喷灌和微灌工程管道水力学基础docx.docx

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—、水力学的基本概念

（-）三大基本方程1.能量守恒方程

水体的总能量由动能、位能和压能组成，三种能量可以相互转换。

对于任意两个断面水的总能量是守恒的，任意两个断面之间的能量差反映能量损失（水头损失）或能量的注入（水泵加压）。

能量守恒方程式如下：

（2—6）

式中：

zo一一过水断面上单位重量液体所具有的位能，单位为m；

匹一一过水断面上单位重量液体所具有的平均压y能，单位为m,y为液体的容重，水可取9.8kN/m3；

hw水头损失，单位为m。

蓝一一过水断面上单位重量液体所具有的位平均2g

动能，单位为m；g为重力加速度，一般取9.8m/s2o

能量守恒方程常用在如下方面的水力计算：

水头损失计

属多口出流管道。

在喷洒支管上，每隔一定距离有一个喷头分流，支管内的流量是沿程减小的。

在计算管道的沿程损失时，可以逐段计算两喷头之间管道沿程水头损失，相加后即为该支管的沿程水头损失。

但这样计算相当繁琐，可采用简化方法进行计算。

多口出流管道的沿程水头损失Hf,与同一管道但全部流量只在管末出流时的沿程水头损失加、之比，称为多口系数，以F表示,即：

（2-15）

因此，按非多口出流沿程水头损失加，在乘以多口系数F,就可求得多口出流管道（如喷灌支管、微喷灌和滴灌毛管）的沿程水头损失用，即：

（1）固定管道（包括喷灌支管和微灌支管、毛管）的多口系数公式:

f=nf「i+x

N-l+X

（2-16）（2-17）

支管等的孔口数；

式中:

多口系数;

m——所采用的沿程水头损失公式中的流量指数；

X——第一出水口至支管等进口距离（/））与出水口口间距（/）的比值。

X=/]〃。

（2）大型喷灌机支管的多口系数公式（2-18）

在喷灌系统规划设计中，用到多口系数计算的场合，绝大多数是半固定式或固定式的移动支管（大型喷灌机的多口系数公式很少用到），一般都是用塑料管或铝管，而且在多数情况下，支管上所布置喷头数在5~12个，为设计方便，在表2-5中给出这两种管道的常用多口系数，设计时可直接查用。

表2-5塑料管或铝管的多口系数

开口

数

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

oo

X=1

0.47

0.45

0.44

0.43

0.42

042

0.41

0.41

0.40

0.40

X=0.

5

0.41

0.40

0.40

0.39

0.39

0.39

0.38

0.38

0.38

0.38

0.36

7.管径及长度确定

由于每一条管道，以及同一条管道的不同管段在轮灌过程中流量有变化，一般应取各管或管段中通过的最大流量为该管或管段的设计流量。

有时最大流量通过的时间在设计灌水周期内所占总过水时间比例很小，可取次大流量作为设计流量。

（1）喷灌支管管径的选择

支管是指直接连接竖管和喷头的一级管道，有时亦称喷洒支管。

支管的管径的选择除与支管的设计流量有关外，还应力求使同一支管上的各喷头喷水量均匀，同时又较为经济、合用。

管径选得越大，管道沿程水头损失越小，同一支管上各喷头的压力差也越小，各喷头的喷水量也就越接近。

但若管径取得过大，则会增加支管的投资造价，对于移动支管来说还会增加拆装、搬移的劳动强度。

管径选得越小，管道沿程水头损失越大，各喷头压力差和喷水量的差别就越大，影响喷灌质量。

为了保证同一支管上各喷头实际喷水量的相对偏差不超过10%,《喷灌工程技术规范》规定：

“同一支管上任意两个喷头之间的工作压力差应在喷头设计工作压力的20%以内”。

若支管在平坦的地面铺设或逆坡铺设，其首末两端喷头间的工作压力差应为最大；但是当支管顺坡铺设或铺设在地形起伏的地面上时，其最大的工作压力差不一定发生在首末喷头之间，此时需要绘出压力水头线和地面线，从中找出压力差最大的两个喷头的位置，再进行计算。

