1.6.4.1 管(渠)道总水头损失
管(渠)道总水头损失,可按下列公式计算:
式中 hz——管(渠)道总水头损失,m;
hy——管(渠)道沿程水头损失,m;
hj——管(渠)道局部水头损失,m。宜按下列公式计算:
式中 ξ——管(渠)道局部出头损失系数。
管道局部水头损失与管线的水平及竖向平顺等情况有关。调查国内几项大型输水工程的管道局部水头损失数值,一般占沿程水头损失的5%~10%。所以一些工程在可研阶段,根据管线的敷设情况,管道局部水头损失可按沿程水头损失的5%~10%计算。
配水管网水力平差计算中,一般不考虑局部水头损失,主要考虑沿程水头损失。因为配件和附件如弯管、渐缩管和阀门等的局部水头损失,与沿程水头损失相比很小,通常忽略不计,由此产生的误差极小。
1.6.4.2 管(渠)道沿程水头损失
改革开放以来给水工程所用管材发生很大变化。灰口铸铁管逐步淘汰,塑料管材(如热塑性的聚氯乙烯管和聚乙烯管,以及热固性的玻璃纤维增强树脂夹砂管等)品种越来越多,规格越来越齐全,在给水工程上得到了越来越广泛的应用。近年来,大口径预应力钢筒管道生产技术已广泛应用在输水工程上。此外,应用历史较长的钢管的防腐技术有了进展,已普遍采用水泥砂浆和涂料作内衬。这样原室外给水设计规范中所采用的以旧钢管和旧铸钢管为研究对象建立的舍维列夫水力计算公式的适用性越来越小。现行国家标准《建筑给水排水设计规范》(GB50015—2010)对原采用的水力公式进行了修正,明确采用海澄-威廉公式作为各种管材水力计算公式。各种塑料管技术规程也规定了相应的水力计算公式。
欧美国家采用的水力计算公式和配水管网计算软件,一般多用海澄-威廉公式。该公式也在国内的一些工程实践中应用,效果较好。由于各种管材的内壁粗糙度不同,以及受水流流态(雷诺数Re)的影响,很难采用一种公式进行各种材质的管道沿程水头损失计算。根据国内外有关水力计算公式的应用情况和国内常用管材料的种类与水流流态的状况,并考虑与相关规范(标准)在水力计算方面的协调,新的《室外给水设计规范》(GB50013—2014)制定了3种类型的水力计算公式。
1.塑料管及内衬与内涂塑料的钢管
通常按达西公式计算:
式中 λ——沿程阻力系数;
l——管段长度,m;
dj——管道计算内径,m;
v——管道断面水流平均流速,m/s;
g——重力加速度,m2/s。
在层流中λ=64/Re,即λ仅与雷诺数有关,与管壁粗糙无关。
2.混凝土管(渠)及采用水泥砂浆内衬的金属管道
输配水的水头损失计算中,绝大多数按紊流状态计算。
由于紊流的复杂性,式(1.6.13)中沿程阻力系数λ,目前还不能像层流那样严格地从理论上推导出来。现有确定沿程阻力系数λ的公式可分为两类,其一是根据紊流沿程损失的实测资料综合而成的纯经验公式;其二是以紊流的半经验理论为基础,结合试验结果得到的半经验公式。
表1.6.2 各种管道沿程水头损失水力计算参数(n、Ch、Δ)值
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1775年,谢才(Chézy)提出的计算均匀流的经验公式(谢才公式):
由式(1.6.14)得
式中 i---管段单位长度的水头损失(水力坡度);
C---流速系数(谢才系数);
R---水管的水力半径,m。
巴甫洛夫斯基给出了式(1.6.15)中流速系数(谢才系数)C的经验公式:
n---管(渠)道的粗糙系数。见表1.6.2。
式(1.6.17)适用于:0.1≤R≤3.0;0.011≤n≤0.040。
管道计算时,y值也可取1/6,即按下式计算
将式(1.6.15)进行变换:
式(1.6.19)用设计流量q表示时,水力坡度为
则水头损失公式为
式中 s=αl,称为水管摩阻,s2/m5。
对于混凝土管和钢筋混凝土管,因为n=0.012~0.013,则由式(1.6.18)可计算出不同n值时的流速系数(谢才系数)C,将计算得到的C值带入式(1.6.20),得出以下公式:
式(1.6.22)、式(1.6.23)的比阻α值可按不同的管径dj,列成表格,工程上可以直接通过查表求α值。
就谢才公式本身而言,式(1.6.14)适用于有压或无压均匀流动的各阻力区。但是,上述直接计算流速系数(谢才系数)C的经验公式中,只包括n和R,不包括流速υ和运动黏滞系数ν,也就是与雷诺数Re无关。因此,如果直接应用上述经验公式(1.6.16)和式(1.6.18)计算谢才系数C时,谢才系数公式就仅适用于紊流粗糙管区。
3.输配水管道、配水管网水力平差计算
其他符号意义同前。
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