管道水力计算范文

2024-05-15

管道水力计算范文（精选8篇）

管道水力计算第1篇

1. 管道水力计算的基本概念

1.1 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Rek，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。

1.2 有压流与无压流的区别

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。

1.3 恒定流与非恒定流的区别

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。

1.4 均匀流与非均匀流的区别

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。

1.5 水流的水头和水头损失说明

1.5.1 水流的水头

水头是指单位重量的流体所具有的机械能，一般用符号或表示，常用单位为米水柱(m H2 O)，简写为米(m)。水头分为位置水头、压力水头和流速水头三种形式。位置水头和压力水头属于势能，它们二者的和称为测压管水头，流速水头属于动能。流体在流动过程中，三种形式的水头(机械能)总是处于不断转换之中。给水排水管道中的测压管水头较之流速水头一般大得多，在水力计算中，流速水头往往可以忽略不计。

1.5.2 水头损失

实际流体存在粘滞性，因此在流动中，流体受固定界面的影响(包括摩擦与限制作用)，导致断面的流速不均匀，相邻流层间产生切应力，即流动阻力。流体克服阻力所消耗的机械能，称为水头损失。在给水排水管道中，由于管道长度较大，沿程水头损失一般远远大于局部水头损失，所以在进行管道水力计算时，一般忽略局部水头损失，或将局部阻力转换成等效长度的管道沿程水头损失进行计算。

2. 管道水力计算的技术参数说明

2.1 工程概况

本工程项目为某学校宿舍楼，地上六层。一层为学生宿舍和洗衣房，二至六层为学生宿舍，顶部为不上人屋面。耐火等级二级，为多层建筑，屋面为不上人屋面。总建筑面积11309.08m 2，建筑高度21.30m。本工程设计内容：室内给水系统、排水系统、消火栓系统及灭火器配置。屋面雨水由建筑专业解决。区域周围有校区DN300给水环网，不小于DN300污水管道，不小于DN400雨水管道。周围有完善的市政给排水管道，能够满足本工程的需要。

2.2 管道水力计算参数说明

2.2.1 生活给水系统

生活给水由室外市政给水管网直接供水(市政管网压力0.38MPa)。宿舍为Ⅳ类宿舍。设计使用人数1056人，用水定额150L/人·d，使用时间24小时，其中小时变化系数3.0。

2.2.2 生活排水系统

本工程公共卫生间采用伸顶通气单立管排水系统，污废合流制排水。建筑排水排到室外后先经化粪池初步处理，然后再排入市政污水管网。

2.2.3 消火栓系统

本建筑物为多层建筑，室内消防用水量为15L/s，室外消防用水量为30L/S，火灾延续时间为2小时。本工程室外给水环网由市政两路供水，管径不小于300mm，水量满足室外消防用水要求。

2.2.4 建筑灭火器配置

本建筑属严重危险等级，手提式灭火器每组灭火器为2具5公斤装磷酸铵盐干粉灭火器，均用消防器材箱盛放，置于地上，灭火器箱不得上锁。

3. 管道水力计算在建筑给水排水中的应用

3.1 给水系统有关计算在建筑给水排水中的应用

3.1.1 生活给水系统

生活给水由室外市政给水管网直接供水(市政管网压力0.38MPa)。用水量计算：

(1)宿舍为Ⅳ类宿舍。设计使用人数1056人，用水定额150L/人·d，使用时间24小时，小时变化系数3.0。

最高日用水量:Qd=150×1560/1000=158.4m/h3

最大时用水量:

(2)未预见用水量：按用水量的10%-15%计，取15%。

(3)总用水量：Qd=158.4×1.15=182.16m3/h。

3.1.2 给水管道水力计算

(1) 室内所需的压力

(2)计算水表的水头损失

选用LXL-250N型旋翼式水表，其最大流量Qmax=400m3/h，性能系数Kb=qnax/100=400×400/100=1600，则水表水头损失hd=35.65×3.6/1600=10.29k Pa。

H=H1+H2+H3+H4=254.4kPa。室内所需的压力小于市政给水管网工作压力，可满足供水要求。

3.2 消防栓系统的计算在建筑给水排水中的应用

3.2.1 消火栓的布置

该建筑总长68.74m宽19.2m高度21.3m。按《高层名用建筑设计防火规范》GB50045-95 (2001版)第7.4.6.1条要求，消火栓的间距应保证同层任何部位有2个消火栓的充实水柱同时到达。

水带长度取20米，展开时的弯曲折减系数C取0.8，消火栓的保护半径应为：

Ls=0.7Sk=0.7 (H1-H2)/sin45=3.0m消火栓采用单排布置时，其间距为：

据此，应在走廊上布置四个消火栓才能满足要求。

3.2.2 水枪喷嘴处所需压力

查表，水水枪喷口直径选19mm，水枪系数φ为0.0097;充实水Hm要求不小于10m，选Hm=12m水枪实验系数af为1.21，水枪喷嘴处所需压力：

3.2.3 水枪喷嘴的出流量

喷口直径19mm的水枪水流特性系数B为1.577, Qxh=5.2L/S。

3.2.4 水带阻力

19mm水枪配65mm水带，衬胶水带阻力较小，室内消火栓水带多为衬胶水带。本工程亦选衬胶水带。查表知65mm水带阻力系数Az值为0.00172水带阻力损失：

3.2.5 消火栓口所需的水压

3.2.6 水力计算

按照最不利点消防管和消防栓的流量分配要求，最不利消防竖管为x1，出水枪数为2支，相邻消防竖管为x2，出水枪数为2支。

3.3 建筑排水系统设计计算在建筑给水排水中的应用

3.3.1 系统的选择

采用污废水合流制，仅设伸顶通气单立管排水系统。卫生间污废水排至化粪池，处理后经小区污水管网汇集，排入污水处理厂进行深度处理。

3.3.2 排水管道水力计算

生活污废水排水立管与出户管连接处的设计秒流量：

排水横管的直径选用DN200mm其坡度i为0.005，流速3.50m/s满足要求。

4. 结语

管道水力计算第2篇

【关键词】水暖；管道系统；水力失调；原因分析；应对措施

水利失调现象是水暖管道以及水暖系统中常会出现的一种现象，由于其对水暖工程的供热工作会产生一定影响，所以被我们定义为水暖管道中所存在的质量通病。当前我国城市供暖所采用的主要方式是集中供暖，城市集中供热管网的出现使得居民用户的供暖工作有着一定的覆盖性和全面性，然而管网输热工作中所存在的水力失调却会对用户的供暖产生影响，严重者还会造成相关设备的破损。因此，预防和解决好水暖管道的水力失调现象变得尤为重要。

