简单管道的水力计算(精)
5.3 短管水力计算——学习材料
学习单元三、短管水力计算一、管流概述在水利土木工程和日常生活中，经常用管道来输送液体，如水利工程中的有压引水隧洞、有压泄洪隧洞、水电站的压力管道、灌溉工程中的虹吸管和倒虹吸管、抽水机的吸水管和压水管、建筑或城市给排水工程中的自来水管、通风热水管道、石油工程中的输油管、人体中的血管等，都是常见的有压管流。
有压管流一般都采用圆形管道输送。
水流运动的特点是：整个断面被液体所充满，没有自由液面，管道的整个边壁上都受动水压强作用，而且一般不等于大气压强。
因此，管流又称为有压流。
管道中的断面如果未被水冲满，则不能视为有压流，是无压流动（明渠流动）根据管道中水流的沿程水头损失、局部水头损失及流速水头所占的比重不同，管流可分为长管流动和短管流动。
长管即管道中水流的沿程水头损失较大，而局部水头损失和流速水头很小，此两项之和只占沿程水头损失5%以下，以致可以忽略不计。
一般自来水管可视为长管。
短管即管道中局部水头损失与流速水头两项之和占沿程水头损失的5%以上，水力计算时不能忽略，必须一起考虑在内。
虹吸管、倒虹吸管、坝内泄水管、抽水机的吸水管等，均可按短管计算。
特别需要指出的是，长管和短管并不是按管道的长度分类的，即使很长的管道，局部水头损失和流速水头不能忽略时，仍应按短管计算。
根据水流运动要素随时间是否变化，可分为有压恒定流和有压非恒定流。
当管中任一点的水流运动要素不随时间而改变时，即为有压恒定流，否则为有压非恒定流。
本课程主要研究有压恒定流的计算。
本节先介绍短管流动下图5-6表示一段短管的自由出流过程。
列1-1断面和2-2断面的能量方程，有：212222201-+=+w h gv g v H αα令0212H gv H =+α，称为作用水头。
又有∑∑+=-j f w h h h 21。
因此g v d lH 2)(220∑++=ξλα取 12=α 则g v dlH 2)1(2∑++=ξλ图5-6 短管的自由出流管中流速0211gH dl v ∑++=ξλ通过管道流量 002211gH A gH A dl Q c μξλ=++=∑式中 ∑++=ξλμdl c 11称为管道系统的流量系数。
雨水管道水力计算书
7.01
393.30
0.4
1103.29
10.75
0.75
1.00
3.0
98
0.29
2.17
1707.1
Y69
Y74
1.50
0.00
1.50
404.35
0.4
242.61
10.00
0.00
0.60
1.0
159
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0.89
252.4
Y74
Y79
1.96
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3.46
369.09
0.4
510.82
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0.55
318.02
10.00
0.00
0.60
2.0
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0.40
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356.9
Y212
Y211
0.00
5.43
5.43
401.93
0.4
872.99
10.16
0.16
0.80
3.0
18
0.05
1.87
941.5
Y236
Y239
2.98
0.00
2.98
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361.25
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0.42
1.87
941.5
Y198
Y203
2.54
0.00
2.54
404.35
0.2
205.41
10.00
