给水管网水力计算基础

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1、为了向更多的用户供水，在给水工程上往往将许多管路组成管网。管网按其形状可分为 枝状图1(a)和环状图1(b)两种。管网内各管段的管径是根据流量Q和速度v来决定的，由于Q二Av二Sd2/4)v所以 管径d = (：4Q/“v = 1.13$Q7V。但是，仅依靠这个公式还不能完全解决问题，因为在流 量Q定的条件下，管径还随着流速v的变化而变化。如果所选择的流速大，则对应的管径 就可以小，工程的造价可以降低；但是，由于管道内的流速大，会导致水头损失增大，使水 塔高度以及水泵扬程增大，这就会引起经常性费用的增加。反之，若采用较大的管径，则会 使流速减小，降低经常性费用，但反过来，却要求管材增加，使工程

2、造价增大。图 1 管网的形状(a)枝状管网；(b)环状管网因此，在确定管径时，应该作综合评价。在选用某个流速时应使得给水工程的总成本(包 括铺设水管的建筑费、泵站建筑费、水塔建筑费及经常抽水的运转费之总和)最小，那么， 这个流速就称为经济流速。应该说，影响经济流速的因素很多，而且在不同经济时期其经济流速也有变化。但综合 实际的设计经验及技术经济资料，对于一般的中、小直径的管路，其经济流速大致为：当直径d=100400mm，经济流速v=T.Oms；当直径d400mm，经济流速v=1.4m/s。一、枝状管网枝状管网是由多条管段而成的干管和与干管相连的多条支管所组成。它的特点是管网内 任一点只能由一

3、个方向供水。若在管网内某一点断流，则该点之后的各管段供水就有问题。 因此供水可靠性差是其缺点，而节省管料，降低造价是其优点。技状管网的水力计算可分为新建给水系统的设计和扩建原有给水系统的设计两种情 况。1新建给水系统的设计对于已知管网沿线的地形资料、各管段长度、管材、各供水点的流量和要求的自由水 头(备用水器具要求的最小工作压强水头)，要求确定各管段管径和水塔水面高度及水泵扬程的计算，属于新建给水系统的设计。自由水头由用户提出需要，对于楼房建筑可参阅下表。表自由水头Hz值建筑物层数12345678自由水头Hz （m）1012162024283236这一类的计算，首先应从各管段末端开始，向水塔方

4、向求出各管段的流量，然后选用经济流速确定出对应的管径do定出管径后，就可用公式h = S 1Q2计算出各管段水头损失。 f0最后计算出从水塔到控制点（管网的控制点是指在管网中水塔至该点的水头损失，地形标高和要求作用水头三项之和为最大值之点）的总水头损失工h，于是水塔高度H （图2）可按 ft下式求得：Ht f z 0 t式中H控制点的自由水头；Zz0控制点地形标高；z水塔处的地形标高；t工h 从水塔到管网控制点的总水头损失。f2 扩建给水系统的设计对于已知管网沿线地形、各管段长度、管材及各供水点需要的流量与自由水头，在水塔已建成的条件下，确定扩建管段管径的计算。这一类就属于扩建给水系统的设计。

5、扩建给水系统的计算原则是：要充分利用已有的作用水头。即不是通过经济流速，而是通过已知的作用水头H、流量Q、管路长度l等来确定管径d。具体步骤为：根据已知条件，算出该管路的平均水力坡度J （即单位长度水头损失）：H + （z z ） hJ =tt 0z-工l计算出平均水力坡度后，根据公式J = s Q2，求出S,再查表，选择管径do由于管 00径的选择不可能恰好等于标准管径，所以在选择时.可选一部分管径的比阻大于算出so值， 一部分则小于算出的So值。通过串联管路计算，使这些管段的组合恰好在给定水头下通过指定的流量。例1 一枝状管网，自水塔0向各用水点供水(图3)。采用铸铁管，各管段的管长列于下

6、表。已知水塔处地面标高、4和7点处的地面标高均为70.0m, 4和7点处要求自由水 头Hz = 12m。求各管段的直径、水头损失及水塔的高度。图3水塔向各用水点供水示意图图2水塔高度计算示意图解 (1)根据经济流速选择各管段的直径。对于34管段，Q = 25L/s,若采用经济流速v =lm/s,则管径为忤5 二 0-8m采用标准管径d=200mm，此时管中的实际流速为:v = 1Q兀d 24 x 0.025兀 x 0.22=0.8m / s查表，得So = 9.029s2 /m6。由于速度v = 0.8m/s E h，而点4和点7的自由水头、地形标高都相等，所以点7为该管网f 0-7f 0-4

