局部水头损失计算局部水头损失用下式计算：h =号 （3-15）式中h—局部水头损失，m；Z —局部阻力系数，见表3-4根据经验，室外给水排水管网中的局部水头损失一般不超过沿程水头损失 的5%,因和沿程水头损失相比很小，所以在管网水力计算中，常忽略局部水 头损失的影响，不会造成大的计算误差局部阻1力系数z j艮3-4配件、附件或设施Z配件、附件或设施Z全开闸阀90°弯头50%开启闸阀45°弯头截止阀3〜三诵转弯全开蝶阀三诵直流第三节无压圆管的水力计算所谓无压圆管，是指非满流的圆形管道。

在环境工程和给排水工程中，圆 形断面无压均匀流的例子很多，如城市排水管道中的污水管道、雨水管道以及 无压涵管中的流动等这是因为它们既是水力最 优断面，又具有制作方便、受力性能好等特点了 | 由于这类管道内的流动都具有自由液面，所以常—二_L 用明渠均匀流的基本公式对其进行计算时 :4圆形断面无压均匀流的过水断面如图3-1所示设其管径为d水深为h,定义图3断面压圆管均匀流的过水 以=h =、诅2 :,以称为充满度，所对应的圆心角d 40称为充满角由几何关系可得各水力要素之间的关系为：过水断面面积：A = —(0 - sin 0) 8(3-16)湿周：dnX = 2 0(3-17)水力半径:所以R =—4d 仁 sin 0(3-18)(3-19)(3-八 d2 心 . c、1「d L sin0)]3.1 1 ,八2.1q=._ (En0)- - k1 -=J，2=nAR 3'220)为便于计算，表3-5列出不同充满度时圆形管道过水断面面积A和水力半 径R的值充满度a过水断面积A（m2）水力半径（R）充满度a过水断面积A（m2）水力半径（R）d2d2dd2dd2dd2dd2dd2dd2dd2dd2dd2dd2dd2dd2dd2dd2dd2dd2dd2dd2d不同充满度时圆形管道过水断面积A和水力半径R的值 俵中d以m计）表3-5为了避免上述各式繁复的数学运算。