1.水力失调概述

水暖管道本身就是一个复杂、多串联且分支较多的一个复杂的管道系统工程，其是通过各用热单位和用户管道组成的一个相互连通、相互贯彻的一个具备着综合性、复杂性和全面性的管道系统模式，其在运行的过程中常常由于受到各种内在因素和自然因素的影响造成了管道分支与主管道之间的流量存在着一定差异，这种差异现象的存在与产生造成的流量分配与设计之间存在着极为严重的不符现象，也使得个用户之间的流量存在着分配上的差距，这就需要在供暖中对于用户供暖重新进行分配。质量通病。其一般都可以分为两种不同的类型和结构，其一是供暖系统在水平方向存在着一定的质量通病，这种质量通病和水量失衡现象被人们称之为水平失调，而另外一种则主要是在竖直方向存在着差异，这种则被人们称之为垂直失调。水力失调现象的存在于产生不仅严重的影响了供暖用户的正常生活和日常作息，更是造成了严重的供暖收费困难，给企业带来严重的经济损失。因此我们在工作中必须严加处理和分析，做好相关的预防和控制工作。

2.水暖管道水力失调产生的原因以及相关的预防和解决策略

2.1水力失调的原因

水力失调是水暖管道以及水电暖系统中常会发生的一种质量通病，水暖作为当下最为流行的一种供暖方式，它拥有着比电暖更为舒适的采暖性，在现代城市建筑中，其所安装的采暖系统便有很大一部分属于水暖系统。而在我国，为城市建筑居民提供服务的供暖设施主要是供热管网，也称为城市集中供热管网。城市集中供热管网主要由输热干线和配热干线组成，负责将供热热源输送和分配给城市每一户居民或相关企业。随着科学技术的发展，当前市面上出现的供热系统和供热设备的种类越来越多，其功能和质量的优劣程度也各有不同，这便造成在对其选用时，如果所选用的供热设备出现质量问题，或是功能不完备等，将会引起城市集中供热管网的源头出现热源“堵塞”或“消失”等现象，从而导致热源无法传递。

除此之外，还由于我国的城市集中供热管网系统在工作时，由于其所需要输送和配送的热源范围较大，有可能无法对整座城市进行全覆盖，所以，我国相关科研人员提出了设置热源中转站的建议。然而，热源中转站虽然可以有效改善热源的供热和输送状况，但是在另一个层面上，也为热源的输送造成了一定阻碍，尤其是水力失调方面。就实际情况而言，我国城市集中供热管网在工作时，与其有着类似功能和作用的中转站——热交换站，将会对其进行间接和并网，并从其管道中分走和索要一部分的热源。而当城市热网用户数量增多，其中转站向集中供热管网所索要的热源过多时，便会对管网站所提供热源的要求变得更高，当集中供热系统无法满足其用户所需的热源量时，便会出现供热的入不敷出现象，从而使得管道初端和末端出现远冷热近热现象，这便造成了水暖管道的水力失调。

当水利失调现象严重时，有可能会使连接管道末端的，散热器被冻坏，达不到预计热量，无法给用户供暖，甚至还可能造成相关设备的破损和毁坏。

2.2预防和解决策略与技术方法

虽然在水暖管道和水暖系统中常会发生水利失调状况，为用户的供暖带来不便，甚至对相关设备造成损害和威胁，但只要我们能够掌握水力失调的原因，对引起水力失调的因素加以控制和排除，便可以有效预防水暖管道出现水力失调，保证居民用户的供暖。一般来说，我们在对水力失调现象进行预防和解决时，主要可以从以下几个方面入手：

要把握好供热管道的联网工作。具体需要注意的内容有：对建筑结构以及建筑设备的构成和质量进行严格的检查，排除其建筑结构中可能存在的安全隐患，并对建筑结构中出现的质量问题进行处理和补救；供热设备的施工要严格按照规范的施工工序一步步的实施，并且在施工过程中要严格控制施工的质量，所采用的施工技术要合理与规范；对交换站、供水管网等核心部件的压力情况，更是要进行系统、全面的管理与控制，使得其中存在的各种问题都能够得到及时有效的预防和处理。

3.产生垂直失调的原因及解决办法

3.1产生垂直失调的原因

3.1.1设计误差

设计人员在计算建筑物基本耗热量时，常常忽略以下几个因素：

（1）供热主干管在沿程的热量损失。

供热主干管在竖向经过每个房间时，向该房间散热器均大于389w，横向经过每个房间时，向该房间散热器均大于323.5w，因为供热主干管的管径均大于DN50。同样道理，供热立管、支管在各个房间所散发的热量也不容忽视，越是顶层，供热的立、支管水温越高，向房间散热量越多。

（2）热压作用使得顶层住户实际热负荷减少，而计算热负荷值不变。因为现在一般民用住宅，均为楼梯间不设采暖设施的单元式结构，单元门经常开启，使得低层住宅室内、外温差大，冷、热空气密度差加大，热气流上升，顶层的实际热负荷小于理论热负荷，底层的实际热负荷>理论热负荷。

3.1.2外网供热压力低于设计压力

此时，只有建筑物高层房间的散热器满足设计要求的水力工况，那么高层房间内的温度适宜，而低层建筑物房间的供回水立、支管是热的，而散热器却是凉的。

3.2解决垂直失调的方法

（1）设计者在计算热负荷时要认真核算，缩小理论值与实际值之间的差距。

（2）设计人员在进行管道水温变化计算时，应逐段进行，以实际的水温进行系统主干管和立管的水力计算，这样才能有效地减少误差。

（3）设计者在设计系统走向时，应尽量缩短供热主干管、支管的长度，减少沿程阻力，裸漏在楼梯间的主干管应作好保温，降低热消耗。

4.结束语

以上是对目前供热系统中存在的常见水力失调现象作了简要的分析与探讨，并介绍了水力平衡调节工作中存在的各方面隐患和发生原因，并针对这些现象提出了相关的预防和总结措施。在此本文抛砖引玉，以期与广大业内人士共同研究和探讨有关水力平衡技术，为提高我国的供热水平做出贡献。

【参考文献】

[1]朱宝成.小议供热系统水力失调的原因及解决对策[J].民营科技，2008（04）.

[2]辛项龙，丁兆新.谈供暖管道水力失调的形式及处理方法[J].民营科技，2009（06）.

