管网水力计算

管网系统水力计算与仿真分析一、管网系统水力计算与仿真分析概述管网系统是城市基础设施的重要组成部分，负责将水资源从源头输送到各个用户，同时收集和处理污水。

随着城市化进程的加快，管网系统的规模和复杂性不断增加，对水力计算和仿真分析的需求也日益突出。

水力计算与仿真分析是确保管网系统高效、安全运行的关键技术手段。

1.1 管网系统水力计算的重要性管网系统的水力计算是评估系统性能、优化设计和运行管理的基础。

通过水力计算，可以预测水流在管网中的分布、速度和压力，从而为管网的设计、扩建和维护提供科学依据。

1.2 管网系统仿真分析的作用仿真分析是利用计算机技术模拟管网系统的实际运行情况，通过模拟可以发现潜在的问题，优化系统设计，提高运行效率，降低能耗和成本。

二、管网系统水力计算与仿真分析的关键技术管网系统的水力计算与仿真分析涉及到多个关键技术，这些技术是确保计算准确性和仿真效果的关键。

2.1 水力模型的建立水力模型是仿真分析的基础，需要根据管网系统的实际情况建立相应的数学模型。

模型的建立包括确定管网的拓扑结构、节点特性和管道参数等。

2.2 计算流体动力学(CFD)的应用计算流体动力学是一种数值模拟技术，用于模拟流体在管网中的流动。

CFD可以提供详细的水流速度、压力和温度分布等信息，对于分析复杂管网系统的水力特性至关重要。

2.3 管网系统的动态模拟管网系统是一个动态变化的系统，需要考虑时间因素对水流的影响。

动态模拟可以预测管网系统在不同工况下的响应，为系统的实时控制和调度提供支持。

2.4 优化算法的应用在管网系统设计和运行中，优化算法可以帮助找到最优的设计方案或运行策略，以达到提高效率、降低成本和满足环境要求等目标。

三、管网系统水力计算与仿真分析的实施途径实施管网系统的水力计算与仿真分析需要遵循一定的步骤和方法，以确保分析的准确性和有效性。

3.1 数据收集与处理在进行水力计算和仿真分析之前，需要收集管网系统的详细数据，包括管道尺寸、材质、坡度、节点类型等。

第5章建筑内部排水系统5.2排水管网的水力计算1. 设计规定为保证管道系统有良好的水力条件，稳定管内气压，防止水封破坏，保证良好的室内环境卫生，在设计计算横支管和横干管时，须满足下列规定：⑴最大设计充满度建筑内部排水横管按非满流设计，以便使污废水释放出的气体能自由流动排入大气，调节排水管道系统内的压力，接纳意外的高峰流量。

建筑内部排水横管的最大设计充满度见表5-3。

排水横管最大设计充满度表5-3⑵管道坡度污水中含有固体杂质，如果管道坡度过小，污水的流速慢，固体杂物会在管内沉淀淤积，减小过水断面积，造成排水不畅或堵塞管道，为此对管道坡度作了规定。

建筑内部生活排水管道的坡度有通用坡度和最小坡度两种，见表5-4。

通用坡度是指正常条件下应予保证的坡度；最小坡度为必须保证的坡度。

一般情况下应采用通用坡度，当横管过长或建筑空间受限制时，可采用最小坡度。

标准的塑料排水管件（三通、弯头）的夹角为91.5°，所以，塑料排水横管的通用坡度均为0.026。

生活污水排水横管的通用坡度和最小坡度表5-4工业废水的水质与生活污水不同，其排水横管的通用坡度和最小坡度见表5-5。

工业废水排水管道通用坡度和最小坡度表5-5⑶最小管径为了排水通畅，防止管道堵塞，保障室内环境卫生，规定了建筑内部排水管的最小管径为50mm。

医院、厨房、浴室以及大便器排放的污水水质特殊，其最小管径应大于50mm。

医院洗涤盆和污水盆内往往有一些棉花球、纱布、玻璃渣和竹签等杂物落人，为防止管道堵塞，管径不小于75mm。

厨房排放的污水中含有大量的油脂和泥沙，容易在管道内壁附着聚集，减小管道的过水面积。

为防止管道堵塞，多层住宅厨房间的排水立管管径最小为75mm,公共食堂厨房排水管实际选用的管径应比计算管径大一号，且干管管径不小于100mm，支管管径不小于75mm。

浴室泄水管的管径宜为100mm。

大便器是唯一在排水口没有十字栏栅的卫生器具，瞬时排水量大，污水中的固体杂质多，所以，凡连接大便器的支管，即使仅有1个大便器，其最小管径也为100mm。

给水管网水力计算
1.确定给水管网各管段的管径
给水管道的流速控制范围：
1、对于生活或生产给水管道，一般采用1.0~1.5m/s，不宜大于2.0m/s，当有防噪声要求，且管径小于或等于25mm时，生活给水管道内的流速可采用0.8~1.0m/s；
2、消火栓给水管道的流速不宜大于2.5m/s；
3、其自动喷水灭火系统给水管道的流速不宜大于5m/s，其配水支管在特殊情况下不得大于10m/s。

