1、v1.0 可編輯可修改1 1第四章有壓管道恒定流第一節 概述前面我們討論了水流運動的基本原理，介紹了水流運動的三大方程，水流形態和水頭損失，從第五章開始，我們進入實用水利學的學習，本章研究有壓管道的恒定流 一. .管流的概念1.1. 管流是指液體質點完全充滿輸水管道橫斷面的流動，沒有自由水面存在。2.2. 管流的特點斷面周界就是濕周，過水斷面面積等于橫斷面面積；斷面上各點的壓強一般不等于大氣壓強，因此，常稱為有壓管道。一般在壓力作用而流動1.1. 根據出流情況分自由出流和淹沒出流管道出口水流流入大氣，水股四周都受大氣壓強作用，稱為自由出流管道。管道出口淹沒在水面以下，則稱為淹沒出流。2.2.

2、根據局部水頭損失占沿程水頭損失比重的大小，可將管道分為長管和短管。在管道系統中，如果管道的水頭損失以沿程水頭損失為主，局部水頭損失和流速水頭所占比重很小（占沿程水頭損失的 5%-5%- 10%10%以下），在計算中可以忽略，這樣的管道稱為長管。 否則，稱為短管。必須注意，長管和短管不是簡單地從管道長度來區分的，而是按局部水頭損失和流速水頭所占比重大小來劃分的。實際計算中，水泵裝置、水輪機裝置、虹吸管、倒 虹吸管、壩內泄水管等均應按短管計算；一般的復雜管道可以按長管計算。3.3.根據管道的平面布置情況，可將管道系統分為簡單管道和復雜管道兩大類。簡單管道是指管徑不變且無分支的管道。水泵的吸水管、虹

3、吸管等都是簡單管道的例子。由兩根以上管道組成的管道系統稱為復雜管道。各種不同直徑管道組成的串聯管道、并聯管道、枝狀和環狀管網等都是復雜管道的例子。工程實踐中為了輸送流體， 常常要設置各種有壓管道。 例如，水電站的壓力引水隧洞和壓 力鋼管，水庫的有壓泄洪洞和泄洪管，供給城鎮工業和居民生活用水的各種輸水管網系統， 灌溉工程中的噴灌、 滴灌管道系統，供熱、供氣及通風工程中輸送流體的管道等都是有壓管 道。研究有壓管道的問題具有重要的工程實際意義。有壓管道水力計算的主要內容包括：確定管道的輸水能力；確定管道直徑；確定管道系統所需的總水頭；計算沿管線各斷面的壓強。v1.0 可編輯可修改2 2第二節簡單管路

4、的水力計算以通過出口斷面中心線的水平面為基準面，在離開管道進口一定距離處選定1 11 1 過水斷面（該斷面符合漸變流條件），管道出口斷面為 2 22 2 過水斷面，1 1 1 1 與 2 2 2 2 過水斷面 對基準面建立能量方程，即可解決簡單管道的水力計算問題，并可建立一般計算公式。簡 單 管 道 自 由 出 流 水 力 計 算 公式QcA.2gH。式中，c稱為管道系統的流量系數，它反映了沿程水頭損失和局部水頭損失對過流能力的影響。計算公式為當行近流速水頭很小時，可以忽略不計，上述流量公式將簡化為QcA 2gH比較自由出流和淹沒出流公式可以看出，淹沒出流時的有效水頭是上下游水位差z；而自由出

5、流時的作用水頭則是出口斷面中心至上游水面的距離。此外，兩種情況下的流量系數表達式雖然不同，但當管道布置形式及管徑一致時， 其流量系數的數值卻是相等的 （為什么）。上述簡單管道水力計算基本公式中同時考慮了管道的沿程水頭損失和局部水頭損失，顯然是按短管計算的。若管道為長管，則計算過程將大大簡化，具體如下。由出長管自四淹沒出流水力計算公式QcA 2gz式中，c稱為管道系統的流量系數v1.0 可編輯可修改3 3流H長管淹沒出v1.0 可編輯可修改4 4z hf注意，簡單管道水力計算的基本依據是連續方程和能量方程，其中水頭損失的計算尤為重要，既不能遺漏，又不能多算。關于沿程水頭損失的計算，常用的有兩個公