7、的控制点，则水塔的高度为：H = X h+12 = 19.94mf 0- 7已知数值计算所得数值管段管段长度管段中的流量管道直径流速V比阻 S0修正系数水头损失l (m)q (L/s)d (mm)(m/s)/m6)Khf (m)左侧3-4350252002-3350452501-220080300右侧6-7500131505-62002001-5300250水塔至分岔点0-1400350如果说工h远大于工h的话，则可以分析更改0-4管线的管径(某段管径可适当减f0-7f0-4小，但总水头损失一船不可超过0-7管线上的水头损失)，以做到经济合理。二、环状管网图1 (b)为一环状管网，环状管网是由

8、多条管段相互连接成闭合形状的管道系统，特 点是管网的任一点均可由不同方向供水，提高了供水的可靠性，还可减轻因水击现象而产生 的危害。但环状管网增加了管道总长度，使管网的造价增加。通常环状管网的布置、各管段的长度l和各节点流出的流量为已知。因此，环状管网水 力计算主要是确定各管段通过的流量Q和管径d，从而求出各段的水头损失和确定水塔的高 度。首先要解决的问题是确定管径和通过流量问题。管径可由通过流量与选定的经济流速确 定，而通过流量再节点流量已知的情况下也可以由不同的分配。因此，与管段数相等的通过 流量是待求的未知数。研究任一形状的管网.可以发现，管网上管段数n和环数nk以及节点数n,存在着以

9、gkp下关系：n二n + n 一 1 gkp而管网中的每一管段均有两个未知数Q和d,因此，环状管网的水力计算，其未知数的总数为：2n = 2(n + n 1)g k p环状管网的水力计算，应按以下两条水力准则进行反复运算。这两条准则是：(1)水流的连续性原理。在各个节点上，流向节点的流量应等于由此节点流出的流量。若以流向节点的流量为正值，离开节点的流量为负值，则两者的总和应等于零，即对于每一 个节点都应满足 工 Q = 0。(2)对于任一闭合的回路，由某一节点沿两个方向至另一节点的水头损失应相等(这相 当于并联管路的水力计算特点)。如在一环内以顺时针方向水流所引起的水头损失为正值， 以逆时针方

10、向水流的水头损失为负值，则两者总和应等于零。即对每个环，有 工h =工S lQ2 = 0。通常由于管网有叫个环，于是就要有nk个方程同时求解。f0kk根据以上两个原则，可写出n + n -1个方程，正好求解n个未知流量。当管段数很kpg 多时，方程个数很多计算工作量很大。人们研究了环网方程的各种解法，一般可分为解管 段方程、解结点方程、解环方程三类。解管段方程法，即以管段通过流量为未知数，由前述水力计算两原则列出n个方程联 g立求解。解节点方程法，即以节点水压为未知数，按水力计算第一原则，可写出n-1个方程，p再配合管网中已知水压的节点(例如起点泵站的水压或终点处所需水压)，即可求出np个结

11、点水压。当节点水压已知，即可得各管段水头损失从而求出各管段流量：可 H - HQ = 匚= bi S IS l0i i I0i i式中：H为管段起点水头，H为管段终点水头。由于结点个数比管段数目少，求解方程的 biai数目相应的减少，而且当用有限元法求解时，便于使用电子计算机运算。解环方程法，即以每一环的校正流量为未知数，根据水力计算的第二原则，每环皆可写 出一个校止流量方程(该方程写法见后)。环网中有nk个环，即可写出入nk个校正流量方程, 可解出各环的校正流星。由于环数比管段数或节点数均少，所以求解方程的数目也大为减少。 如用手工计算，采用此法较好。哈代一克罗斯(HardyCross)提出

12、了环方程的近似解法，它 在求解校正流量时略去了各环间的相互影响，这使解法简便，获得广泛应用。其具体步骤如下。(1)根据用水情况，拟定各管段的水流方向。通常整个管网的供水方向应指向大用户集中的节点。按每一结点均符合EQi = 0的条件分配流量，即得第一次分配的管段通过流量Q (1)，足标代表管段编号，右上角(1)表示流星分配和调整的次数。(2) 按选用的经济流速和通过流量，求管径d = J4Q/“v，并按此计算值选接近的标准 管径。(3) 根据各管段管径和管壁材料或粗糙度求出相应的比阻S ,按h = S IQ2，式求出0 fi0 i i各管段水头损失。(4) 求每一环水头损失的代数和工h，看是否

