简单管道的水力计算(精)

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

二、短管的自由出流

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whgvgvH

令02012HgvH，称为作用水头。又有jfwhhh21。

因此gvdlH2)(220

取 12 则gvdlH2)1(20

图5-6 短管的自由出流

.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

1.给水水力计算：1，根据轴测图最不利配水点，确定计算管路2，节点编号3，计算各管段的设计秒流量4，校核，将H与市政管网提供的水压比较

2.增压：水泵，气压给水设备 3.贮水设备：贮水池，吸水井，水箱 4.供水方式：1，直接给水方式，适用于室外给水管网的水量，水压在一天内均能满足用水要求的建筑；2，设水箱的给水方式，宜在室外给水管网供水压力周期性不足时采用；3，社水泵的给水方式，宜在室外给水管网的水压经常不足时采用；4，设水泵，水箱联合的给水方式，宜在室外给水管网压力低于或经常不满足建筑内给水管网所需的水压，且室内用水不均匀时采用；5，气压给水方式，宜在室外给水管网压力低于或经常不能满足建筑内给水管网所需水压，室内用水不均匀，且不宜设置高位水箱时采用；6分区给水方式，室外给水管网的压力只能满足建筑下层供水要求时；7，分质给水方式，只能用于建筑内冲洗便器，绿化洗车，扫除等用水。

5.高层建筑供水分区：垂直并联分区，H<100M，垂直串联分区，H>100M。 6.自动喷淋的两个设计要素：作用面积，设计喷水强度 7.屋顶试验消防栓作用：1，检查其他消火栓是否能工作；2，避免临近建筑火灾波及 8.自动喷水系统分类：1，湿式自动喷水灭火系统2，干式自动喷水灭火系统3，预作用喷水灭火系统4，雨淋喷水灭火系统5，水幕系统

9.管网水力计算方法：1，作用面积法2，特性系数法 10.水封：设在卫生器具排水口下，用来抵抗排水管内气压变化防止排水管道中气体窜入室内的一定高度的水柱。

11.充满度：管道当中水流的高度 12.自净流速：能边排冲洗杂质不致沉淀淤积的最小流速 水封破坏：因静态和动态原因造成存水弯内水封高度减少，不足以抵抗管道内允许的压力变化值时，管道内气体进入室内的现象叫做水封破坏。

存水弯：卫生器具排水管上或卫生器具内部设置的有一定高度的水柱，防止排水管内气体窜入室内的附件。

给水设计秒流量：建筑物内卫生器具按最不利情况组合出流时的最大瞬时流量 通气系统：建筑内部排水管道内是水气两相流。为使排水管道系统内空气流通，压力稳定，避免因管道内压力波动使有毒有害气体进入室内，需要设置与大气相通的通气管道系统。

泗阳县城北污水处理厂初步设计（L/S）（m3/h）塑料管150010000.6666666670.100758.26321882729.747588钢管13002000.1538461541.10088.81491936319.7337097铸铁管12508000.642.1001473.5925885304.933318混凝土管11006000.5454545453.100957.80427053448.095374钢筋混凝土管10005500.554.100865.88066053117.170378玻璃钢管9004500.55.100884.56156733184.421642石棉水泥管8004000.56.100559.42713532013.937687钢管7003500.57.100422.72953621521.82633陶土管6003000.58.100276.3051945994.6987001塑料管5002500.59.100246.4546371887.2366936钢管4502000.44444444410.100126.4802801455.3290085铸铁管4002000.511.100109.7062421394.9424714混凝土管3501000.28571428612.10027.5213257899.07677281钢筋混凝土管3001000.33333333313.10025.5505369591.98193301玻璃钢管2501000.414.10032.56291904117.2265086石棉水泥管2001000.515.10021.8310072778.59162616钢管150010000.66666666716.1007616.84797227420.6527陶土管150010000.66666666717.1007245.99947626085.59811塑料管150010000.66666666718.10010201.3882836724.99779钢管150010000.66666666719.1008296.19655729866.30761铸铁管150010000.66666666720.1007855.94206228281.39142混凝土管150010000.66666666721.1007750.88073927903.17066钢筋混凝土管150010000.66666666722.1007932.42480228556.72929玻璃钢管150010000.66666666723.10011524.6031741488.57141石棉水泥管150010000.66666666724.1009319.03345133548.52042钢管150010000.66666666725.1009510.40934434237.47364陶土管150010000.66666666726.1008952.00872532227.23141塑料管150010000.66666666727.10012482.5879744937.31671钢管150010000.66666666728.10010062.722836225.80209铸铁管150010000.66666666729.1009452.50112234029.00404混凝土管150010000.66666666730.1009257.4862333326.95043钢筋混凝土管150010000.66666666731.1009410.00862433876.03105玻璃钢管150010000.66666666732.10013585.4023948907.44859石棉水泥管150010000.66666666733.10010921.3505339316.8619钢管150010000.66666666734.10011085.0980539906.35298陶土管150010000.66666666735.10010381.3492437372.85726塑料管150010000.66666666736.10014407.0011651865.20417钢管150010000.66666666737.10011562.43541624.76599铸铁管150010000.66666666738.10010815.9016938937.24607混凝土管150010000.66666666739.10010551.1113337984.0008钢筋混凝土管150010000.66666666740.10010685.184238466.66311玻璃钢管150010000.66666666741.10015372.3725555340.54118石棉水泥管150010000.66666666742.10012316.9562144341.04234钢管150010000.66666666743.10012462.3798544864.56748陶土管150010000.66666666744.10011636.4240141891.12644塑料管150010000.66666666745.10016103.0544457970.99597钢管150010000.66666666746.10012888.8097246399.71498铸铁管150010000.66666666747.10012025.7091743292.55301混凝土管150010000.66666666748.10011702.6001142129.36041钢筋混凝土管150010000.66666666749.10011823.6229842565.04273玻璃钢管150010000.66666666750.10016972.2278361100.0202水力坡降（‰）流量管道材料直径（D）水位高度（h）充满度（h/D）