6、式：達西一一魏斯巴赫公式和謝才公式。這兩個公式可通過關系式 由謝才公式可得hf或式中，J為水力坡度；K稱為流量模數，表示水力坡度J 1時通過的流量，K與流量Q具有相同的單位。S012K，稱為比阻，表示單位管長在單位流量時的水頭損失，其2 . 6單位為s /m。水利工程中的水流絕大多數處于紊流的阻力平方區，故謝才系數可用曼寧公式計算，此時，相應的沿程阻力系數入、流量模數K,比阻So可按下式計算124.58d3K 0.3117 n管道水力計算的主要任務之一是水頭損失的確定，而水頭損失又與液流型態有關，不同的流態有不同的阻力系數。 計算水頭損失的關鍵在于阻力系數的確定。一般水工輸水道內的水流絕大多數

7、屬于紊流的阻力平方區。給水工程中，給水管道的水流一般屬于紊流的阻力平方區與紊流的過渡粗糙區。對于水電站廠房內的油管，因油管內的流速較小，液流一般為層流。輸送粘稠液體的管道，因液體的粘滯系數很大，也往往屬于層流。因此，進行水頭損失 計算時，首先應按聯系起來。v2l Q2| Q2lC2RA2C2RK2S010.292n16很或Cv1.0 可編輯可修改5 5前面介紹的方法進行流態、流區判別，然后選用合適的阻力系數計算公式進行計算。工程實際中廣泛采用鋼管、鑄鐵管、混凝土和鋼筋混凝土管、石棉水泥管、塑料管輸送流體。對這類自然粗糙的工程實用管道，各個工程領域往往針對其常用的某些管材進行專門的試驗研究，得出

8、其沿程水頭損失系數計算的經驗公式或圖表，并為工程實際計算所采用。這樣做的好處是避免了對每種實用工程管道當量粗糙度選擇的任意性和困難性。更詳細的資料可參考水力計算手冊（或專業水力計算手冊）。對重要的水工建筑物或特殊的局部損失，有時需要進行專門的實驗來確定其系數。三、簡單管道水力計算的基本類型恒定管流水力計算的基本類型有以下幾類。1 計算輸水能力當管道布置形式、管長、管徑、作用水頭已知時，可按簡單管道水力計算公式計算流量。2 計算作用水頭當管道布置形式、管長、管徑、流量已知時，可按簡單管道水力計算公式計算作用水頭。3 確定管徑（1 1）當管道布置形式、管長、流量、作用水頭均已知時，管徑是一個確定的

9、數值，完 全由水力學條件確定。對長管求出流量模數之后，可直接求得管徑。對短管v1.0 可編輯可修改6 64Q.2gHoc又與管徑d有關，此時不能直接求解，需試算確定管徑。（2 2）當管道布置形式、管長、流量、已知時，要求確定管徑和作用水頭兩者。這種情況下，管徑d則由技術經濟條件確定，即需要從技術經濟兩方面綜合考慮確定 管徑。從管道使用的技術要求考慮，流量一定時，管徑的大小與流速有關。若管內流速過大， 會由于水擊作用而使管道遭到破壞；對水流中挾帶泥沙的管道，管道流速又不能過小，流速太小往往造成管道淤積。一般要求水電站引水管道v（56）m/s，般給水管道v（2.53.0）m/s，同時要求v 0.2

10、5m/s。從管道的經濟效益考慮，選擇的管徑較小， 管道造價較低，但管內流速大，水頭損失增大，年運行費高；反過來，選擇的管徑較大，管 道造價較高，但管內流速小，水頭損失小，年運行費低。針對這種情況，提出了經濟流速Ve的概念。經濟流速是指管道投資與年運行費總和最小時的流速，相應的管徑稱為經濟管徑。即采用經濟流速來確定管徑。根據經驗，水電站壓力隧洞的經濟流速約為（2.53.5）m/s，壓力鋼管（36）m/s。一般的給水管道，d 100 200mm，Ve 0-61-0m/s；d 200400 mmV1-01-4m/s。? 經濟流速涉及的因素較多，比較復雜。選擇時應注意因時因地而異。重要的工程應選擇幾個

