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1、第第5 5章章 管段流量、管径和水管段流量、管径和水头损失失5.1 5.1 管网管网计算的算的课题 内内 容：求出一切管道的直径、水容：求出一切管道的直径、水头损失、水失、水泵扬程和水塔高度。并程和水塔高度。并对事事故故时、消防、消防时、最大、最大转输时的水的水泵扬程程进展展较核。核。 重要性：管道工程的建立投重要性：管道工程的建立投资占整占整个个给水系水系统总投投资的的 60 6080%80%，输配配水所需的水所需的动力力费用占用占给水系水系统运运转总费用的用的404070%70%。 步步骤：绘制制计算草算草图，对节点和管段点和管段顺序序编号，号，标明管段明管段长度和度和节点地形点地形标高；
2、高；按最高日最高按最高日最高时计算比流量、沿算比流量、沿线流量和流量和节点流量；点流量；对各管段各管段拟定水流方向，定水流方向，进展流量分配；展流量分配；初步确定各管段的管径和水初步确定各管段的管径和水头损失；失；进展管网水力展管网水力计算和技算和技术经济计算；算；确定水塔高度和水确定水塔高度和水泵扬程；程；根据管网各根据管网各节点的点的压力和地形力和地形标高，高，绘制等制等水水压线和自在水和自在水压线图。5.2 5.2 管网管网图形及形及简化化 管网管网图形：根据形：根据图论的根本原理，的根本原理，图由由“弧和弧和“顶点两部分点两部分组成。成。给水水管网的几何管网的几何图形可以形可以笼统地以
3、地以为是由管是由管段和段和节点构成的有向点构成的有向图，如将管段看成，如将管段看成“弧，弧，节点看成点看成“顶点，那么管网本点，那么管网本身也是一种身也是一种“图。 管网管网图形中每个形中每个节点点经过一条或多一条或多条管段和其他条管段和其他节点相点相衔接。假接。假设舍去后，舍去后，会破坏会破坏“图的延的延续性的管段，称性的管段，称为联络管段。去除后会破坏管段。去除后会破坏“图的延的延续性性的的节点，称点，称为铰点。点。铰点铰点联络管段联络管段 节点：有集中流量点：有集中流量进出、管道合并或出、管道合并或分叉以及分叉以及边境条件境条件发生生变化的地点化的地点 管段：两个相管段：两个相邻节点之点
4、之间的管道的管道 管管线：顺序相序相连的假的假设干管段干管段 环：起点与：起点与终点重合的管点重合的管线 基基环：不包含其它：不包含其它环的的环 大大环：包含两个或两个以上基：包含两个或两个以上基环的的环管段管段基环基环节点节点管线管线大环大环 在保在保证计算算结果接近果接近实践情况的前提下，践情况的前提下，为方便方便计算可算可对管管线进展适度展适度简化。化。 忽略：管网中主要起忽略：管网中主要起联络作用的管段，作用的管段，由于正常运由于正常运转时流量很小，流量很小，对水力条件的影水力条件的影响很小，响很小，计算算时可以忽略。可以忽略。 分解：只需一条管段分解：只需一条管段衔接的两个管网可接的
5、两个管网可分解成两个管网分解成两个管网进展展计算；管网末端水流方算；管网末端水流方向确定的部分可分开向确定的部分可分开计算；算；环状网上接出的状网上接出的树状网分开状网分开计算。算。 节点合并：点合并：间隔很近的两个隔很近的两个节点点计算算时可可视为一个一个节点。点。 管段合并：管段合并：长度近似相等、彼此几度近似相等、彼此几乎平行且相距很近的两条管段乎平行且相距很近的两条管段计算算时可可合并。合并。 等效管段的比阻：等效管段的比阻：等效管段的等效管段的长度：度：节点节点合并合并管段合并管段合并分解分解忽略忽略5.3 5.3 沿沿线流量和流量和节点流量点流量 比流量：比流量：为简化化计算而将除
6、去大用算而将除去大用户集集中流量以外的用水量均匀地分配在全部有效中流量以外的用水量均匀地分配在全部有效干管干管长度上，由此度上，由此计算出的算出的单位位长度干管承度干管承当的供水量。当的供水量。 城城镇中用水量中用水量规范不同的区域范不同的区域应分分别计算比流量。算比流量。公园公园邻居邻居邻居邻居邻居邻居邻居邻居邻居邻居邻居邻居邻居邻居邻居邻居 沿沿线流量：干管有效流量：干管有效长度与比流量的度与比流量的乘乘积。 按管道按管道长度度计算的比流量不能反映供算的比流量不能反映供水人数和用水量的差水人数和用水量的差别，可采用按面，可采用按面积计算比流量的方法。算比流量的方法。 管网中除最末端的管段外
7、，其他任一管段管网中除最末端的管段外，其他任一管段的流量都由两部分的流量都由两部分组成，一部分是本管段沿程成，一部分是本管段沿程配水配水产生的流量，即沿生的流量，即沿线流量，另一部分是流量，另一部分是经过该管段保送到下游管段的流量，称管段保送到下游管段的流量，称为转输流流量。量。 节点流量：沿点流量：沿线流量只需概念上的意流量只需概念上的意义，在水力，在水力计算算时应将沿将沿线流量按适当比流量按适当比例分配到两各例分配到两各节点，成点，成为节点流量。沿点流量。沿线流量流量转换成成节点流量的原那么是管段的水点流量的原那么是管段的水头损失一失一样。集中流量集中流量处置：置：5.4 5.4 管段管段
