第三章给水排水管网水力学基础
给水排水管道系统水力计算汇总
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Re k，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。
给水排水管网系统第三版答案(供参考)
给水排水管网系统第一章给水排水管网系统概论1、给排水系统功能有哪些？请分类说明。
①水量保障向指定用水点及时靠得住提供知足用户需求的用水量，将排出的废水与雨搜集输送到指定地址；②水质保障向指定用水点提供符合质量要求的水及按有关水质标准将废水排入受纳水体；③水压保障为用户提供符合标准的用水压力，同时使排水系统具有足够的高程和压力，顺利排水；2、给水的用途有哪几类？分別列举各类用水实例。
有生活用水、工业生产用水和市政消防用水。
生活用水有：居民生活用水（如家里的饮用、洗涤用水）、公共设施用水（如学校、医院用水）、工业企业生活用水（如企业区工人饮用、洗涤用水）；工业生产用水有：产品用水（如制作酸奶饮料的用水）、工艺用水（如水作为溶剂）、辅助用水（如冷却锅炉用水）；市政消防用水有道路清洗、绿化浇灌、公共清洁卫生和消防用水。
3、废水有哪些类型？别离列举各类用水实例。
按所接纳废水的来源分：生活污水、工业废水和雨水。
生活污水：居民生活所造成的废水和工业企业中的生活污水，如洗菜水、冲厕产生的水；工业废水：如乳制废水；雨水：如下雪、下雨产生的水。
4、给水排水系统由哪些子系统组成？各子系统包括哪些设施。
①原水取水系统包括：水源地、取水设施、提升设备和输水管渠等；②给水处置系统包括：各类采用物理化学生物等方式的水质处置设备和构筑物；③给水官网系统包括：输水管渠、配水管网、水压调节设施及水量调节设施等；④排水管网系统包括：污废水搜集与输送管渠、水量调节池、提升泵等；⑤废水处置系统包括：各类采用物理化学、生物等方式的水质净化设备和构筑物；⑥排放和重复利用系统包括：废水收纳体和最终处置设施如排放口等。
5、给水排水系统各部份流量是不是相同？若不同，是如何调节的？因为用水量和排水量是随时间转变的，所以各子系统一时间内流量不相同，一般是由一些构筑物或设施来调节，比如清水池调节给水处置流量与管网中的用水量之差，调节池和均合池用于调节排水官网流量和排水处置流量之差。
(整理)第三章给水排水管道系统水力计算基础
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Re k，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。
给水排水管网水力学基础
∑
当并联管道直径相同时
d1 = d 2 = d =
n m/n m ( Nd i )
= d N = di =
n (N ) m
di
3．4．2 沿线均匀出流的简化 干管配水情况
配水支管
Q 1 q1 q 3 Q2 q2
q5 q4
Q3
q7
配水干管
Q4
q6
t
假设沿线出流是均匀 的，则管道的任一断 面上的流量
管道的水力等效简化
n kq n l kq1n l kq 2 l = m = m = m d d1 d2
n kq N l = m dN
d = (∑ d )
i =1
N
m n i
n m
当并联管道直径相同时， 有：
d = (N ) di
n m
3.1 给排水管网水流特征 3．1．1 流态特征
Re ⎧层流： < 2000 ⎪ ⎪ 1.流态 ⎨过渡流 : 2000 < Re < 4000 ⎪ Re （给排水管网一般按紊 流考虑） ⎪紊流： > 4000 ⎩
第3章 给水排水管网水力学基础 －－管渠稳定流方程 谢才公式：
式中
v2 hf = 2 l C R
（m）
hf――沿程水头损失，m；v――过水断面平均流速，m/s； C――谢才系数； l――管渠长度，m； R――过水断面水力半径，即断面面积除以湿周，m， 对于圆管满流R=0.25D（D为直径）。
圆管满流－达西公式：
n
kq n d m
N
l
kq n l i kq l = ∑ m m d i=1 d i d = (l /
m i=1 d i
∑
N
第3章-给水排水管网水力学基础讲解
图3.1 圆形管道非满管流和满管流示意图 （a）非满管流；（b）满管流
图3.2 圆形管道充满度示 意图
3.3.1 非满流管道水力计算公式 管渠流量公式：
q
Av
A
R
2 3
I
1 2
式中
A―过水断面面积（m2）；
n
I―水力坡度，对于均匀流，为管渠底坡。
N mn