对支管喷头工作压力差的控制要求，在考虑地形高差的影响后，可用公式表示为：

hw+AZ<0.2/七（2-19）

式中：

Z\Z——两喷头的进水口高程差（m）稣——喷头设计工作压力（m）。

Aw——同一支管上任意两个喷头间的水头损失差（m）,一般情况下可用支管段的沿程水头损失代替；

喷头设计工作压力可从喷头性能表中查得。

两喷头进水口高程差（实际上就是两喷头所在地的地面高差）可以由系统平面布置图中查得。

利用公式2-19,在其它参数己知的情况下反求管径。

，。

就是该支管可选用的最小管径的计算值，按照管材的标准将计算管径取整。

另外，支管管径选择还应考虑到施工和管理运行的方便，对半固定、移动式喷灌系统的移动支管，力求使各支管采用统一的规格，对于较大的喷灌系统，若不能全灌区支管管径一致，至少也需做到在一个作业区内统一，最大管径一般不超过90mmo对固定的地埋支管，管径可以变化，但规格不宜太多。

［例］某铝合金喷灌支管，全长120m,共带有PY120喷头

（喷嘴直径7mm）8个,喷头工作压力为0.3Mpa,喷头间距16m,第一个喷头距支管入口处8m。

支管逆坡铺设，首末端喷头高差l.8m，试确定其管径。

解：

①从喷头性能表查得喷头流量为：

q=2.96m3/h多口出流管道沿程水头损失用式2-13计算：

如=电刁•罕=0.86顷。

5答铝管:

户0.861x1（）5,m=1.74,8=4.74

2第一个喷头到末端的支管管段长L=7x16=112（m）

相应管段的入口流量

20.72（m3/h）

Q=7x2.96=

由孔口数N=7及X=0.5,查表2-5得多口系数尸=0.439

将"F、Q代入式（2-13）式，得：

=0.861xlO5

（）.439x112x2（）.72*4

己知Z\Z=1.8（m）,/zp=30（m）

将ZAZ,/%,及上式代入公式（2-19）并解方程得dN56.2（mm）

按铝合金管规格，采用中=65mm的管，其内径d=62mm

（2）微灌支管管径、管长的选择

微灌以小区为计算范围，按照《微灌工程技术规范》,灌水器允许流量偏差不大于20%,按照此要求校核和计算管道直径和长度。

qv=%ax"inx100%V20%（2-20）

h=xlOO%（2-21）

如可按

下式计算九=以

X

1—r

1+0.15—qv

x

（2-22）

以上公式中:

以上公式中:

x-一灌水器流态指数，约为0.5；

qv灌水器的流量偏差率;灌水器的工作水头偏差率;

0max——灌水器的最大流量;0min灌水器的最小流量；

Amax

灌水器的最大工作水头;//min灌水器的最小工作水头;

仙一一灌水器的设计流量;加一一灌水器的设计工作水头

实际计算时:

△H支=0.45/?