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1.55
437.2
Y203
Y204
0.00
6.88
.简单管道短管淹没出流的水力计算
.简单管道短管淹没出流的水力计算简单管道是生产实践中最常见的一种管道，也是复杂管道的组成部分。
如水泵的吸水管、虹吸管等都是简单管道。
在各种管道的水力计算中，简单管道的水力计算是最基本的。
需要指出的是，任何类型的简单管道的计算，都是根据具体的条件，按照定常总流能量方程进行的。
因此，本节所讨论的各种管道的水力计算，都应视为对定常总流能量方程的实际应用。
本节将讨论简单管道的自由出流、淹没出流的水力计算问题;给出在长管情况下的简单管道的水力计算方法;提供对管道中动水压强的沿程分布的分析方法;也给出管道直径的计算和选定原则，以及水泵装置、虹吸管的水力计算方法。
7．1．1 两种典型出流的水力计算问题1．自由出流的水力计算凡经管道出口流入大气的水流过程，称为自由出流。
如图7-1所示。
图7-1 简单管道自由出流示意图图7-1为一简单管道和水池相连接，末端出口水流流入大气。
现取通过管道出口中心的水平面0—0为基准面，在水池中距管道入口上游较远处取截面1—1，该截面符合渐变流的条件，并在出口截面处取截面2—2，如图7-1所示。
然后对截面1—1和截面2—2建立能量方程式中:v0——水池中的流速，也称行进流速;v——管道中流速;H——管道出口截面中心到水池水面的高差。
式(7-1)还可以写成式中:H0=——包括行进流速水头在内的总水头，又称为作用水头。
式(7-2)表明，简单管道在自由出流的情况下，管道的总作用水头一部分消耗于整个管道的水头损失hw，另一部分转化为出口截面2—2处的流速水头。
其中水头损失hw为管道中的沿程水头损失和局部水头损失之和，即则式(7-2)可以写成式(7-3)为简单管道在自由出流的情况下，水流应满足的方程。
解这个方程，可得H、v等有关的物理量。
2．淹没出流的水力计算如果管道的出口是淹没在水下的，这种水流过程称为淹没出流。
如图7-2所示。
图7-2 简单管道淹没出流示意图显然，在淹没出流的情况下，下游水位的高低变化将影响管道的输水能力。
简单管道的水力计算精
hf
k
Q2 K2
l 0.1522 2.464 2
2500 9.5m
H1 2 1 H 2 h f 45 61 25 9.5 18.5m
第六章 孔口、管嘴出流与有压管流
§6.4 简单管道水力计算的基本类型
3. 管道管线布置已定，当要求输送一定的流量时，确定所需 的断面尺寸（圆形管即确定直径）。这时可能出现下列两 种情况：
这种类型的题一般在输流工程中用到的较多，按长管计算：
H
hf
Q2 l, K K2
AC
R,C
1
R
1 6
或者用查表法。
n
供水工程中当 v 1.2时m s
H
hf
k
Q2 K2
l
当 v 1.2时m s
H
hf
k
Q2 K2
l
式中k 查表可得
式中 k 1
第六章 孔口、管嘴出流与有压管流
§6.4 简单管道水力计算的基本类型
2. 管道的输流能力，管长已知，要求选定所需的管径及相应的水头。 这是工程中常见的实际问题。通常是从技术和经济两方面综合考虑，
确定满足技术要求的经济流速。 ①管道的技术要求。流量一定的条件下，所选管径的大小影响着管中的 流速，所选管径应使流速控制在既不会产生过大的压力，降低管道的使 用寿命，又不能过小，使泥沙沉积，阻塞管路。一般情况下，水电站引 水管中流速不应大于（5～6）m/s ，给水管中的流速不应大于（2.5～3） m/s，不应小于0.25m/s 。
例6.2 由水塔向工厂供水，如图所示，采用铸铁管，管长2500m，
管径400mm。水塔处地形标高为 ，工厂1 需61水m 量
，工
厂地Q 形 0标.15高2 m3 s ，管路末端需要的2 自 4由5m水头 ，试设计水塔高
伟星PE给水管道水力计算(精)
伟星PE给水管道水力计算系统设计同其它种类的管道一样，PE管道系统在设计时应综合考虑埋理条件、流体性质、工作条件、温度范围、安装技术和工种费用等多种设计因素，但是其中最重要的设计为强度设计和水力计算两个部分。