关于长输天然气管道水力计算的研究第3篇

1.1 天然气的水力摩阻系数

很多原因 (管道粗糙与否、天然气的流态) 都会对天然气管流造成影响。因此多国在尼古拉兹实验和普朗特理论基础上提出了水力摩阻系数的计算公式, 公式的变量便是管壁的粗糙程度以及雷诺数。

根据雷诺数的大小, 流体的流态分成紊流区、临界区和层流区。紊流区又分成混合摩擦区、水力光滑区、阻力平方区。阻力平方区即是长距离输气管道中天然气流态所处的流态区域。表1包含了长输管道工程实践中经常使用的阻力平方区水力摩阻系数公式。

相同的问题, 公式不同, 结果也有所不同。因此在运用中为了调整工作以及管线的设计, 根据实际情况选用合适的计算公式才可以获得准确的结果。温度、压力、管流量为已知参数, 运行数据反算水力摩阻系数可以观察到雷诺数对其会造成明显的影响, 所以上述公式中没有雷诺数的公式均不适用于长输天然气管道。表1中潘汉德尔A、B式是近年较为常用的水力摩阻系数公式, 且公式中涉及到雷诺数, 图1所示的是潘汉德尔A、B式与实际的部分水力摩阻系数的数据对比。从图中可观察到某些运行管段较经常使用的公式与实际结果相比偏差较大, 而水力摩阻系数小, 计算后偏差被放大, 影响计算的准确性。

通过实践数据对上述关系进行非线性拟合, 得出水利摩阻系数与雷诺数的关系表达式如下:

式中λ——水利摩阻系数;

Re——对因流量下的雷诺数, 表达式如下;

式中po——标识下空气密度;

Q——标识下天然气输量, m3/s;

D——管内径, m;

μ——气体动力年度, Pa·s

接下来的研究中将通过上述公式对水力摩阻系数进行计算。

1.2 输气管流量方程

若假设: (1) 管道中的气体质量流量不会因距离和时间发生变化, 气体稳定流动; (2) 管道中的气体流动时, 温度不发生变化, 其流动是等温过程。选用管流基本公式, 再结合管道的起点压力、终点压力等各种物理量算出节点压力以及管段的流量。

2. 水力学模型中主要物性参数的计算

经学者的研究和多年的发展, 已研究出多种实际气体的状态方程, 也都普遍被认可, 如P-R状态方程、BWRS状态方程、SRK状态方程等。而长输管道所处的是高压环境, 其中BWRS方程的准确度高适应性强, 所以本文选用它来计算天然气的物性。

3. 结语

本文综述了水平长输管道的数学模型、物理模型及其求解办法, 并总结了各国较为常用的水力摩阻系数与水平长输管道流量的计算公式和方法。对长输管道工程实际运行的水力摩阻系数进行反算和非线性拟合进行了论述, 并对相对密度与天然气密度, 还有压缩因子和与求解压缩因子有关的BWRS方程均进行了综述。为后续研究奠定了基础。

参考文献

[1]冯良, 夏星星等.天然气管道稳流水力计算公式的比较与分析[J].上海煤气, 2010, (5) :20-23.

管道水力计算第4篇

1 水力损失的计算及其影响因素

1.1 常用的水头损失计算公式

(1) 达西公式:

式中:λ为沿程阻力系数;R为管道水力半径。

达西公式是基于圆管层流运动推导出来的均匀流沿程损失普遍计算式, 该式适用于任何截面形状的光滑或粗糙管内的层流和紊流。公式中沿程阻力系数值的确定是水头损失计算的关键。一般采用经验公式计算得出。布拉休斯公式与舍维列夫公式是工程中较常用的2个经验公式。

布拉休斯公式:

舍维列夫公式:

对于新钢管:

此式使用条件为Re<2.4×106d, d单位为m。

对新铸铁管,

此式使用条件为Re<2.7×107d, d单位为m。

对旧铸铁管及旧钢管 (使用2个月以上) ,

(2) 谢才公式:

或

式中:C为谢才系数, 是反映沿程阻力变化规律的系数。

谢才公式是计算明渠和管道均匀流平均流速或沿程水头损失的主要公式。它是1775年由法国工程师谢才提出的。在谢才公式的计算中, 精确的确定谢才系数C值是尤为重要的, 目前应用较广的C值的经验公式如下:

上式, 当y=1/6时即为曼宁公式, 当时, 即为巴普洛夫斯基公式, 这两个公式应用范围均较广。

(3) 海曾-威廉公式:

海曾-威廉公式是在直径≤3.66m工业管道的大量测试数据基础上建立的著名经验公式, 适用于常温的清水输送管道, 式中海曾-威廉系数Ch与不同管材的管壁表面粗糙程度有关。海曾-威廉公式中当管材为钢管时Ch=100, 塑料管Ch=150, 新铸铁管Ch=130, 混凝土管Ch=120, 旧铸铁管和旧钢管Ch=100。根据实验数据可得, 其他数值可以参见表1。

根据已经做过的实验资料, 可以对上述几种公式和实际工程的测量值数值做出对比, 通过方差比较, 可以看出, 谢才公式和海曾-威廉公式对实验值误差都较小, 但海曾-威廉公式计算的误差更小, 在实际工程中, 计算水力损失比谢才公式计算精确。图1表示了在水的运动黏性系数υ=1.01×10-6m2/s, PVC-U管材, 管径DN500的条件下, 不同公式的沿程水力损失计算结果。图2表示出了上述水力条件时海曾- 威廉公式在不同流速下水力损失的比较。

沿程水头损失计算公式都是在一定的实验基础上建立起来的, 由于实验条件的差别, 各公式的适用条件和计算精度也会有所不同。根据上述对各个公式的分析, 现比较如下:

(1) 谢才公式和达西公式为管渠水力计算的经典公式, 己经成为给水排水网水力计算的基本公式, 谢才系数C和达西阻力系数λ 的科学计算和应用是给水管网水力损失计算正确性的关键。

(2) 海曾-威廉公式特别适用于给水管网的水力计算, 该公式可用于短距离输水, 但用于长距离输水准确度更高, 应用广泛, 具有较高的计算精度, 很多编程软件都是以海曾- 威廉公式来进行编程。

(3) 舍维列夫公式是通过旧钢管旧铸铁管试验资料确定的, 而现在国内采用的金属管道已普遍采用水泥砂浆和涂料做内衬, 条件已经发生了变化, 所以该公式目前也已基本不再使用。

1.2 管径及流速对于沿程水力损失计算的影响

对于给定的流量, 管径的大小与管道系统的一次投资费 (材料及施工) 、运行费 (电费及维修) 和折旧费等项有密切的关系, 应根据这些费用作出经济比较, 以选择适当的管径。此外, 管径的大小还对沿程水头损失造成影响, 如果忽略这种影响, 可能会对系统的安全造成隐患。流速也是影响沿程水力损失的重要因素, 在层流的流态下, 水头损失近似和流速的一次方成正比, 在紊流的流态下, 水头损失则近似和流速的二次方或接近二次方成正比。当不存在水流流态改变的时候, 海曾-威廉公式计算影响参数少, 所以计算结果安全性高, 通过对计算结果分析并结合《室外给水设计规范》对输水管道合理的经济流速的规定, 设计中管道沿程水头损失计算建议采用海曾-威廉公式。达西公式与海曾-威廉公式均为半经验公式, 其中达西公式需要考虑管中水流的流态, 而水流的流态跟水的温度及管材粗糙度等因素都有关, 跟用达西公式计算沿程水头损失的时候, 需要考虑水流的温度管材粗糙度等因素的影响;海曾-威廉公式只考虑管材粗糙度对沿程水头损失的影响, 所以当系统中存在热交换设备时, 或在冬季运行时, 摩阻系数发生变化, 采用达西公式计算较为准确, 如果选取海曾-威廉公式会有较大的误差[1]。由于3种公式都是在管径增大的情况下相对误差减小, 所以在计算小管径时要特别注意公式的选择问题, 否则, 会造成水力计算值跟实际情况严重不符的情况。