11、方案進行技術經濟比較。 選定經濟流速之后， 經濟管徑可按下式計算de求出de并進行規格化處理之后， 驗證管道流速， 要求這個流速值必須滿足管道使用上 對流速的技術要求。當確定出管徑之后，作用水頭的計算按上述第二種類型計算即可。4 確定斷面壓強的大小已知管線布置、管長、管徑、流量及作用水頭，求某一斷面壓強的大小。管道中的水流除局部管段以外，大部分是漸變流或均勻流。任一斷面i處的壓強可由下式計算4Qv1.0 可編輯可修改7 7從上式可以看到，總水頭H。一定時，W、乙、hoi越大，則該斷面的壓強越低。女口 果Vi、h 0i相同，則i斷面的壓強大小就取決于該斷面的位置高度Zi。因此，實用上可通過調整管

12、線布置來改變管道內部的壓強分布。對于布置形式一定的管道， 只要繪出測壓管水頭線，便可以方便地知道沿管線各斷面的壓強變化。將各斷面的測壓管水頭連線按一定比例繪制在管道布置圖中即為測壓管水頭線，將各斷面的總水頭連線按一定比例繪制在管道布置圖中即為總水頭線。測壓管水頭線和總水頭線可以直觀地反映位能、壓能、動能及總能量的沿程變化情況。管道中心線與測壓管水頭線之間的間距反映壓強水頭的大小，當測壓管水頭線在管道中心線之下時，管道中即出現了真空。有時，只需粗略地繪出水頭線， 而不必進行上述定量計算。在這種情況下，只需按照水頭線的特點，定性繪出水頭線即可。根據能量守恒及轉化規律，總水頭線和測壓管水頭線具 有如

13、下特點：(1(1 )總水頭線比測壓管水頭線高出一個流速水頭，當流量一定時，管徑越大，總水頭線與測壓管水頭線的間距 (即流速水頭)越??；管徑不變，則總水頭線與測壓管水頭線平行。(2(2 )總水頭線總是沿程下降的，當有沿程水頭損失時，總水頭線沿程逐漸下降，當有局部水頭損失時，假定局部水頭損失集中發生在局部變化斷而，總水頭線鉛直下降。(3(3 )測壓管水頭線可能沿程上升(如突然擴大管段)，也可能沿程下降(一般情況)(4(4)總水頭線和測壓管水頭線的起始點和終止點由管道進出口邊界條件確定。一虹吸管的水力計算虹吸管是指一部分管軸線高于上游水面，而出口又低于上游水面的有壓輸水管道。出口可以是自由出流，也可

14、以是淹沒出流。虹吸管的工作原理是： 先將管內空氣排出， 使管內形成一定的真空度，由于虹吸管進口處水流的壓強大于大氣壓強， 在管內外形成了壓強差，從而使水流由壓強大的地方流向壓強 小的地方。保證在虹吸管中形成一定的真空度和一定的上下游水位差，占水就可以不斷地從上第三節簡單管路的設計計算舉例游經虹吸管流向下游。v1.0 可編輯可修改8 8虹吸管水力計算的主要任務是確定虹吸管的流量及其頂部安裝高度。流量的確定按簡單管道水力計算類型一給定的方法或公式確定。安裝高度的確定可按下式計算。v2)2g為保證虹吸管正常工作，工程中常常限制虹吸管中的真空度不得超過允許值(一般為 67m67m 水柱)。受允許吸上真