8、计算流量算流量 树状管网的管段流量具有独状管网的管段流量具有独一性。一性。泵站泵站56385646273545286142733341217726234775 环状管网状管网满足延足延续性条件的流量分配方性条件的流量分配方案可以有无数多种。案可以有无数多种。 15101312181617141976125271485819123359134602495111357301024985.5 5.5 管径管径计算算 管道直径、管段管道直径、管段计算流量和算流量和水流速度之水流速度之间满足以下关系：足以下关系： 在确定的在确定的计算流量下，管道直径是流算流量下，管道直径是流速的函数：速的函数： 从技从
9、技术上思索，水流的最大速度上思索，水流的最大速度应不超不超越越2.53.0米米/秒防止水秒防止水锤，最小速度不，最小速度不得小于得小于0.6米米/秒防止堆秒防止堆积。 从从经济上思索，上思索，较大的水流速度可减小大的水流速度可减小管道直径，降低工程造价；但由于水流速度管道直径，降低工程造价；但由于水流速度大而会大而会导致水致水头损失添加，从而加大运失添加，从而加大运转的的动力力费用。合理的流速用。合理的流速应该使得在一定年限使得在一定年限投投资归还期内管网造价与运期内管网造价与运转费用之和用之和最小。最小。 设Wt为总费用，用，C为管网造价，管网造价，M1为年度运年度运转电费，M2为年折旧年折
10、旧费用，用，t为投投资归还年限。那么有：年限。那么有：投投资归还期内的年度期内的年度总费用用为：DeM1VeWM1WVW0DW0管径管径 （mm）平均经济流速平均经济流速 （m/s）D=100400D4000.60.90.91.45.6 5.6 水水头损失失计算算 流量和水流量和水头损失的关系：失的关系：均匀流根本公式：均匀流根本公式：1. 舍舍维列夫公式适用于旧列夫公式适用于旧铸铁管和旧管和旧钢管管2.巴甫洛夫斯基公式适用于混凝土管、巴甫洛夫斯基公式适用于混凝土管、钢筋混凝土管和渠道筋混凝土管和渠道 对于混凝土管和于混凝土管和钢筋混凝土筋混凝土给水管，当水管，当n0.02时，y值可采用可采用
11、1/6。3.海曾海曾威廉公式威廉公式水管种类水管种类海曾海曾-威廉系数威廉系数C塑料管塑料管新铸铁管、涂沥青或水泥的铸铁管新铸铁管、涂沥青或水泥的铸铁管混凝土管、焊接钢管混凝土管、焊接钢管旧铸铁管和旧钢管旧铸铁管和旧钢管1501301201004.柯柯尔勃洛克公式勃洛克公式水管种类水管种类粗糙系数粗糙系数k（mm）涂沥青铸铁管涂沥青铸铁管涂水泥铸铁管涂水泥铸铁管涂沥青钢管涂沥青钢管镀锌钢管镀锌钢管石棉水泥管石棉水泥管离心法钢筋混凝土管离心法钢筋混凝土管塑料管塑料管0.050.1250.500.050.1250.030.040.040.250.010.035.8 5.8 管网管网计算根底方程算根
12、底方程 目的：确定各水源目的：确定各水源节点的供水量、点的供水量、各管段的流量和管径、全部各管段的流量和管径、全部节点的水点的水压。 多水源多水源环状管网的管段数、状管网的管段数、节点数、点数、基基环数和水源数数和水源数满足列关系：足列关系： + +- - 单水源水源环状管网：状管网： + +-1 -1 树状管网：状管网： -1 -1 管网水力管网水力计算算时，节点流量、管段点流量、管段长度度为知，需求确定管道的直径和流量，有知，需求确定管道的直径和流量，有2P2P个个未知数，利用未知数，利用经济流速确定流量与直径的关流速确定流量与直径的关系，系，实践上只需求解个未知数。践上只需求解个未知数。
13、 管网中的水流必需符合管网中的水流必需符合质量守恒和能量量守恒和能量守恒原理，即守恒原理，即满足延足延续方程和能量方程。独方程和能量方程。独立的延立的延续性方程数性方程数为个，独立的能量个，独立的能量方程数方程数为个，合个，合计个。个。个个节点延点延续性方程：性方程： qi为节点流量，点流量，qij为管段流量，分开管段流量，分开节点点为正，流向正，流向节点点为负。个基个基环能量方程：能量方程： hij为管段水管段水头损失，失，顺时针方向方向为正，正，逆逆时针方向方向为负。5.9 5.9 管网管网计算方法分算方法分类 在管网水力在管网水力计算算时，根据求，根据求解的未知敷是管段流量解的未知敷是管
14、段流量还是是节点水点水压，可以分可以分为解解环方程、解方程、解节点方程和解点方程和解管段方程三管段方程三类。 解解环方程：管网方程：管网经流量分配流量分配后，各后，各节点已点已满足延足延续性方程，可是性方程，可是由由该流量求出的管段水流量求出的管段水头损失，失， 并并不同不同时满足足L L个个环的能量方程，的能量方程，为此此必需多次将各管段的流量反复必需多次将各管段的流量反复调整，整，直到直到满足能量方程，从而得出各管段足能量方程，从而得出各管段的流量和水的流量和水头损失。失。 解解节点方程：在假定每一点方程：在假定每一节点水点水压的的条件下，运用延条件下，运用延续性方程以及管段性方程以及管段压降方降方程，程，经过计算求出每一算求出每一节点的水点的水压。节点点水水压知后，即可以从任一管段两端知后，即可以从任一管段两端节点的点的水水压差得出差得出该管段的水管段的水头损失，失，进一步从一步从流量和水流量和水头损失之失之间的关系算出管段流量。的关系算出管段流量。 解管段方程：运用延解管段方程：运用延续性方程和能量性方程和能量方程，求得各管段流量和水方程，求得各管段流量和水头损失，再根失，再根据知据知节点水点水压求出其他各求出其他各节点水点水压。