1.3 管材对于沿程水力损失计算的影响

不同管道由于制造工艺、材质的不同, 其表面粗糙度是不同的。对于给水输送管道, 由于管道粗糙度差异, 对输送能耗的影响则显得更为突出。在常规的工程设计流速范围内, 相同内径不同表面粗糙度的管道, 在同一流速下其管内水流完全可能处于不同的紊流状态, 而如若其水流状态超过了所应用水力计算经验公式的适用范围, 则计算结果误差会大大增加[2]。通过对各相关规范所推荐计算公式的比较, 除混凝土管道仍然推荐采用谢才公式外, 其他管材大多推荐采用达西公式[3]。

在新版《室外给水设计规范》中取消舍维列夫公式相关的条文, 笼统采用达西公式, 但并未明确要求计算 λ值采用的经验公式。由于舍维列夫公式是建立在对旧钢管及旧铸铁管研究的基础上, 然而现在一般采用的钢或铸铁材质管道, 内壁通常需进行防腐内衬, 经过涂装的管道内壁表面均比旧钢管、旧铸铁管内壁光滑得多, 也就是说Δ 值小得多, 采用舍维列夫公式显然也就会产生较大的计算误差, 因此舍维列夫公式并不适用于对这些管道的计算, 该公式的适应范围相应较窄。经过内衬的金属管道采用柯列勃洛克公式或谢才公式计算更为合理。PVC、PE等塑料管道, 或者内衬塑料的金属管道, 因为其内壁Δ 值很低, 一般处于0.001 5~0.015, 管道流态大多位于紊流光滑区, 采用适用光滑区的布拉修斯公式一般均能够得到与实际接近的计算结果。

海曾-威廉公式可以适用于各种不同材质管道的水力计算, 其中海曾-威廉系数的取值应根据管材确定。对于内衬水泥砂浆或者涂装有比较光滑的内防腐涂层的管道, 其海曾-威廉系数应该参考类似工程经验参数或者实测数据, 合理取用[4]。因此, 无论采用达西公式、谢才公式或者海曾-威廉公式计算, 不同管材的差异均表现在管内壁表面当量粗糙程度的不同上, 各公式中与粗糙度相关系数的取值是影响计算结果的重要因素。值得一提的是, 同种材质管道由于采用不同的加工工艺, 其内表面的粗糙度也可能有所差异, 这一因素在设计过程中也应重视。

2 结合工程实例分析比较水力计算公式的选取

2.1 某长距离输水工程

工程概况:管道总长为31.38km, 起点管顶标高为21.20m, 终点管顶标高为21.96 m。管道沿线地面地势平坦。流量为Q=0.82m3/s, 管径全程均为DN1000mm。管道材料为玻璃钢夹砂管, 按照塑料管内壁进行水力计算。在管路起始处设置泵站, 在管路末端设置出江泵站, 本文计算仅考虑起始处的泵站。该工程示意图如图3所示。

水力计算参数:水的物理化学参数以20 ℃、大气压为101kPa的条件下取值。水的运动黏性系数υ=1.01×10-6m2/s。海曾-威廉公式参数Ch=140, 糙率n=0.009。整个系统的局部损失按照沿程损失的10%进行计算。在实际工程中, 最终选取的水泵型号为CP335/905型潜水泵, 共三台水泵两用一备。水泵实际工作扬程为31.10m。上述计算结果及其与实际值之间的误差见表2。

可以看出, 海曾-威廉公较为准确, 绝对误差为2.18m 。在此种情况下进行水泵的选型, 误差不会太大, 基本可以使水泵在运行时处于高效区段, 保证了选型的准确性。而舍维列夫公式与实际值比较偏大, 谢才公式偏小, 并且偏差较大, 相对误差都在20%以上, 绝对误差都在7m以上。若在实际中依据这两个公式的结果选泵, 则很有可能造成扬程不足以满足需要使流体体无法输送或者扬程过高水泵在运行时长期处于低效率区段的结果。造成布拉休斯, 舍维列夫, 谢才公式在此例中误差较大的原因主要是:谢才公式中糙率n的选取或谢才系数C的计算公式的选取造成的偏差[5];一般适用于旧钢管旧铸铁管的舍维列夫公式, 在计算本例时可能会产生较大误差;布拉修斯公式一般适用于紊流光滑区的计算, 而实际上可能有很多管段位于阻力平方区。上述的各种偏差在长距离的情形下产生了量的积累, 所以最终造成了较大的误差。海曾-威廉公式是目前许多国家用于供水管道水力计算的公式, 只要Ch的值选取得当, 海曾-威廉公式即使在较长距离的水力计算上仍具有较好的精度。

2.2 工业循环供水系统

以某电厂工业循环供水系统为例, 工程的所有管道可以分为循环水进水管, 循环水排水管以及凝汽器3个部分。其中, 一台机组有相同形式的两组循环进水管和循环排水管。循环进排水管为现浇钢筋混凝土的结构, 断面形式为内圆外方。设计流量为Q=24.31m3/w。凝汽器设计冷却水量为48.6m3/s, 该设计流量下凝汽器的水损为5.8m。冷却管规格为22.225mm×0.5mm (外径壁厚) , 管材为钛, 单管有效长度为16.377m, 冷凝管数量n=49 512根。工程示意图如图4所示。

取水的运动黏性系数υ=1.01×10-6m2/s。循环进排水管的糙率n=0.012, 海曾-威廉公式参数Ch=130。冷凝管的糙率n=0.01, 海曾-威廉公式参数Ch=150。计算进排水管以及冷凝管的水头损失。计算结果见表3。

由表3中数据可知, 4个公式对于进排水管水头损失计算结果相差很小, 但冷凝管的水头损失则相差显著, 这说明较为特殊的管路结构, 如此例中的凝汽器管段, 会使不同公式的计算结果相差较大。同时不同公式计算出的水力损失的不同, 可能对之后水柱分离情况的估计产生偏差。可以看出布拉休斯和海曾-威廉公式的计算结果与实际值相差较小;而谢才公式的计算结果达到了实际值的2倍以上, 舍维列夫公式达到了3倍以上。结合本工程的特点可知, 实际工程中的水泵是扬程相对较小而流量相对较大的轴流泵, 舍维列夫公式、谢才公式的绝对误差均达到了5m以上, 所以若依据这两个公式计算的结果进行水泵选取, 也会产生较大的偏差, 满足不了工程要求或使水泵不能正常运行。造成谢才公式误差过大的原因是本例中冷凝管的水力半径过小, 超出了公式的适用范围。造成舍维列夫公式误差过大的原因是冷凝管管材的特殊性 (钛) 以及相对较大的流速。同时, 海曾-威廉公式在Ch选取得当的情况下显示出了良好的精确性。