15、空高度值的限制，虹吸管的安裝高度顯然不能太大。、離心泵裝置的水力計算泵是能將動力機械的機械功轉變為水流機械能的水力機械。離心泵是最常用的一種水 泵。吸水管、離心泵及其配套的動力機械、壓水管及其管道附件組成了離心泵裝置。離心泵的抽水過程是： 通過離心泵葉輪的轉動， 使水泵入口端形成真空，使水流在水池水面大氣壓強作用下沿吸水管上升至水泵進口。水流經過水泵時，獲得泵加給的機械能， 再經壓水管進入水塔和用水地區。離心泵管路系統水力計算的主要任務是確定水泵的安裝高度和水泵揚程。離心泵安裝高度是指水泵轉輪軸線超出上游水池水面的幾何高度。(1)水泵安裝高度的確定水泵安裝高度計算公式PaP2/lZs(2dPa

16、P2式中，為斷面泵進口斷面的真空度。過大的真空度將引起過泵水流的空化現象，嚴重的空化將導致過泵流量減少和水泵葉輪的空蝕。這樣，就不能保證泵的正常工作。為此，各水泵制造商對各種型號的水泵的允許真空值都有規定。應用過程中應從產品樣本中查閱相應型號水泵的允許真空值，避免粗略估算。水泵的安裝高度要受到允許吸上真空高度的限制。(2 2)水泵揚程的確定單位重量液體從水泵獲得的能量稱為水泵揚程，按下式計算。hsPaPcv2v1.0 可編輯可修改9 9這就決定了并聯式中，Hp為所需揚程；z為出水池與進水池水位之差, 為整個管路系統的水頭損失（不包括水流流經水泵的水頭損失）電動機。第四節復雜管路的水力計算復雜管

17、路由許多不同直徑，不同長度，甚至不同糙率的管路組成。、串聯管道由直徑不同的幾段管道依次連接而成的管道系統稱為串聯管道。串連管道各管段通過的流量可能相同，也有因流量分出而不相同的。 由于各段管徑不同, 所以，應分段計算其水頭損失。各管段的水頭損失可按謝才公式計算。Q2hfi刃Ki式中，i表示管段的號數。全管的水頭損失應等于全管的作用水頭，即H爭i 1i 1Ki式中，n為管段總數目。流量計算可從連續原理求得：Qi 1Qiqi式中，qi為在第i段管道末端分出的流量。聯立上兩式可解決串聯管道的水力計算問題。按長管計算忽略了局部水頭損失和流速水頭，因而測壓管水頭線和總水頭線相重合。串聯管道各段的水力坡度

18、不同，全管的測壓管水頭線呈折線。、并聯管道兩條或兩條以上的管道在同一處分叉，后又在另一處匯合的管道稱為并聯管道。供熱管稱為幾何揚程或地形揚程；h14。即水泵揚程等于幾何揚程加上整個管路系統的水頭損失。有了水泵揚程就可以選定水泵型號及相配套的道室內暖氣片的上下兩片就是一個并聯管道的例子。v1.0 可編輯可修改1010hfihf 2hf 3hf上式表明并聯管道中的水流應滿足兩端共同的邊界條件;等的單位勢能差作用下流動。對于每一條管道， 其本身的水流又必須符合水頭損失規律，即QiQ2Q3因為各管的長度、直徑、 粗糙系數可能不同， 因此通過各管的流量也不會相等，但并聯 各管的流量應等于分叉前干管上的總

19、流量，即要滿足連續方程。QiQ2Q3Q已知總流量Q及各并聯管段的直徑、 長度、粗糙系數等，即可由上式計算出各管的流量Qi、Q2、Q3及hf四個值。因為流量不同，盡管各管單位重量液體的水頭損失相同，但通過各管的水流所損失的機械能總量并不相等。因為管長不同，盡管各管單位重量液體的水頭損失相同，但各管段的水力坡度仍然不同。三、分叉管道的水力計算分叉管道是指從一點分叉而不在另一點匯合的管道。在實際工程中，經常會遇到一條主管道分成多條支管向多臺水輪機供水；一臺水泵向高低不同的兩個蓄水池供水，這都是分叉 管道的例子。分叉管道可作為兩條串聯管道計算，其中一條是公用管段。在斷面平均意義上說，是在相v1.0 可編輯可修改1111根據連續方程Q QiQ2聯立上述三個方程，即可求得總流量Q及各支管流量Qi