2.给水系统水压的确定
H=H1+H2+H3+H4
H1——引入管起点至配水最不利点位置高度所要求的静水压；
H2——引入管起点至配水最不利点的给水管路即计算管路的沿程与局部阻力水头损失之和；
H3——水表的水头损失；
H4——配水最不利点所需的流出水头。

3.水力计算方法和步骤
1、根据综合因素初定给水方式;
2、根据建筑功能、空间布局及用水点分布情况，布置给水管道，并绘制出给水平面图和轴侧草图；
3、绘制水利计算表格；
4、根据轴侧图选择配水最不利点，确定计算管路；
5、以流量变化处为节点，从配水最不利点开始，进行节点编号，并标注两节点间的计算管段的长度；
6、按建筑的性质选择设计秒流量的计算公式，计算各管道的设计秒流量；
7、根据设计秒流量，考虑流速，查水利计算表进行管网的水利计算，确定管径，并求出给水系统所需压力；
8、校核（H0≥H；H0略＜H ；H0远＜H ）
9、确定非计算管路各管径。

第2章建筑内部给水系统2.4给水管网的水力计算在求得各管段的设计秒流量后，根据流量公式，即可求定管径：给水管网水力计算的目的在于确定各管段管径、管网的水头损失和确定给水系统的所需压力。

υπ42dq g =πυgq d 4=式中 q g ——计算管段的设计秒流量，m 3/s ；d j ——计算管段的管内径，m ；υ——管道中的水流速，m/s 。

（2-12）当计算管段的流量确定后，流速的大小将直接影响到管道系统技术、经济的合理性，流速过大易产生水锤，引起噪声，损坏管道或附件，并将增加管道的水头损失，使建筑内给水系统所需压力增大。

而流速过小，又将造成管材的浪费。

考虑以上因素，建筑物内的给水管道流速一般可按表2-12选取。

但最大不超过2m/s。

工程设计中也可采用下列数值： DN15~DN20，V =0.6~1.0m/s ；DN25~DN40，V =0.8~1.2m/s 。

生活给水管道的水流速度 表2-122.4.2 给水管网和水表水头损失的计算2.4.2 给水管网和水表水头损失的计算给水管网水头损失的计算包括沿程水头损失和局部水头损失两部分内容。

１. 给水管道的沿程水头损失（2-13）——沿程水头损失，kPa；式中 hyL——管道计算长度，m；i——管道单位长度水头损失，kPa/m，按下式计算：2.4 给水管网的水力计算2.4.2 给水管网和水表水头损失的计算式中i——管道单位长度水头损失， kPa/m ；dj——管道计算内径，m；q g——给水设计流量，m3/s；Ch——海澄-威廉系数：塑料管、内衬（涂）塑管C h = 140；铜管、不锈钢管C h = 130；衬水泥、树脂的铸铁管C h = 130；普通钢管、铸铁管Ch = 100。

（2-14）设计计算时，也可直接使用由上列公式编制的水力计算表，由管段的设计秒流量，控制流速在正常范围内，查出管径和单位长度的水头损失。

“给水钢管水力计算表”、“给水铸铁管水力计算表”以及“给水塑料管水力计算表”分别见附表2-1、附表2-2和附表2-3。

为了向更多的用户供水，在给水工程上往往将许多管路组成管网。

管网按其形状可分为枝状［图1(a)］和环状［图1(b)］两种。

管网内各管段的管径是根据流量Q和速度v来决定的，由于Q Av (d2/4)v所以管径d .. 4Q/ v 1.13 Q/v。

但是，仅依靠这个公式还不能完全解决问题，因为在流量Q一定的条件下，管径还随着流速v的变化而变化。

如果所选择的流速大，则对应的管径就可以小，工程的造价可以降低；但是，由于管道内的流速大，会导致水头损失增大，使水塔高度以及水泵扬程增大，这就会引起经常性费用的增加。

反之，若采用较大的管径，则会使流速减小，降低经常性费用，但反过来，却要求管材增加，使工程造价增大。

图1管网的形状(a)枝状管网；(b)环状管网因此，在确定管径时，应该作综合评价。

在选用某个流速时应使得给水工程的总成本(包括铺设水管的建筑费、泵站建筑费、水塔建筑费及经常抽水的运转费之总和)最小，那么，这个流速就称为经济流速。

应该说，影响经济流速的因素很多，而且在不同经济时期其经济流速也有变化。

但综合实际的设计经验及技术经济资料，对于一般的中、小直径的管路，其经济流速大致为：--- 当直径d= 100~400mm 经济流速v= -1.0ms ;--- 当直径d>400mm经济流速v=~1.4m/s。

一、枝状管网枝状管网是由多条管段而成的干管和与干管相连的多条支管所组成。

它的特点是管网内任一点只能由一个方向供水。

若在管网内某一点断流，则该点之后的各管段供水就有问题。

因此供水可靠性差是其缺点，而节省管料，降低造价是其优点。

技状管网的水力计算•可分为新建给水系统的设计和扩建原有给水系统的设计两种情况。

1 •新建给水系统的设计对于已知管网沿线的地形资料、各管段长度、管材、各供水点的流量和要求的自由水头(备用水器具要求的最小工作压强水头)，要求确定各管段管径和水塔水面高度及水泵扬程的计算，属于新建给水系统的设计。