3 结语

(1) 谢才公式和达西公式为管渠水力计算的经典公式, 已经成为给水排水网水力计算的基本公式, 谢才系数C和达西阻力系数λ 的科学计算和应用是管水管网水力损失计算正确性的关键。海曾-威廉公式特别适用于给水管网的水力计算, 该公式可用于短距离输水, 但用于长距离输水准确度更高, 应用广泛, 具有较高的计算精度, 很多编程软件都是以海曾- 威廉公式来进行编程。舍维列夫公式是通过旧钢管旧铸铁管试验资料确定的, 而现在国内采用的金属管道已普遍采用水泥砂浆和涂料做内衬, 条件已经发生了变化, 所以该公式目前也已基本不再使用。

(2) 在长距离输水的情形下, 采用海曾- 威廉公式可得到与实际值较为相近的结果, 而采用谢才、布拉休斯、舍维列夫公式误差较大, 其中舍维列夫公式的偏差最大。当输水距离达到超过30km时, 舍为列夫公式计算值与实际值的相对误差接近30%, 谢才公式与布拉修斯公式的相对误差都在20%左右, 这时就会对水泵选型造成一定影响。

(3) 在工业循环供水系统中, 由于管路的特殊性 (凝汽器管段为4万多根冷凝管并联) , 造成不同公式对于这段管路水损的计算结果相差较大, 同时不同公式对于常规的进水排水管段水损的计算结果基本相同。布拉休斯公式与海曾- 威廉公式的计算结果较为精确, 其中海曾- 威廉公式的误差更小, 而谢才公式与舍维列夫公式的结果偏大, 谢才公式的计算结果达到了实际值的2倍以上, 舍维列夫公式达到了3倍以上, 两者偏差幅度均较大, 这种偏差足以影响该工况下动力设备的选择。

摘要：随着输配水管网的大型化和复杂化, 提供动力的泵设备也有大型化趋势。其中泵的扬程确定取决于管道沿程水力损失计算的精度, 而工程设计中, 如果随意采用不同的水力计算, 所计算的损失将出现差异, 尤其在沿程损失较大或并联管路较多的系统中出现足以影响水泵机组选型的情况。为此, 将对布拉休斯 (Blassius) , 舍维列夫, 谢才, 海曾-威廉4个常见水力损失公式进行研究, 分别计算不同管网系统的水力损失, 比较不同公式的计算结果, 以说明除管材、管径、流速等影响因素外, 管道长度及拓扑结构也会对水力损失产生影响, 从而影响水泵的选泵及配套功率。以某长距离排水管网和带凝汽器的工业循环供水系统为例, 说明上述观点, 并提出了4种常用公式在不同管长和管道布置情况下的适用条件。

关键词：给排水管网,沿程损失,水力计算,水泵选型

参考文献

[1]陈涌城, 杜玉柱, 耿安锋.输配水管道沿程水头损失计算方法探讨[J].给水排水, 2009, (11) :109-111.

[2]陈礼洪.镀锌钢管沿程水头损失计算的试验研究[J].给水排水, 2006, (12) :81-83.

[3]王雪原, 黄慎勇, 付忠志.长距离输水管道水力计算公式的选用[J].给水排水, 2006, (10) :32-35.

[4]张欣.供水工程管道水头损失计[J].水利水电技术2007, (5) :65-66.

管道水力计算第5篇

水力过渡过程是电站、泵站以及给排水工程输水系统中普遍存在的水流现象。正确分析过渡状态的水流特性, 对于上述系统管道和设备的设计与运行都具有重要的意义。如果以系统真实特性为基础的水力过渡过程计算方法应用到工程实践中去, 这不但能够在设计中选择最佳方案, 降低工程造价, 还能够提高运行中的安全可靠性。美国奔特力-海思德软件公司于1985年在美国推出HAMMER水力过渡分析软件, 20多年来在美国及全世界拥有数千家用户在使用HAMMER产品, 其适用于各种输配水管道系统的水力过渡分析, 包括长距离输水管道、多级泵站系统、调速泵系统、厂区管网及水电站涡轮发电机组及管路等的水力过渡分析。本文使用HAMMER软件对长距离输水管道进行水力过渡分析的研究。

1 长距离输水管线模型建立的基本步骤

1.1 管线及各元素的模拟

长距离输水管线一般分为有抽水泵站和无抽水泵站重力输水两种方式, 以下我们暂就有抽水泵站的长距离输水管线的水力过渡进行研究分析。整条管线需要模拟的元素包括:泵前水池、水泵、液控缓闭阀、空气阀、调压井、镇墩、末端水池以及连接各个元素的管道等等。其中每个元素都需要输入其各自的参数, 如高程、长度、糙率等等。

1.2主要元素的模拟

1.2.1 水泵的模拟。根据设计选型确定的水泵, 在水泵定义中输入其流量与扬程的对应关系, 生成流量-扬程曲线。该曲线为水泵的重要参数, 决定了水泵的运转特性。水泵在运行中, 不同的流量有不同的运转效率, 输入对应数值, 产生流量与效率曲线。水泵的转动惯量对管线的水力过渡影响很大, 需准确选取。在必要情况下, 可以通过加大水泵转动惯量而减轻水力过渡造成的危害。

1.2.2 液控缓闭阀的模拟。为了减小管道发生水力过渡时产生的危害, 在水泵后面往往配备液控缓闭阀。在事故发生时, 通过缓慢的关闭阀门, 有效的减小管道水流因惯性前冲和水流倒流对水泵和管道的冲击, 将最大升压控制在管道能够承受的范围。一般情况下, 将液控缓闭阀设为两阶段关闭, 即第一阶段快速关闭, 如2～3秒快速关闭60%～70%, 第二阶段缓慢关闭, 如20～30秒关闭至100%。第一阶段的快速关闭, 有效的截断了大部分水流依托惯性继续向前, 并有效的缓解了之后管道倒流对水泵反转的影响;第二阶段的缓慢关闭避免了因阀门快速关闭带来的水力过渡危害。对液控缓闭阀两阶段关闭时间和关度的分析研究, 对水力过渡分析有重要的意义。

1.2.3 空气阀及调压井的模拟。在长距离输水管线中, 一般在局部高点部位布设空气阀。在管道内发生波动时, 产生的多余的空气需要通过空气阀排出, 如果发生水柱分离, 局部高点极易产生真空, 这时就要通过空气阀补进空气, 填充水流离开高点带来的真空破坏。空气阀对于空气的补充较为方便, 快速, 其在管道产生较小负压时能有效缓解水力过渡对管道的破坏。但由于空气阀的孔径问题, 以及气体太易压缩的特点, 往往在发生较大负压时作用不明显, 不能有效的补充足够的空气来填满真空。这时, 就需要布设调压井。在水柱分离发生时, 调压井里的水迅速补充进管道。在管道正常运行时, 通过管道内水流的压力, 补充调压井内水位, 这样就能有效的解决局部高点产生的负压对管道的破坏。