也（2-23）

△H毛=0.55如均（2-24）

△H支一一支管上的最大压力差，用首末端的水头损失代替。

△H毛一一毛管上的最大压力差，用首末端的水头损失代替。

（3）干管管径的选择

干管是指支管以上的各级管道。

干管管径是在满足下一级管道流量和压力的前提下按年费用最小的原则选择的，这种管径称为经济管径。

年费用包括年投资和年运行费，确定经济管径，需要分别计算出多种管径的年投资和年运行费，然后再求得使两种费用之和为最低。

由于喷灌管道系统年工作小时数少，所占投资比例又大。

因此一般在喷灌所需压力能得到满足的情况下，选用尽可能小的管径是经济的，但管中流速应控制在2.5-3m/s以下。

计算出的管径应该按照规格取整。

对于规模不大的喷灌工程，也可用如下经验公式来估算（2-26）

干管的管径。

当

Q

<

120m3/h

时，

D=1娘

（2-25）

当

Q

120m3/h

时，

D=\\.54Q

式中：

D管径（mm）

［例］有一喷灌干管，拟采用铸铁管，设计流量为80m3/h,试用经验法确定其管径。

解：

，因（2=80m3/h<120m3/h,故按公式（2-25）计算D=1370=13780=116.3mm

查铸铁管规格表，选定与计算值接近的。

=125mm的管子。

8.管道系统各控制点压力的确定

管道系统各控制点的压力是指支管、分干管、干管的入口以及其它特殊点的测管水压。

在这些控制点处通常设有调节阀门和压力表，以保证系统正常运行。

计算各控制点在各个轮灌组时的压力水头，一方面为选择水泵提供依据，另一方面也给系统运行提供基础数据。

支管入口压力的计算是系统中其它各控制点计算的基础。

根据《喷灌工程设计规范》，系统中任何喷头的实际工作压力不得低于喷头设计工作压力的90%,而且同一支管上两喷头间最大压力差不超过喷头设计工作压力的20%,支管入口压力应保证任一喷头的实际工作压力在喷头设计工作压力的90%〜110%范围之内。

而且，支管入口压力还应使支管的实际流量等于设计流量，也就是支管上喷头的平均流量等于设计流量。

确定支管入口压力常采用下面介绍的近似计算方法：

（1）按支管上工作压力最低的喷头计算H♦=hf+AZ+0.9hp

（2-27）式中：

H支——支管入口的压力水头（m）；

△Z——支管入口地面到工作压力最低的喷头进水口的高程差，逆坡时为正值，顺坡时为负值（m）；hf——支管相应管段沿程水头损失（m）；

hP喷头设计工作压力（m）。

（2）按降低0.25”来计算H,.=h,+AZ+-0.25/?