13、为零，如不为零,则其值工h=Ah，fi fi称为第一次闭合差。Ah 0，说明顺时针方向的流量分配太多；反之，如Ah 0，说 明逆时针方向的流量分配太多。这样，均需对第一次分配的流量进行校正，为此需导出校正 流量方程。(5) 求各环的校正流量：设校正流星为AQ,如不计及邻环影响，则校正后的单环闭合差oi应该为零，即工h =工S l (Q + AQ)2 = 0将上式按二顶式定理展开，并略友AQ 2后得上式中的第一项为单环的闭合差Ah, Qi加上绝对值的符号是为使水头损失的正负号得以保 持，在求总和工h,时得出正确的闭合差；AQ放在总和号之外，是因为同一环的校正流量对环内各管段都是相等的。从上式解出

14、校正流量AQ为：AQ =或从上式可看出校正流量的方向与闭合差的方向相反。设校正流量的方向与管段内通过流量的 方向均以顺时针力向为正，逆时针方问为负，则当校正流量与管段内通过流量方向相同时相 加，相反时则相减。据此调整各管段的流量，得到第二次的管段通过流量Q，需要注意的 是，若一管段(例如图4中的管段)为几个环所共用，则这一管段的校止流量应为上述几个 环的校止流量的代数和，求和时应注意正负号的变化，符号由所在环的流动方向确定。当流量校正后需从步骤（3）起重复计算，直到每一环的闭合差均小于给定的数值，即 可求得各管段的实际流星。不断调整流量，消除闭合差的过程称为管网平差工作。在平差工 作结束后，就

15、可求解起点水塔水面高度或水泵的扬程以及各节点水头。这些计算与枝状管网 类似，此处不再详述。关于各种运转条件下的核算工作，可参考有关专业书籍。例 某环状管网的管长、管段编号、结点流量如图所示管道为铸铁管。允许的单环闭合差为0.2m，求各管段的通过流量与管径。图 4 某环状管网解：初步计算时，可按管网在水力粗糙区工作，暂不考虑修正系数k的问题。如需精确计算则应考虑过渡区区的修正系数。本题按前者计算：（）拟定水流方向如图所示，按E Q = 0的条件初步分配的流量列入下表。i（2）根据流量、经济流速确定管径。以管段（1）为例.初步分配的流星为0.075m3/s,经济流速采用1.2m/s，代入求管径公式

16、得614 x 1.2 二心加选用接近的标准管d=300mm。其余各管段的管径计算已列入表中，其中联络管（2）和 （5）的管径故意采用较大值，因为当干管（1）和（4）或（3）和（6）损坏时，管道（2） 和（5）要转输较大的流量到被损坏的管段以后的地区。（3）根据管径和管道材料（本题为铸铁管）查相应的表格得出比阻S0值，并求出相应的h及h /Q。仍以管段（1）为例，d=300mm在表中查的比阻S值为m6而fi fi i 0h 二 S 1Q 2 二 1.025 x 800 x 0.0752 二 4.613m f 101 1 1h /Q = 4.613/0.075 = 61.5s/m2f 1 1其余各

17、管段计算结果列入表中。（4）术闭合差厶h，以第 I 环为例，Ah = 4.613 + 0.628 4.613 = 0.628m， Ah 0 说 明顺时方向流量分配多了，应减少。求各环校正流量 Q，仍以第I环为例。-Ah 0.628AQ 二二=1.2631/s江 h / Q2 x 248.6f ii第I环的管段(1)的流量经校正后应为=73.737l/s。其余各管段的计算结果列入表 中。由表中结果可见，经两次校正后，各环闭合差均小于允许的值(0.2m)。50当环数很多时，机计算。所以易采用电子计算10环号管段编号管径初步分配第一次校正第二次校正QHf/QhfQQHf/QhfQQHf/I30075

18、1505300-75Ah 二 0.628人门AhAQ =2 乙 h / Qfii= 1.2631/ sm 0.628AQ =0.Ah = 0.363m Ah 0.363Ah 0.082mac AhAQ -2 乙 h / Q 2 fi i 0.1691 / s2 x 248.62乙h /Q 2x 253.083fii7171/sII2505015010250-50150-5Ah 二 1.883 AhAQ =2 乙 h / Qfi i=_1.444l/ sm -1.883AQ =-0Ah 二 0.369-Ah- 0.369- Ah 0.184人门AhAQ -2 乙 h / Q 2 fi i-0.15 31/ s2 x 651.92乙 h / Q 2 x 621.10 fii.2981/ s铸铁管的比阻S0值内径（mm）比阻（Q以m3/s计）内径（mm）比阻（Q以m3/s计）50151904007517094501005001256001507002008002509003001000350