d ( din ) m i 1
当并联管道直径相同时，等效直径：
n
d (N)m di
kqNn l
d
m N
干管配水情况
3.4.2 沿线均匀出流的简化
给水管网中的配水管沿线向用户供水，如图3.6所示。假设沿线出流是 均匀的，则管道内任意断面x上的流量可以表示为：
qx
qt
沿程水头损失计算公式的指数形式为：
或
或 hf sf qn
式中，k、n、m─指数公式的参数。见表3.6； α―比阻，即单位管长的摩阻系数， α =k/Dm； sf―摩阻系数，sf= α l=kl/Dm。
沿程水头损失指数公式的参数
表3.6
3.3 非满流管渠水力计算
在排水管网中，污水管道一般采用非满管流设计，雨水管网一般采用 满管流设计，如图3.1所示。在两者的运行过程中，大多数时间内，均 处于非满管流状态。
第3章 给水排水管网水力学基础
3.1 给水排水管网水流特征
3.1.1 管网中的流态分析
在水力学中，水在圆管中的流动有层流、紊流及过渡流三种流态，可以根据雷诺数 Re进行判别，其表达式如下：
Re
VD
式中，V－管内平均流速（m/s）；D－管径(m)；ν－水的运动粘性系数，当水温为 10oC时，ν＝1.308 x 10-6m2/s，当水温为30oC时，ν＝0.804 x 10-6m2/s，当水温为 50oC时，ν＝0.556 x 10-6m2/s。 当Re小于2000时为层流，当Re大于4000时为紊流，当Re介于2000到4000之间时， 水流状态不稳定，属于过渡流态。
第3章管网水力学
第3章 管网水力学
3.3 管道的水力等效简化
水力等效简化原则：等效后管网与原系统具有相 同的水力特性。
第3章 管网水力学
3.3 管道的水力等效简化
3.3.1 串联和并联管道的简化
串联管道的简化
L
l1
l2
lN
d1
d2
dN
串联管道
l d [ N
hp he spqpn
当不计管路水头损失时，则有如下流量与扬程对应关 系，见下表
第3章 管网水力学
3.4 水泵和泵站
3.4.2 水泵和泵站特性曲线
单台q 单台he 单台sp 单台hp N台q N台he N台sp N台hp
q
he
sp
hp
Nq
he
？？ hp？
得同型号水泵并联水力特性公式
hp he sp/ (Nqp )n he spqpn
2. hf 1051.852* 0.74.87 *800 2.25m 3.ξ=0.9*2+0.1*6+0.19*2=2.78
1.2482 4. hm 2.78* 2*9.8 0.22m
5.0.22/2.25=0.10=10%.
第3章 管网水力学
3.2 管渠水头损失计算
3.2.3 非满管流水力计算
]1/ m
li
dm
i1
i
当串联管段管径相同时呢？
第3章 管网水力学
3.3 管道的水力等效简化
3.3.1 串联和并联管道的简化
并联管道的简化
d1
q1
d2
q2
dN
qN
d
q
并联管道
第3章-给水排水管网水力学基础
n
d (N)m di
kqNn l
d
m N
干管配水情况
3.4.2 沿线均匀出流的简化
给水管网中的配水管沿线向用户供水，如图3.6所示。假设沿线出流是 均匀的，则管道内任意断面x上的流量可以表示为：
qx
qt
l
l
x
ql
沿程水头损失：
h f
l
k (qt
l
l
x
2y) D
或
y / D (1 cos ) / 2
2
式中，θ的单位为弧度。
过水断面面积、湿周 和水力半径依次为，
A D2 ( sin ) ，
8
D 和
2
R A D ( sin ) 4
设该管道的坡度为I，满管流时的过水断面面积、水力半径、流量和流速分别 为A0、R0、q0和v0，可得
A0 D2 / 4 ， R0 D / 4 ，
3.1.2 恒定流与非恒定流 由于用水量和排水量的经常性变化，给水排水管道中的流量和流速随时间变化，
水流经常处于非恒定流（又称非稳定流）状态。但是，非恒定流的水力计算 比较复杂，在管网工程设计和水力计算时，一般按恒定流（又称稳定流）计 算。 随着计算机技术快速发展与普及，国内外已经开始研究和采用非恒定流计算给水 排水管网，而且得到了更接近实际的结果。
hf
l v2
D 2g
式中 D──管段直径（m）；g──重力加速度（m/s2）； λ──沿程阻力系数， 8g。 C2
常用管材内壁当量粗糙度e（mm）
表3.1
3.2.3 局部水头损失计算
计算公式 ：
局部阻力系数ζ
式中，hm ──局部水头损失，m； ζ──局部阻力系数，见表3.5。
第三章 给水排水管网水力学基础
3.1 给水排水管网水力学基础
流态特征
水的三种流态： 水的三种流态：