f

（2-28）

式中：

/if-一支管首末两喷头间管段的沿程水头损失（m）o

此方法适用于支管沿线地势平坦且支管上喷头数较多（N>5）的情况。

（3）按离支管总长1/4位置的点的压力为设计工作压力点计算H、匚=hf+AZ+hp

（2-29）式中：

h〃——支管入口地面到入口处约为支管总长1/4处喷头进水口处的沿程水头损失

（m）,；△Z——上述两位置的高程差（m）；

其它符号意义同前。

此方法适用地形平坦或一面缓坡的情况，在微灌的毛管水力计算中也常采用。

［例］某铝质移动支管，全长180米，内径为62mm,安装有PY120型喷头10个，设计工作压力O3.Mpa,喷头间距为18米，首端喷头到支管入口18米。

竖管高1米，内径为25mm。

支管沿线地势平坦，试确定支管入口压力。

支管入口的压力确定后，即可根据系统在各轮灌组运行时的流量，分别计算各分干管、干管的沿程水头损失和局部水头损失，最后计算出各控制点在各轮灌组作业时的压力。

将各轮灌组作业时各控制点的压力算出之后，应将结果按轮灌组顺序列成表格，作为运行时的依据。

与此同时，可以得到系统的流量范围和干管入口的压力范围，作为选择水泵所必需的数据。

根据系统流量和压力的变化范围选择水泵。

保证实际的工况点始终在高效区。

9.管道水锤计算

水锤计算：

应用，控制关阀历时，关键点。

水锤（或称水击），是指在有压管道中，由于流速急剧算，管道压力平衡计算，喷头流量、射程计算，微灌小孔出流计算，水泵扬程计算等。

如对于小孔出流，把基准面取在出口断面的中心线上，则有：

H（）=z（）+久，—«0,Zj+—=0,令农,=k•/2gy2g

有□=//屁瓦，U综合反映收缩、损失等的流量系数。

2.动量守恒方程

动量守恒方程反映了当水流流速（大小、方向等参数）发生变化时，水流与外界作用力的相互变化关系。

pQ（阳2-阳）=Zf（2-7）

动量守恒方程常用在如下方面的水力计算：

过水部件受力分析，稳定性计算，水锤计算，镇墩计算、支墩计算等。

3.连续性方程，质量守恒定律

连续性方程说明对于不可压缩液体，通过任意两个过水断面的液体质量是相同的。

Q进=Q出

连续性方程常用在如下方面的水力计算：

流量、流速计算，管径计算等。

（二）水流流态

变化而引起管道中水流压力急剧升高或降低的现象。

常见的水锤包括水泵起动时产生的起动水锤、充水水锤、关闭阀门产生的关阀水锤、以及突然停泵时产生的事故停泵水锤，其中事故停泵水锤危害最大。

通过水锤计算，可以确定是否要采取一定的安全防护措施以确保管道的安全。

（1）水锤计算用参数

1）水锤波传播速度a

对于匀质圆管有：

（2-30）

式中：

a水锤波传播速度（m/s）;d一一管径（m）;

e——管壁厚度（m）;k水的体积弹性模数（Pa）,一般k=2.025Gpa;

E——管道材料的纵向弹性模数（Pa）。

对于钢筋於管有VE

（2-31）

式中：

Ec——钢筋玲的弹性模数，Ec=20.58Gpa;ao——管壁内环向含钢系数，ao=O.O15~O.O5;

其余符号意义同前。

几种主要管材的E值（GPa）如下：

表2-6管材的E值根据喷灌中常用的不同管材E值和d/e值可得到不同管

管材

E值

GPa

管材

E值

GPa

管材

E值

GPa

钢管

206

铸铁管

108

铝管

70

聚氯乙

稀管

2.8-3

聚乙烯

管

1.4—2

聚丙烯

管

0.00008

道水锤波传播速度，见下表

表2-7不同管道中水锤波传播速度a值

管材

a（m/s）

管材

a（m/s）

钢管

1100——1200

钢筋佐管

1000——1100

铸铁

管

1200——1300

聚乙烯、聚氯乙烯管

350——400

铝管

900

聚丙烯

<3

2）水锤相时|1水锤相时g表示水锤波在管道中来回传播一次所需时

间（s）,用下式求出：

（2-32）

式中：

L——计算管长（m）;a水锤波传播速度（m/s）。

3）管道中水柱惰性时间常数TbTb=Lv（）/gH（）

（2-33）

式中：

vo——关阀前管道内的流速；Ho——关阀前管道内的压力；

g重力加速度，g=9.81m/so

（2）水锤压力计算

1）瞬时完全关闭阀门时，阀前产生的最高压力水头为Hmax=Ho+aVo/g

（2-34）

一般喷灌的主干管道内压力在40〜60m水头，流速在1.5〜2m/s,据此可求出不同管道内瞬时关闭阀门，阀前的最高压力值见下表：

表2-8瞬时关闭阀前水锤压力

管材

水锤压力（m水

头）

管材

水锤压力（m水

头）

钢管

200-300

钢筋玲管

190—260

铸铁

220-320

聚乙烯、聚氯乙

90〜140

管

稀管

铝管

170-220

聚丙烯管

增加值vl

从表中可以看出，除聚丙烯管外，其它管材在瞬时关闭的情况下，其水锤压力均较原管道中的压力增加1倍以上，根据《喷灌工程技术规范》中规定。

水锤压力超过管道试验压力（一般为管道工作压力的1.5倍）时应采取防护措施。

2）缓慢关闭阀门时，阀前产生的水锤压力为…明翌［部际句

（2-35）

式中：

Ts——关阀历时，s;其它符号意义同前。

根据公式/Li/Tb=2LgH（）/aLv（）=2gH（）/av（）,

一般情况Ho二40~60m水头，a=3OO~1300（m）,

v=1.5〜2（m/s）,可知：

#/7b=0.3~2,基本是同数量级。

按照《喷灌工程技术规范》规定，当关闭历时满足7sN20u时有：

HmaxW（l.14〜l・O3）Ho,自然可以不必验算水锤压力。

（3）水锤防护

由前面分析可知，正常运行（包括缓闭阀门）时都不会产生过大的水锤压力，管道一般时可以承受，但在瞬时关闭或水泵突然停泵时，管道内可能出现较大的水泵压力，此时需要靠水锤防护措施消除水锤的破坏。