1.3 管线正常运行工况的模拟

除了上述主要元素的模拟, 在输水管线中还需确定泵前水池和末端水池的水位;根据所选管材确定管道糙率, 即曼宁系数n;在管道弯管处还应考虑局部水头损失系数;另外, 按照管道布设镇墩的实际情况, 输入各镇墩所处的高程, 连结管道的长度。

以上各个元素的参数输入后, 输水管线的静态模拟就完成了。这时需进行初始条件的计算。计算完成后, 会出现相应的“计算概要”和“用户通知”, 形成输水管道正常运行情况下的管道水力要素剖面图。对于这些计算结果, 需进行成果合理性和正确性分析, 判断在模型的建立过程中, 是否有错误导致不正确的计算结果。将计算结果调节至合理、正确后, 方可进行输水管道的水力过渡分析。

2 长距离输水管线水力过渡工况和计算方法的分析

水泵启动时, 为了减小水泵电动机的负荷, 通常把出水阀门保持在关闭状态, 而当水泵达到额定转速后, 才逐渐打开出水阀门。在正常的水泵停机过程中, 首先慢慢的关闭出水阀门, 然后才切断供给水泵电动机的电源。水泵启动和正常停机的过程中产生的水力过渡一般由泵后阀门产生, 而泵后阀门的缓慢打开或关闭, 可以有效的减小水力过渡的影响。但在事故水泵工况中, 如突然断电引起的过渡过程通常是严重的, 应该把管道设计的能承受这种工况引起的正压和负压。由于水泵的惯性一般比管道中液体的惯性小, 因而断电后泵的转速降低。水泵的扬程和流量减小后, 负压力波在出水管中向下传播, 正压力波在吸水管中向上游传播。虽然这时水泵仍以正常方向旋转, 但出水管中的流量急速地减小到零, 然后反向流过水泵。由于反向水流, 泵的转速迅速减小, 瞬时停转, 而后水泵反转, 即水泵作为水轮机运行。随后, 泵的反向转速增加, 直到飞逸转速。伴随反向转速的增加, 由于调节作用, 通过泵的流量减小。于是, 分别在出水管和吸水管中产生正压力波和负压力波。对于长距离输水管线, 还应注意管线纵向局部高点可能产生真空和水柱分离的情况。在设计中, 应该研究水柱分离的可能性, 在必要的时候应该采取补救方法。综上所述, 长距离输水管线水力过渡分析应将事故停泵工况作为控制工况, 下面就这一工况进行实例分析。

HAMMER软件所使用的是特征线法 (Method of Characteristics) 数值解, 特征线法是对水力过渡分析最精准及可靠的算法。特征线法计算有以下特点:很容易满足数值计算解收敛的稳定条件;便于建立各类边界的边界条件方程;可以考虑管道的摩阻损失项及水锤方程的其他次要项, 从而提高计算精度;便于处理非常复杂的管网系统和各种水锤防护设计的条件, 灵活地编制计算程序。因此, 这种方法不仅有很高的计算精度, 而且计算速度快, 收敛性好, 是非常有效的计算方法。

3 应用实例

以某长距离输水管线为例, 泵前水池后接水泵, 三台水泵并联布置, 两用一备, 每台水泵后接液控缓闭蝶阀, 之后为43公里长压力输水管线。输入每个元素的参数后, 首先进行初始条件的计算, 计算后形成输水管道正常运行情况下的管道水力要素剖面图, 如下图:

经调试没有发现问题后, 进行水力过渡分析计算。模拟两台运行水泵均发生事故停泵, 如断电, 这种工况是为最不利工况, 其带来的水力过渡破坏是最大的。水泵后的液控缓闭蝶阀两阶段关闭时间经多次调整, 最终确定为第一阶段3s关闭60%, 第二阶段30s关闭至100%, 此关闭时间为最为水力过渡破坏最小的工况。

计算结果以瞬时动画和水力过渡包络线显示, 从中可以可清楚的看出各点在水力过渡中升压降压情况, 并且对照生成的水力过渡过程“瞬时计算结果汇总表”, 可以读出每个元素瞬时升压和降压水头, 具体的考虑每一元素的水力过渡破坏。

从图上可以看到, 泵后液控缓闭蝶阀处为水力过渡升压最大得地方, 此处管道允许最大压力需满足最大升压, 保证管道的安全。泵后19公里处为一高点, 易产生负压, 故在此设立调压井, 消除真空对管道的破坏。其余局部高点布置的空气阀, 能有效的缓解水力过渡的影响。

4 结论

通过分析可知, 对于长距离输水管线而言, 水力过渡分析的重点在于水泵后的最大升压和管线高点处的负压带来的破坏。泵后液控缓闭阀的两阶段关闭对泵后最大升压破坏有重要的影响, 调节好关闭时间对管线的水力过渡防护有重要意义。另外, 在管线高点处布设调压井能有效的去除管线该点的真空破坏, 在局部高点处布设的空气阀能有效的缓解水力过渡的破坏。

经过上述水力过渡分析后, 长距离输水管线在发生各种工况时, 不会出现破坏管线的情况, 这对输水安全有重要的意义

参考文献

[1]刘竹溪, 刘光临.泵站水锤及其防护[M].北京:水利电力出版社.1988.

[2][加]M.H.乔德里著.陈家远, 孙师杰, 张治滨译.实用水力过渡分析[J].成都:四川省水力发电工程学会.1985.

[3][俄]B.Φ.切巴耶夫斯基等著.窦以松, 何希杰等译.泵站设计与抽水装置试验[M].北京:中国水利水电出版社.2007.

城市给水管网水力计算系统研究第6篇

为更好地对地下水管进行建设和维护,本文通过分析给水管网系统的水力计算理论,建立了给水管网平差模型,利用牛顿迭代法求解模型,并引入步长因子λ对系统初值进行修正。

1 给水管网系统概述

给水管网系统是一个由管道、水源、泵站、调节阀等多种设施构成的水输送系统,通过系统的合理设计,可以将水由一个或几个水源点送至若干消费点[2]。

将若干管段顺序连接,起点和终点相互重合成环,若此环不包括它环称为基环,节点数M,链N,基环数L之间的关系为:

N=M+L-1 (1)

城市管网多由树状网和环状网混合构成。管网系统庞大复杂,主要有如下特征:1)管网系统通常是大规模、非线性系统,优化模型非凸;2)系统的约束条件复杂,有时不能用解析式表达;3)系统常带有整数变量。

2 管网水力平衡计算

管网的水利平衡计算主要由三大方程组成,即节点方程、回路方程和压降方程。通过联立此三大方程组,对给水管网进行水力计算求解[3,4]。

节点方程又称节点流量连续性方程,即连接于任何节点的所有管段流量,其代数和为零,以矩阵表示为:

