《管网水力计算》课件

管网水力计算#管网水力计算是一门结合流体力学理论与工程实践的专业技术，为给排水、燃气、石油工程等领域提供关键的设计与分析方法通过系统的水力计算，可以确保管网系统安全、经济、高效地运行，满足各类工程项目的技术要求本课程将系统讲解压力管道与管网的水力计算原理，传授常用计算方法与实用公式，帮助学习者掌握各类管网系统的计算技巧，并探讨计算机辅助分析在现代工程中的应用课程概述#压力管道与管网计算原理深入探讨流体在管道中流动的基本原理，包括流量守恒、能量守恒及阻力定律等核心理论，为后续计算奠定基础常用计算方法与公式系统介绍水力计算中的核心公式和参数，包括流量公式、流速公式、压力损失计算等实用工具复杂管网计算技巧传授串联、并联及环状管网的计算方法，掌握回路法、迭代法等高Cross级计算技术计算机辅助分析应用学习现代计算机软件在管网分析中的应用，掌握建模、计算与结果分析的完整流程第一部分基本概念与原理#流体力学基础管网水力计算的意义常用参数与物理量管网水力计算以流体力学为理论基础，管网水力计算是工程设计的核心环节，管网水力计算涉及多种参数与物理量，涉及流体静力学和动力学的核心概念其任务是根据系统需求确定合理的管径、包括流量、流速、压力、水头损失、粗流体在管道中的运动遵循连续性方程、坡度和压力分布，保证系统正常运行，糙系数、雷诺数等这些参数之间存在贝努利方程等基本定律，这些理论为水并优化经济性指标复杂的相互关系，正确理解和应用这些力计算提供了科学依据参数是水力计算的关键准确的水力计算可以避免管网系统过度学习流体力学基础有助于理解管网中流设计或设计不足，确保工程投资合理，体流动的本质规律，为解决复杂管网问并为后续运行维护提供依据题打下坚实基础管网水力计算的任务#管径计算经济分析根据流量要求和允许的压力损失，计算并确确定管道投资和材料消耗，优化系统成本，定合理的管径，保证系统正常运行实现技术与经济的平衡运行保障性能评估通过科学计算，确保系统安全、经济、高效评估系统水力性能，预测各种工况下的运行运行，满足工程项目的功能要求状态，确保系统可靠性水力计算贯穿工程项目的全生命周期，从初步设计、详细设计到施工验收和运行维护，都需要依靠准确的水力计算成果作为决策依据掌握科学的计算方法，对于工程技术人员至关重要水力计算基本原则#防止溢流设计时必须保证管网系统在各种工况下不会出现溢流现象，特别是在峰值流量条件下，系统仍能保持正常运行，避免造成经济损失和环境污染避免淤积管内流速应保持在合理范围内，既要避免流速过低导致管内固体物质沉淀淤积，又要防止流速过高造成管道过度磨损和能耗增加防止过度冲刷管内流速不应过高，以防止水流对管壁的过度冲刷，延长管道使用寿命，减少维护成本和系统故障风险确保通风特定系统（如排水系统）需考虑足够的通风条件，防止负压形成或有害气体累积，确保系统长期安全稳定运行水力计算的基本原则是确保系统功能满足需求，同时兼顾安全性、经济性和可靠性设计人员在进行计算时必须全面考虑各种因素，平衡技术与经济指标流体流动基本规律#流量守恒定律任何管网节点的流入流量等于流出流量之和能量守恒定律贝努利方程表述的流体能量沿程变化规律阻力定律描述流体流动与压力损失间的关系节点流量平衡管网计算的基本条件之一流体在管网中的流动遵循严格的物理规律流量守恒定律（也称连续性方程）是管网分析的基础，保证了物质的守恒；能量守恒定律（贝努利方程）描述了流体能量在管网中的传递和转换；阻力定律揭示了流体流动与压力损失之间的关系；节点流量平衡则是管网计算的重要边界条件这些基本规律相互关联、相互制约，共同构成了管网水力计算的理论基础掌握这些规律，对于准确进行管网分析至关重要第二部分水力计算基本公式#应用与实践工程计算中的综合应用适用条件与限制公式使用范围与注意事项核心公式体系流量、流速、压力损失计算理论基础流体力学基本原理水力计算的基本公式是管网设计的核心工具，这些公式源于流体力学理论，经过实践检验和经验积累而形成常用的基本公式包括流量公式、流速公式和压力损失计算公式等，这些公式相互关联，构成了完整的计算体系在实际应用中，设计人员需要根据具体工程条件选择合适的公式，并注意其适用范围和限制条件公式的正确应用对于保证计算结果的准确性至关重要，也是管网设计质量的保障流量与流速公式#公式名称公式表达式适用条件流量公式通用q=A·v曼宁公式紊流状态v=1/n·R^2/3·I^1/2谢才公式明渠流v=C·√R·I达西魏斯巴赫公式压力管道-h=λ·L/D·v²/2g在管网水力计算中，流量与流速是最基本的参数流量公式表示体积流量等于q=A·v过水断面面积与平均流速的乘积，这是最基本的水力关系曼宁公式适用于紊流状态下的水流计算，其中表示管壁粗糙系数，表示水力半径，表示水力坡度n RI这些公式的应用需要注意参数单位的一致性，以确保计算结果的准确性在实际工程中，常需要根据已知条件（如设计流量）计算其他参数（如所需管径或流速），这些计算都基于上述基本公式掌握这些公式及其应用是进行管网水力计算的基础水力要素关系#管径粗糙系数D n决定管道过水能力的基本参数反映管壁粗糙程度的系数流速充满度v h/D水流运动的线速度水深与管径的比值3流量坡度qv i单位时间内通过断面的水量管道纵向倾斜程度管网水力计算中的六个基本要素（管径、粗糙系数、充满度、坡度、流量和流速）构成了完整的水力关系体系这些要素相互D nh/D i qv v关联、相互制约，知道其中任意两个要素，原则上可以求解出其余四个要素在实际工程设计中，通常已知流量和坡度等条件，需要确定合适的管径和流速设计过程中需要进行多次迭代和优化，以找到技术上可行、经济上合理的解决方案水力要素的平衡对于管网系统的正常运行至关重要压力损失计算#沿程损失由于流体与管壁摩擦产生的能量损失，与管长、管径、粗糙度及流速等因素相关计算公式hf=λ·L/D·v²/2g沿程阻力系数•λ-管道长度•L-管道内径•D-局部损失由管道中的弯头、阀门、三通等局部构件引起的额外能量损失计算公式hm=ξ·v²/2g局部阻力系数•ξ-平均流速•v-总压力损失沿程损失与局部损失的总和，决定系统的能量需求计算公式h=hf+hm修正处理根据流动状态（层流、过渡流或紊流）对计算结果进行修正，提高计算精度第三部分管道类型与计算方法#长管与短管的区别各类管道计算特点长管是指沿程损失占主导地位压力管道、非满流管道、泵管的管道，短管则是局部损失与系统等不同类型管道具有各自流速水头之和占比较大的管道的计算特点压力管道重点分二者在计算方法上有明显差异，析压力分布，非满流管道关注长管主要关注摩擦损失，短管充满度与流速，泵管系统则需则需重点考虑局部阻力考虑泵的特性曲线与系统特性曲线的匹配应用场景策略不同应用场景（如给水、排水、燃气、石油等）需采用针对性的计算策略给水系统追求水质保障，排水系统注重防止淤积，燃气系统强调压力稳定，石油系统则需平衡输送效率与能耗管道类型的正确识别是选择合适计算方法的前提设计人员需根据工程特点和运行条件，灵活应用不同的计算方法，确保系统设计的合理性和可靠性长管计算实用公式#长管定义与特点常用计算公式常见误差与校正长管是指沿程水头损失占总水头损失的达西魏斯巴赫公式长管计算中的常见误差来源包括粗糙系-h=绝大部分（通常大于）的管道在数选取不当、忽略温度影响、雷诺数范95%λ·L/D·v²/2g长管中，流体与管壁的摩擦是能量损失围不符合等海曾威廉姆斯公式-v=的主要来源，局部损失可以忽略不计或校正方法包括实验数据修正、经验系数