一般采用的方法主要有以下几种。

1）安全阀，在首部枢纽的后部，系统干管、分干管上低凹处和上坡的坡脚处，设置安全阀，其作用是在水锤发生时可以急速打开，释放出管道的部分水，消除水锤压力。

相当于将瞬时关闭状态变为状态。

2）空气阀，在系统的若干高处，安装一定数量的空气阀,既可在正常运行时排除管道中的空气，保证系统内是单相流，不致出现有完全分隔时更为严重的水锤，同时还可在管道内出现负压时补气，防止产生负压水锤。

3）逆止阀，在系统的一些重要设施部位后部设置逆止阀,可以防止出现水锤时对这些设施造成破坏。

［例］某喷灌系统中采用铝合金管，管径104mm,壁厚e=2mm,通过流量Q=50m3/h,系统正常工作压力水头H（）=44.22m,管道长L=230m,设阀门（下游末端）在7I=0.5s时间内瞬时完全关闭，试求水锤压力。

解:

（1）计算水锤波传播速度。

己知104mm,e=2mm,E=69.58GPa,K=2.025GPa,代入公式（2-30）得

Cl=

「"25=898.9（m/s）}|2.025xl09x（）.104

+69.58xl09x0.002

（2）判断水锤种类

水锤相时〃芟=空2=°.512（S）a898.9

Tv=0.5s

（3）计算水锤压力v0=—3—=1.64（m/s）

°2/4

将W代入公式（）得阀门前管内最高压力水头为^,nax=//,+—=44.224-898-9X164=194.26（IT1）

maxeg9.8由里四类“39可知，直接水锤产生的压力水头为正H°44.22

常工作压力水头的4.39倍，应采取措施避免直接水锤的发生。

水流流态一般有两种形式：

层流和紊流。

1.层流

当水流流速相对较小时的水流形态，较多用于渗流计算。

2.紊流

当水流流速相对较大时的水流形态，较多的水流处于紊流状态。

紊流又可根据流速大小、边界粗糙度等因素分为光滑区，过渡区，粗糙区（阻力平方区）三种。

对于任何水流流态都可以用一个统一的公式计算水头损失与=^~

X为流态指数，反映水头损失大小与流速关系的指数，不同流态取值不同。

层流,X=1

光滑区，1VXV1.8

过渡区，L8vxv2粗糙区，x=2

k为系数。

二、水力学在节水灌溉中的应用

（一）管嘴和小孔出流计算Q*V顽

（2-8）

u为流量系数，为收缩系数和流速系数的乘积，对于管嘴一般为0.95,对于孔口一般为0.60~0.65。

Q为流量，单位m3/s；

Ho为出口前稳定段的总水头，或者管道中的压力水头，单位m；

A断面面积，m2。

（二）管道水力计算

管道水力计算的内容包括计算管道水头损失和校核管道的实际工作压力。

管道水头损失计算首先应该确定管道的流量，再根据系统的运行情况确定管道级别（干管还是支管）、管道的水力类型（水力长管还是水力短管）以及管道上出水口的出流形式（单口出流还是多口出流），从而正确的进行水头损失计鼻。

管道水力计算的另外一个重点是计算各级管道的工作压力大小、管路上的压力分布情况以及管道中的水力瞬变，用于校核管道压力和流量是否有关标准和规范的要求，是否满足系统运行安全的要求。