$A \bar{Q} = \bar{q}$ (2)

其中,A为管网图的基本关联矩阵; $\bar{Q} = (Q_{1} ‚ Q_{2} ‚ \dots ‚ Q_{Ν})^{Τ} ‚ Q_{i}$ 为管段i的流量; $\bar{q} = (q_{1} ‚ q_{2} ‚ \dots ‚ q_{Μ})^{Τ} ‚ q_{i}$ 为节点i的流量。

连续性方程规定,任意节点的流进量为负值,流出量为正值。每个节点有一个节点连续性方程。

回路方程也称能量方程,每个环岛水头损失闭合差为0,包括虚环在内。计算时,规定水流流向沿顺时针方向为正,逆时针方向为负,矩阵表示为:

$B \bar{h} = 0$ (3)

其中,B为管网图的基本回路矩阵; $\bar{h} = (h_{1} ‚ h_{2} ‚ \dots ‚ h_{Ν})^{Τ} ‚ h_{i}$ 为管段i的水流损失;0为0向量,即0=(0,0,…,0)T。

压降方程是管段流量Q与水头损失h之间的关系,表示为:

h=SQm (4)

其中,S为与管材、管长、管径有关的摩阻系数;m为水力指数(m=1.85～2),将方程(4)写为矩阵形式,压降方程为:

$\bar{h} = \bar{S} Q^{m}$ (5)

其中, $\bar{h} = [h_{1} ‚ h_{2} ‚ \dots ‚ h_{Ν}]^{'}$ ;

3 管网水力平衡模型计算

3.1 节点水压与管段流量

节点水压法定未知量是节点水压。设r个节点水压已知,解节点方程求出N-r个未知节点的水压,再利用管段流量和水头损失的关系,求解管段流量:

$Q_{i j} = (\frac{E_{i} - E_{j}}{h_{i j}})^{\frac{1}{n}}$ (6)

由于Hazen-Williams公式在低流速下对给水管网系统能够提供更精确的结果,故用其表示水头损失hij和管段流量Qij的关系。Hazen-Williams公式为:

$Q_{i j} = \frac{0.278 53 C \times D_{i j}^{2.63} h_{i j}^{0.54}}{l_{i j}^{0.54}}$ (7)

其中,lij为管段长度;Dij为管径,m;C为管段i的摩阻系数;Qij为管段i的初始流量,L/s。

设管段两端节点i,j的水压分别为Ei和Ej,则:

hij=Ei-Ej (8)

令 $R = \frac{0.278 53 C \times D_{i j}^{2.63}}{l_{i j}^{0.54}}$ 可得到:

Qij=Rij(Ei-Ej)0.54 (9)

考虑到水流的方向性,式(9)改为:

Qij=Rij|Ei-Ej|0.54SGN(Ei-Ej) (10)

其中,SGN为符号函数。

式(10)为节点水压与管段流量的关系。

3.2 连续性方程

对于管网中任一节点流量的连续性方程为:

fi=∑±Qij+qi=∑Rij|Ei-Ej|0.54SGN(Ei-Ej)+qi (11)

其中,M为节点数;qi为节点流量。

式(11)为关于E=[E1,E2,…,EN]T的非线性方程组,可用牛顿迭代法求其数值解。

3.3 管网方程的求解

由式(11)可以得到如下方程组:

则关于E的Jacobi矩阵J元素如下:

牛顿法为求解非线性方程组的经典方法,其收敛速度快。基本步骤如下:

1)给定初值 $\bar{E}^{(0)} = (E_{1}^{(0)} ‚ E_{2}^{(0)} ‚ \dots ‚ E_{Μ}^{(0)})^{Τ}$ ,由式(11)计算f $_{i}^{(0)}$ 。若所有|f $_{i}^{(0)}$ |≺ε(ε为所需精度,取ε=0.001 m3/s),则 $\bar{E}$ (0)为所求;否则,令k=0,进行下一步。

2)由方程组(12)计算(∂fi/∂Ei)(k),(∂fi/∂Ei)(k)为∂fi/∂Ei在 $\bar{E} = \bar{E}^{(k)}$ 处的值,按式(13)可形成Jacobi矩阵J(k)。

3)解线性方程组(14),得到ΔE $_{i}^{(k)}$ :

其中,ΔE $_{Μ}^{(k)}$ 为校正水头。

4)再求出Ei的最新值。

5)由式(11)计算fi(k+1),若所有|fi(k+1)|≺ε,则fi(k+1)为所求。否则令k⇐k+1,返回步骤2),直到|fi(k+1)|≺ε。

由于Jacobi矩阵是非奇异的,故式(14)可用迭代法求得,但其数值计算结果不够理想。由于Jacobi矩阵J对称正定,故采用平方根法求解上式[5]。

首先将J进行LLT分解:J=LLT,再求解方程:

LLTΔE=-F (15)

其中,ΔE=(ΔE1,ΔE2,…,ΔEM)T;F=(f1,f2,…,fM)T;矩阵L为下三角矩阵;LT为L的转置,为上三角矩阵。

按照上述步骤求解,如果初值选择不当,牛顿迭代法可能不收敛,引入步长因子λ=0.5来解决。

E $_{i}^{(k + 1)}$ =E $_{i}^{(k)}$ +λΔE $_{i}^{(k)}$ (16)

4 案例分析

以某地区的给水管网系统为例,取水厂2座,一水厂设12SA-10B型水泵3台,两用一备,二水厂设14SA-10B水泵2台,一用一备,管网中设钢筋混凝土水塔1座,管道采用铸铁管,管网图见图1。管径类型、管长及节点流量等参数见表1。

将表中数据整理确定后,应用本文所述计算程序对管网进行平差,经程序计算后得管网平差计算后的结果(见表2)。

5 结语

本文分析和研究了管网水力计算分析理论,将节点水压法成功地应用在计算机中。引入步长因子λ对初值进行了修正,利用计算机的强大计算功能,获得了准确、直观的数据。运用此模型,迅速的得到了管网运行的工况资料,为管网的改、扩建工程提供了可靠的数据来源。

摘要：通过研究给水管网系统特征,分析了给水管网水力平衡计算理论,建立了城市给水管网水力计算模型,利用牛顿迭代法求解模型的数值解,为得到最优结果,引入步长因子λ对系统初值进行修正,最终得到符合实际工况的管网运行数据。

关键词：给水管网,水力平衡,数值解,步长因子,牛顿迭代法

参考文献

[1]赵洪宾.给水管网系统理论与分析[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.

[2]严煦世.给水工程[M].北京:中国建筑工业出版社,1999.

[3]许仕荣,邱振华.给水管网的计算理论与电算应用[M].长沙:湖南大学出版社,1997.

[4]祝健.一种环状给水管网流量优化分配方法[J].合肥工业大学学报,1999,23(2):56-57.

[5]刘景,陈正鸣.用于水力特性分析的管网建模系统设计[J].计算机工程与设计,2006(27):37-38.