强度计算聚乙烯管道的工作压力可由下式计算PN二2σs e／(D—e二2σs／(SDR—1其中σs=MRS／Fd这里：PN二管材公称压力σs=设计应力，MPaD=平均外径，mme=最小壁厚，mmSDR=标准尺寸化MRS=最小要求强度(20℃，50年，MPaFd=设计系数20℃时，MRS设计应力σs和设计系数之间的对应关系如下表：作为供水用PE管道系统，设计系数F d一般选择1.25，对于PE80级别的PE管材，对应的设计应力Q s为6.3MPa。
例如-SDR17的PE100管道，由上述计算可知，该管道的公称压力为PN10.此外，聚乙烯管道的耐压强度与温度有关，当管道的工作温度偏离20℃时，最大工作压力(MOP应按下列公式计算：MOP=PN*Ft Ft为温度折减系数水力计算压力损失计算管道的压力可按照达西—威斯巴赫公式进行计算：hf=入(L j／d ）(V 2／2g式中：hf=摩擦损失：L=管道长度：d j =管道计算内径 g=重力加速度；V=平均流速； 入二摩阻系数紊流状态下，摩阻系数入可由阿里特苏里公式计算：入＝0.11(K ／d j +68／Re0.25式中：K=管内壁绝对粗糙度(mm ，对于PE 管；K=0.01mm Re=雷诺数；d j =管道计算内径(mm管件局部阻力水头损失按下式计算：h=KV 2／2g式中：h=局部水头损失：m v=水流速度，m/s g=重力加速度，m/s 2 K=各种管件的摩阻系数常见管件摩阻系数K 值如下:通常在设计过程中，为了简化设计，局部水头损失宜按下列管网沿途水头损失的百分数采用：生活给水管网25—30％；生产给水管网，生活、消防共用给水管网，生活、生产、消防共用给水管网均为20％。
管网水力计算(精)
例题：某城市供水区总用水量93.75L/s.节点４接某工 厂，工业用水量为6.94L/s 。节点0-8都是两边供水。 求比流量
水塔
3 2
水泵
600 0 300 1 450 4
650
8
5
6
7
1.管线总长度：ΣL＝2425m，其中水塔到
205
节点0的管段两侧无用户不计入。
2.比流量：
(93.75－6.94)÷2425＝0.0358L/s
4.5.2 管网图形及简化
1.管网设计图中的元素 (1)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 (2)管段：两个相邻节点之间的管道管线：顺序 相连的若干管段 (3)环：起点与终点重合的管线 ①基环：不包含其它环的环 ②大环：包含两个或两个以上基环的环
③虚环：多水源的管网，为了计算方便，有时将两 个或多个水压已定的水源节点（泵站、水塔等） 用虚线和虚节点0连接起来，也形成环，因实际上 并不存在，所以叫做虚环。
管段编号
1-2 2-3 3-4 1-5 3-5 4-6 5-6 6-7
合计
管段计算总长度 （m）
800 0.5×600=300
0.5×600=300 0.5×600=300
800 800 600 500
4400
比流量 (L/s.m) 0.03182
沿线流量 (L/s)
25.45 9.55 9.55 9.55 25.45 25.45 19.09 15.91
（1）消防时：假设在泵房供水区、水塔供水区各又 一着火点，每个消防用水额定（20L/S）
泵房节点流量为 237.5+20=257.5 水塔节点流量为54.2+20=74.2
简单管道的水力计算(精)
第六章
虹吸管示意图
孔口、管嘴出流与有压管流
§6.5 简单管道水力计算特例
虹吸管长度一般不大，故应按短管计算，以例说明。 1. 虹吸管流量的计算 根据淹没出流的公式计算 Q S A 2 gH 2. 虹吸管安装高度的计算
S
1 l d
以下游断面为基准面，列出上游断面和顶部断面的能量方程
压力管的管径是由经济流速来确定，
重要的工程要对几种可能的方案进 行技术经济比选。
水泵的装机容量就是确定动力装
置的功率。其计算公式为
gQH t Pp 1000 p
第六章
水泵水力计算示意图
孔口、管嘴出流与有压管流
欢 迎 提 问
如果您有任何问题， 请毫不犹豫地提出 !