层流 Re<2000 紊流 Re>4000 过渡流 2000~4000
给水排水管网水流一般处在紊流流态 给水排水管网水流一般处在紊流流态 紊流流态分为三个阻力特征区： 紊流流态分为三个阻力特征区：
阻力平方区 水头损失与流速平方成正比 水头损失和流速1.75~2次方成正比 过渡区 水头损失和流速 次方成正比 水头损失和流速1.75次方成正比 水力光滑管区 水头损失和流速 次方成正比
5 3
2）根据充满度h/D，查表 得A/A0，然后用下式计算流速 。 ）根据充满度 然后用下式计算流速v。 ，查表3.7得
q A 4q 1.273q v ⇒v= = = 2 2 2 A0 πD πD ( A / A0 ) D ( A / A0 ) 4
已知某污水管道设计流量为q=100L/s，根据地 例3.1已知某污水管道设计流量为 已知某污水管道设计流量为 ， 形条件可以采用水力坡度为I=7%，初拟采用管径 形条件可以采用水力坡度为 ， D=400mm的钢筋混凝土管，粗糙系数 的钢筋混凝土管， 的钢筋混凝土管 粗糙系数nM=0.014，求 ， 其充满度h/D和流速 。 和流速v。 其充满度 和流速 用粗糙度系数、管径和水力坡度带入式3.32计算： 计算： 解 用粗糙度系数、管径和水力坡度带入式 计算
沿程水头损失计算公式的指数形式： 沿程水头损失计算公式的指数形式：
kq n h f = m l ⋯或h f = s f q n D k , n, m − 指数公式参数 kl s f 摩阻系数, s f = m D
参数 K n m 海曾威廉公式 曼宁公式 10.67/Cw1.852 10.29nM2 1.852 4.87 2.0 5.333 舍维列夫公式 0.001798 1.911 5.123
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沿程水头损失与局部水头损失之和：
sm s f
式中 Sg——管道阻力系数；s g
非满流管渠水力计算简化法一 方法：
水力计算图表
首先根据已知资料，计算出流量Q，根据Q值可初步确定 管径D；然后，根据Q、D值，求I、h/D、v值。在这三个未知 数中，还需知道一个参数，才能求得另外两个，此时可以在 三个参数中先假设一个值，比如流速为最小流速，或是坡度 为最小坡度，或是充满度满足一定要求等，之后进行查表或 查图，就可得出其余两个未知数；最后要进行校核，若得出 的两个参数满足其规定的要求，则计算完成，若不满足要求 ，则需调整假设值，甚至管径D，重新进行计算。 水力计算图适用于混凝土及钢筋混凝土管道，其粗糙系 数 n＝0.014。每张图适用于一个指定的管径。我国《室外排 水设计规范》和《给水排水设计手册》推荐此法。
例2 已知D=400mm,充满度h/D=0.57,i<0.007, 求i。
例3 已知钢筋混凝土排水管n=0.013，设计流 量q=100L/s，充满度h/D=0.65，最大水力坡度 为I=7%，求最小管径D。
3.4
管道的水力等效简化
采用水力等效原理，将局部管网简化成简单的形式。 多条管道串联或并联，等效为单条管道； 管道沿线分散出流或入流，等效为集中出流或入流； 泵站多台水泵并联工作可以等效为单台水泵。
沿程水头损失计算公式的指数形式：
k , n, m 指数公式参数 kl s f 摩阻系数, s f m D
沿程水头损失指数公式参数
参数 K
海曾威廉公式 10.67/Cw1.852
曼宁公式 10.29nM2
n m
1.852 4.87
2.0 5.333
局部水头损失公式的指数形式：
s m 局部阻力系数
q A 4q 1.273q v2 v A0 D D 2 ( A / A0 ) D 2 ( A / A0 ) 4
例1 已知某污水管道设计流量为q=100L/s，根据地形 条件可以采用水力坡度为I=7%，初拟采用管径 D=400mm的钢筋混凝土管，粗糙系数nM=0.014，求其充 满度h/D和流速v。
压力流：水体沿流程整个周界与固体壁面接触，无 自由液面，满管流动，又称管流。
压力流输水通过封闭的管道进行，水流阻力主要依靠水 的压能克服，阻力大小只与管道内壁粗糙程度有关、管道长 度和流速有关，与管道埋设深度和坡度无关。
重力流：水体沿流程一部分与固体壁面接触，另一 部分与空气接触，具有自由液面。非满管流动，又 称明渠流。
1、串联管道的简化
l
l1 d1 l2 d2 lN dN
1 m
根据水力等效的原则：
l kqnl N kqnli m 经变换有：d N m li d i 1 d i m d i 1 i