某水库导流洞的水力计算第7篇

1.1 导流标准

某水库工程是以供水为主兼顾农田灌溉和环境用水的综合利用工程, 按《水利水电工程等级划分及洪水标准》 (SL252-2000) 的规定, 按供水规模应为Ⅳ等工程, 根据水库总库容为532万m3, 应属Ⅳ等工程, 其主要建筑物大坝、溢洪道、取水口及输水洞为4级建筑物, 根据颁部规范SDJ338---89的规定, 相应的临时建筑物为五级建筑物, 考虑到该工程规模较小, 选取设频率P=20%, 相应流量18m3/s。

1.2 洞身水力计算

从导流的布置情况来看, 在枯水期一般设为无压隧洞, 但为了考虑洪水期度汛时的过流能力, 故采用纵坡i=1.5/100;经过多方案的比较, 采用i=1.5/100比较合理, 经济导流隧洞按明渠均匀流设计, 由明渠均匀流的流量公式:Q=AC (Ri) 1/2=Ki1/2

式中:Q—设计流量 (m3/s)

A—洞身过水断面面积 (m2)

R—水力半径 (m) , R=A/X, X为过水断面湿周;

C—谢才系数 (m1/2/s) , 其值按曼宁公式计算, C=R1/6/n, n为糙率。

为了考虑在第一个洪水期的泄洪, 假设隧洞洞宽b=3.8m, H=4.3m。

流量模数:K=ACR1/2=Q/i1/2

糙率n值表

由《施工组织设计规范》, 对现浇砼衬砌, n=0.014则

采用高等教育出版社《水力学》上册附图Ⅱ, 由b2.67/nK与h0/b的关系曲线, 当b2.67/n K=17.2时, 在m=0.0的曲线上查得h0/b=0.211, 故导流洞中的实际水深为h0=0.211×3.8=0.802m

根据假设的隧洞断面图与洞身水力计算结果, 圆拱直墙式断面尺寸为:洞宽b=3.8m;直墙高3.197m;圆拱半径r=2.194m;洞内水深h=0.802m;水面以上净空高度3.498m。

净空面积=A总-A=3.8×2.1+2×1.9×1.097×1/2+ (1200×3.14×1.92) /3600-3.8×0.802=12.05 (m2)

则ΔA/A= (12.05/15.1) ×100%=79.81%

故净空高度及净空面积均符合明渠规范要求, 并且实际过水断面形状上为矩形, 故假设隧洞为明渠是正确的。

当Q=18.0m3/s时的相应临界水深hk及临界坡ik, =[ΑQ2/ (gb2) ]1/3

hk=[1×182/ (9.8×3.82) ]1/3=1.32m, h0=0.802m, 由h01为急流。

临界断面面积Ak=bhk=3.8×1.32=5.016 m2

临界过水宽度Bk=b=3.8 m

临界湿周Xk=b+2hk=3.8+2×1.32=6.44m

临界水力半径Rk=Ak/Xk=5.016/6.44=0.78m

临界谢才系数Ck=RK/6 1/n=0.781/6×1/0.014=68.52

则临界纵坡ik=gXk/ (αCk2 Bk) =9.8×6.44/ (1×68.522×3.8) =0.0036

由ik=0.35%

2 上、下游水位计算

2.1 下游水位

由基本资料-岔河水库坝下水位流量关系曲线可知, 当流量Q=18m3/s时相对应的水位为1423.01m, 故下游水位为1423.01m, 下游设计洪水静水位为:1423.01m。

2.2 上游水位

由ik=0.35%

因隧洞出口底板高程与下游水位高程之差大于零, 即1423.15-1423.01=0.14>0。故泄流量为自由出流。

采用中国城市出版社《施工组织设计与施工规范实用全书》上册, 泄流量按短管自由出流, 即按非淹没堰流计算。

非淹没堰流公式:Q=m BK2g1/2H02/3

m—流量系数

H0—计入行近流速的上游水头

Bk—临界水深下的平均过水宽度

则上游水位:1424.38+2.33+△Z

△Z为河底高程与进口底板之差。

故上游设计洪水静水位为:1428.38m。

3 进口过流流量校核

采用中国城市出版社《施工组织设计与施工规范实用全书》上册以及SL297-2002水工隧洞设计规范, 进口过流流量按宽顶堰公式计算:

式中m--流量系数

所以满足要求。

摘要：利用现代计算方法对以供水为主兼顾农田灌溉和环境用水水库的洞身水力和上、下游水位计算, 并对进口过流流量校核。分析结果为水库设计提供依据, 适用性强。

树状供水管网泄漏水力计算及分析第8篇

1991年,Ligget提出基于压力和流量,以动态的形式判断管网是否发生泄漏,进行管道破裂问题的研究[2,3]。Ligget于1994年通过数据分析及研究,对管网的漏损问题进行线性求解,更好地对瞬变流问题进行了研究[4]。2008年,Shridhar Yamijala以管道的泄漏量等数据为基础,进行时间序列上的统计及分析[5]。上述学者的研究内容都各有其侧重点。该文基于EPANET软件,对树状管网的泄漏问题进行了水力计算,在此基础上对供水管网的水力特性进行了分析,对供水管网的漏损检测以及漏损控制提供一定的理论基础。

1 树状管网泄漏

图1所示的节点(1)为一水池,该水池为树状管网提供水源。管段[1]上设有泵站,其水力特性为:

sp1=311.1 mm3/s,he1=42.6 m,n=1.852。节点(1)处的水头为H1=7.80m,各节点地面标高见表1。

1.1 主干管路发生泄漏

假设泄漏发生于主干管路中的3节点处,泄漏量从0开始逐渐变大。利用EPANET软件计算3节点泄漏时各管段的流量以及各节点处水头随时间的变化过程。

图2给出了主管段2内的流量在无泄漏和泄漏时随时间的变化过程。从图2可以看出,当节点3发生渗漏时,主干管道2的管段流量与无泄漏情况相比会随时间逐渐增大。

1.2 支路管道发生泄漏

假设泄漏发生于支路管段的节点8处。泄漏量仍然从0开始逐渐变大,利用EPANET软件计算8节点泄漏时各管段的流量以及各节点处水头随时间的变化过程。

图3给出了主管段5内的流量在无泄漏和泄漏时随时间的变化过程。从图3可以看出:泄漏节点所在支路的管段流量与主干管道的管段流量在泄漏发生以后会减小。节点未发生泄漏的管网支路的管段流量与无泄漏情况相比管段流量不发生变化,即泄漏对支路管段流量没有影响。

2 结语

该文利用EPANET软件分别对树状管网中的主干管道泄漏和子管道泄漏进行了水力计算,通过以上分析得出下面结论:

(1)对于树状管网,当主干管路发生泄漏时,为满足支路中各节点的需水量,仅主干管路流量与无泄漏相比会增加,支路管段各流量保持不变。