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第六章
孔口、管嘴出流与有压管流
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第六章
孔口、管嘴出流与有压管流
§6.5 简单管道水力计算特例
1. 虹吸管的水力计算
虹吸管是一种压力输水管道， （如图）顶部弯曲且其高程高于上游 供水水面。若在虹吸管内造成真空， 使作用在上游水面的大气压强和虹吸 管内压强之间产生压差，水流即能超 过虹吸管最高处流向低处。虹吸管顶 部的真空理论上不能大于最大真空值， 即10米高水柱。实际上当虹吸管内压 强接近该温度下的汽化压强时，液体 将产生汽化，破坏水流的连续性。故 一般不使虹吸管中的真空值大于7－8 米。
排水管道水力计算表格(自编)
钢筋混凝土管 粗糙系数 0.014
公称直径dn（mm） dn200 dn300 dn400 计算内径（mm） 200 300 400 对应流速v（m/s） 0.61 0.8 0.97 对应流量q(L/s） 9.58 28.27 60.95 备注：计算内径即为管道内径，钢筋混凝土管管道内径即为公称直径，不
硬聚氯乙烯双壁波纹管 粗糙系数 0.009
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
dn280 243 1.09 25.28 备注：计算内径即为管道内
管道水力计算
dn200 188.8 0.92 12.88 dn250 dn315 236 297.8 1.07 1.24 23.4 43.18
dn75 dn90 dn110 dn125 dn160 69.6 83 102.4 117.4 150.8 0.47 0.53 0.61 0.67 0.79 0.89 1.43 2.51 3.63 7.05 T5836.1-2006《建筑排水用硬聚氯乙烯管材》P2。
dn200 202.4 0.67 10.78
dn250 dn300 255.2 304 0.78 0.87 19.95 31.57
dn500 dn600 dn700 dn800 dn900 500 600 700 800 900 1.13 1.28 1.41 1.54 1.67 110.94 180.96 271.32 387.04 531.2 管道内径即为公称直径，不同级别壁厚要求不一样。
柔性接口铸铁管（A型TB 级） 粗糙系数 0.013
公称直径dn（mm） dn50 计算内径（mm） 50 对应流速v（m/s） 0.26 对应流量q(L/s） 0.26 备注：计算内径即为管道内径，取值参照GBT12772-1999《排水用柔性接口
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k 1
Q2 0.152 2 hf k 2 l 2500 9.5m 2 K 2.464
H 1 2 1 H 2 h f 45 61 25 9.5 18.5m
Δ
水塔
H
H1 H2
Δ Δ
1 2
例
6.2
图
第六章
孔口、管嘴出流与有压管流
§6.4 简单管道水力计算的基本类型
因为管道的长度较大，考虑按照长管计算。 解： 列出水厂断面和工厂断面的能量方程
1 H 1 2 H 2 h f
当管径 d 400mm，查表铸铁管 K 2.464 10 3 l s
求得K值后反查表就可得d
A 2 gH C
② 对于短管
Q 1 d
1
4
l d
d 2 2 gH
4Q
C 2 gH
, c 1
1 l d
采用试算法
第六章
孔口、管嘴出流与有压管流
§6.4 简单管道水力计算的基本类型
2. 管道的输流能力，管长已知，要求选定所需的管径及相应的水头。 这是工程中常见的实际问题。通常是从技术和经济两方面综合考虑， 确定满足技术要求的经济流速。 ①管道的技术要求。流量一定的条件下，所选管径的大小影响着管中 的流速，所选管径应使流速控制在既不会产生过大的压力，降低管道 的使用寿命，又不能过小，使泥沙沉积，阻塞管路。一般情况下，水 电站引水管中流速不应大于（5～6）m/s ，给水管中的流速不应大于 （2.5～3）m/s，不应小于0.25m/s 。 ②管道的经济效益。重要的管道在选取管径时一般应选择几个方案进 行比选，选出一种方案，使得管道投资和运转的总费用最小，但是工 程中，费用最小的并非各方面最优或可行，往往是选一种经济上合理 工程上可行的方案作为最终设计方案，这样选定的流速称为经济流速， 对应的直径为经济直径。具体数值可参照有关设计手册。