1.系统的设计流量确定

包括总流量，各管段流量确定。

连续性方程的应用，流量分配与叠加，设计流量与实际工作流量，干管汇流，系统流量损失。

2.系统的设计扬程确定H=（Zd+九—z,）+hp+£外+£〃=&+/+hp

（2-9）式中：

H——系统设计扬程（m）；

Zd——典型出水点的地面高程（m）；Zs水源水面高程（m）；

hs——典型出水点灌水器至地面的高度（m）；hP——典型出水点灌水器的工作压力水头

（m）；Xhj-一由水泵吸水管至典型点的灌水器进口处之间管道的沿程水头损失（m）；

£均一一由水泵吸水管至典型点的灌水器进口处之间管道的局部水头损失（m）。

系统的设计扬程由三大部分构成，即位置差，总水头损失，灌水器工作压力水头。

3.管道水头损失计算公式

（1）水头损失计算是管道水力计算的主要内容。

由于节水灌溉系统所采用的管道大都是水力长管，管道水头损失中局部水头损失占的比重较小，所以重点是计算管道的沿程水头损失，按照一定的比例估计沿程水头损失。

hw=hf+h.=（1+k）hf

（2-10）

其中h广戒7d2g

hj=^—J2g

式中：

X一一沿程水头损失系数；&——沿程水头损失系数；

d——管径（m）；1管长（m）；

v——管道中的流速（m/s）；

k——局部水头损失与沿程水头损失的比值，k一般取5〜10%；hf——沿程水头损失（m）；

hj局部水头损失（m）。

（2）串联管道与并联管道水力计算。

1）串联管道

由管径不同的管段依次连接而成的管道，称为串联管道。

串联管道内的流量可以是沿程不变的；也可以是沿程每隔一定距离有流量分出，从而各段有不同的流量。

因为各管段的流量、直径不同，所以各管段的流速也不同。

这时，整个管道的总水头损失等于各管段水头损失之和。

知=加点（妁+&）

式中：

知为串联管道总水头损失，m；扁为串联管道各管段的水损失，m；n为串联管道管段数。

2）并联管道

凡是两条或两条以上的管道从同一点分叉而又在另一点汇合所组成的管道称为并联管道。

在汇合点，管道的流量等于各分支管道流量之和，而各分支管道的水头则相等。

因此，按下列公式计算水头损失。

hw=hw\=hwi—hw3=’•.》O=Q+0+0+…

（2-12）

4.《喷灌工程技术规范》中规定的水头损失计算公式

喷灌中使用的管道，按管材不同来确定流态的分区，选用不同的沿程水头损失计算公式。

作简单分区可以使设计、计算变得简单，而且误差一般不会太大。

《喷灌工程技术规范》中计算沿程水头损失力的基本公式如下：

/Jdb（2-13）

式中：

Q——管道中流量（n?

/h）；L——计算管长（m）；

d管道内径（mm）；f——摩擦损失系数；

m流量指数；

h——管径指数。

该公式中摩擦损失系数/只是简单的数值，没有待定系数。

摩擦（阻）损失系数流量指数m管径指数b由选定的公式确定，见表2-3：

表2—3沿程水头损失公式中的E必力值

管材

流态

f

m

b

佐管、

钢筋建管

n=0.013

1.34X106

2

5.33

n=0.014

粗糙区

1.56X106

2

5.33

n=0.015

1.79X106

2

5.33

旧钢管、

旧铸铁管

过渡区

6.25x106

1.9

5.1

塑料硬管

光滑区

0.948x10

5

1.77

4.77

铝管、铝合金管

光滑区

0.861x10

5

1.74

4.74

5.微灌中管道沿程水头损失计算

微灌中管道沿程水头损失计算公式和喷灌是一致的，但是由于选用材料略有不同，因此在分区和取值上有所不同。

（2-14）式中：

Q——管道中流量（L/h）；其它同喷灌。

表2-4沿程水头损失公式中的f、m、b值

管材

f

m

b

硬塑料管

0.464

1.77

4.77

微灌用聚乙烯

管

6/>8mm

0.505

1.75

4.75

dW

8mm

Re>232

0

0.595

1.69

4.69

ReW

2320

1.75

1

4