2、并联管道的简化
q
d1 q1 d2 q2 dN qN 将它们等效为一条直径为d，长度为l的管道，输送流 量q=q1+q2+…qN。
例1 已知n=0.014,D=300mm,I=0.004,Q=30L/s,求v和h/D
充满度
精 度 低
坡 度
流速
通 用 性 差
流量
例1 已知n=0.014,D=300mm,I=0.004,Q=30L/s,求v和h/D
已知
求 流量q 管径D 水力坡度I
1 A0 R 0 I nM
2 3 5 3 1 2
测压管水头
水头损失：流体克服流动阻力所消耗的机械能。
水头损失分为
沿程水头损失 局部水头损失
（1）柯尔勃洛克-怀特公式
适用于各种紊流，是适用性和计算精度最高的公式。
e C C 17.71lg( ) 14.8 R 3.53Re 1 e 2.51 或 2lg( ) 3.7D Re
（4）曼宁公式
巴甫洛夫斯基公式中y=1/6时的特例，适用于 明渠或较粗糙的管道计算。
代入谢才公式
nM——曼宁公式粗糙系数。
3.2.2
沿程水头损失计算公式的比较与选用
1）柯尔勃洛克-怀特公式适用范围广，精度高，计 算繁琐，需用计算机计算。 2）巴甫洛夫斯基公式适用范围广，精度高，特别适 用于较粗糙的管道和较大范围流态，1.0≤e≤5.0mm； 计算繁琐，需用计算机计算。 3）曼宁公式特别适用于较粗糙的非满管流和明渠均 匀流，0.5≤e≤4.0mm； 4）海曾－威廉公式特别适用于较光滑的管道，即给 水管网。
3.2.3 局部水头损失计算
hm — 局部水头损失， m；
— 局部阻力系数。
局部阻力系数ξ 局部阻力设施 ξ 局部阻力设施 ξ
全开闸阀
50%开启闸阀 截止阀
0.19
2.06 3~5.5
90。弯头
45。弯头 三通转弯
0.9
0.4 1.5ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
全开蝶阀
0.24
三流直流
0.1
3.2.4
水头损失公式的指数形式
重力流管渠中水面与大气相通，非满流，水流阻力依靠 水的位能克服，形成水面沿水流方向降低。 给水多压力流，排水多重力流； 长距离输水重力流，排水泵站出水管、倒虹管压力流。
水流的水头与水头损失
水头：单位重量的流体所具有的机械能，
用h或H表示，单位米水柱(mH2O)。
位置水头Z 水头分为 压力水头P/r 流速水头v2/2g
恒定流与非恒定流
恒定流：水体在运动过程中，其各点的流速和压力 不随时间而变化，而与空间位置有关的流动。
非恒定流：水体各点的流速和压力不仅与空间位置 有关，还随时间而变化的流动。
在设计时一般只能按恒定流计算。
均匀流与非均匀流
均匀流：液体质点流速的大小和方向沿流程不变。 非均匀流：液体质点流速的大小和方向沿流程变 化，水流参数随时间和空间变化。
满管流动 1）如管道截面在一段距离内不变且不发生转弯，为均匀流， 管道对水流阻力沿程不变，采用沿程水头损失公式计算； 2）当管道在局部分叉、转弯与变截面时，流动为非均匀流， 采用局部水头损失公式计算。 非满管流或明渠流 只要长距离截面不变，可以近似为均匀流，按沿程水头损 失公式计算。
压力流与重力流
充满度h/D 流速v
R0
1）先由下式计算q/q0，反查表3.7的充满度h/D； q q D 2 D
q0 A0 4 4
q 4 nM q 3.208nM q 2.667 0.5 8 1 q0 3 2 D I D I
2）根据充满度h/D，查表3.7得A/A0，然后用下式计算流速v。
e ——管壁当量粗糙度，m。
简 化 为 直 接 计 算 式
（2）海曾-威廉公式
适用:较光滑的圆管满流管紊流（给水管道）
代入达西公式
q——流量，m3/s； Cw——海曾-威廉粗糙系数。
（3）巴甫洛夫斯基公式
适用于明渠流和非满流排水管道计算。
代入谢才公式
式中y 2.5 n B 0.13 0.75 R ( n B 0.1) n B 巴甫洛夫斯基公式粗 糙系数
根据水力等效的原则：
kq nl kq1 l kq2 l kqN l m m m m d d1 d2 dN N m n 经变换：d d i i 1
n m
n
n
n
第三章 给水排水管网水力学基础
3.1 给水排水管网水流特征
流态特征
Re 2000 层流： 1.流态过渡流 : 2000 Re 4000 Re 4000 （给排水管网一般按紊 流考虑） 紊流：
2 阻力平方区（粗糙管区 ） h v（管径 D较大或管壁较粗糙） .0 2.紊流过渡区 h v1.75～2（管径 D较小或管壁较光滑） 水力光滑区 h v1.75