第六章
孔口、管嘴出流与有压管流
欢 迎 提 问
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第六章
孔口、管嘴出流与有压管流
§6.5 简单管道水力计算特例
1. 虹吸管的水力计算
虹吸管是一种压力输水管道， （如图）顶部弯曲且其高程高于上游 供水水面。若在虹吸管内造成真空， 使作用在上游水面的大气压强和虹吸 管内压强之间产生压差，水流即能超 过虹吸管最高处流向低处。虹吸管顶 部的真空理论上不能大于最大真空值， 即10米高水柱。实际上当虹吸管内压 强接近该温度下的汽化压强时，液体 将产生汽化，破坏水流的连续性。故 一般不使虹吸管中的真空值大于7－8 米。
流量系数
Q C
c
1 l i d
c
1 4.89 4.6
0.325
d 2
4
2 gH 0.325
0.15 2
4
2 9.8 6.3 0.064 m 3 s 64 l s
第六章
孔口、管嘴出流与有压管流
§6.4 简单管道水力计算的基本类型
第六章 孔口、管嘴出流与有压管流
§6.4 简单管道水力计算的基本类型
4. 对于一个管道尺寸、水头和流量已知的管道，要求确定管 道各断面的压强的大小
根据能量方程，管路中任意断面处的测压管水头为：
p v2 ( z ) i H 0 ( h f h j ) 0 i 2g
即管路中任意断面i 处的测压管水头等于总水头H0 减去该断 面以前的沿程水头损失与局部水头损失，再减去该断面的流速水 头。把各断面的测压管水头连接起来，就得到整个管路的测压管 水头线。
2. 当已知管道的尺寸和输流能力时，计算水头损失，即要 求确定通过一定流量所必须的水头。
这种类型的题一般在输流工程中用到的较多，按长管计算：
Q2 1 H h f 2 l , K AC R , C R 6 或者用查表法。 n K
1
供水工程中当 v 1.2 m s 时
Q2 H hf k 2 l K 当 v 1.2 m s 时 Q2 H hf k 2 l K
§6.4 简单管道水力计算的基本类型
对于恒定流，有压管道的水力计算主要有下列几种：
1. 输水能力计算
当管道的布置、断面尺寸d 及作用水头H 已知时，要求确定管
Δ 渗水池 ζ e=0.5 排水管 Δ ζ =0.5
阀
道通过的流量。
例6.1 计算某水电厂由渗
水池排入集水井的流量，已 知排水管的糙率 n 0.0125， 管径d 150mm ，管长l 20m ， 其他数据如图所示。
第六章
孔口、管嘴出流与有压管流
§6.4 简单管道水力计算的基本类型
3. 管道管线布置已定，当要求输送一定的流量时，确定所需 的断面尺寸（圆形管即确定直径）。这时可能出现下列两 种情况：
1. 管道的输流能力Q，管长l 及管道的总水头H 均已确定。
Q2 Q 2l Q H 2 l, K ① 对于长管 H K H l
ζ =0.5
弯
集水井 ζ o=0.5
例 6.1图
第六章 孔口、管嘴出流与有压管流
§6.4 简单管道水力计算的基本类型
由图可知该排水装置系淹没出流，其计算公式为 解：
1 1
Q c A 2 gH
在淹没出流情况下，作用水头为上、下游水位差 H 45 38.7 6.3m
依据
n 0.0125
第六章
式中k 查表可得
式中 k 1
孔口、管嘴出流与有压管流
§6.4 简单管道水力计算的基本类型
例6.2 由水塔向工厂供水，如图所示，采用铸铁管，管长 2500m，管径400mm。水塔处地形标高为 61m，工厂需水
1பைடு நூலகம்
量 Q 0.152 m 3 s，工厂地形标高 2 45m，管路末端需要的自由水 头 H 2 25m，试设计水塔高度H。
和
1 d 1 0.15 6 d 150 mm ， C ( ) 6 ( ) 46.28 n 4 0.0125 4
8 g 8 9.8 0.0367 2 2 C 46.28
l 20 0.0367 4.89 d 0.15
i
0.5 1.1 2.0 1.0 4.6