0.849·C·R

0.63·S

0.54作为沿程损失的附加系数考虑调整、增加安全系数等在重要工程中，曼宁公式v=1/n·R2/3·S1/2长管计算的特点是重点关注沿程损失，应采用多种方法交叉验证，提高计算可计算相对简化，适用于大多数城市管网靠性这些公式各有适用范围，需根据具体工和输送干线程条件选择合适的公式进行计算短管计算实用公式#短管特性计算难点实用公式短管是指局部水头损失短管计算的主要难点在短管总水头损失h=与流速水头之和占比重于局部阻力系数的准确，λ·L/D+Σξ·v²/2g较大（通常大于）的确定，这些系数受到多其中表示所有局部阻5%Σξ管道短管计算需重点种因素影响，如构件形力系数之和对于特定考虑各种局部构件（如状、流动状态、安装质形式的短管，也可采用弯头、阀门、缩放管等）量等此外，多个局部专门的经验公式进行计引起的能量损失构件的组合效应也增加算了计算的复杂性系数选取局部阻力系数通常通过查表获得，但需注意表中条件与实际情况的差异在关键工程中，建议采用模拟或实验CFD测试获取更准确的系数值管嘴与孔口出流#出流特性与流量系数流量增大原因分析管嘴与孔口出流是典型的短管流动现象出流特性主要由流量系数表征，管嘴出流比孔口出流流量大的主要原因是管嘴减小了射流收缩程度，使有μ该系数受出流构造形式、雷诺数等因素影响管嘴出流的流量系数一般在效出流面积增大此外，管嘴可以部分恢复因收缩损失的能量，进一步提之间，孔口出流则在之间高出流效率不同形式的管嘴（如圆柱形、锥形等）具有不同的出流特性

0.6-

0.

970.6-

0.65空化与气蚀现象工程应用注意事项当出流压力低于液体饱和蒸汽压时，会出现空化现象气蚀则是由于空化在实际应用中，需考虑入口形状、管嘴长度与直径比、表面粗糙度等因素产生的气泡在高压区崩溃引起的材料侵蚀这些现象会降低出流效率，并对出流特性的影响对于精确计量场合，建议通过实际标定确定流量系数，对设备造成损害，在设计中需予以重视避免理论计算误差第四部分管网水力计算方法#单管道计算作为管网计算的基本单元，单管道计算掌握流量、流速、压力损失三者之间的关系，为复杂管网计算奠定基础串联管道计算处理多段管道依次连接的系统，重点分析总水头损失与流量的关系，应用能量方程进行系统分析并联管道计算研究流量在多条并行管道中的分配规律，基于压力平衡原理确定各管段的流量分配4复杂管网计算应用高级数值方法（如回路法、节点法等）求解具有多个回路的复杂管网系统，需要迭代计算达到平衡状态管网水力计算方法由简到繁，构成了完整的技术体系从单管道基本计算到复杂管网系统分析，计算方法不断发展，计算工具也从手算、查表发展到现代计算机辅助分析掌握这些方法对于设计安全、经济、高效的管网系统至关重要单管道水力计算实例#已知流量求管径与压力损失设计流量，管长，允许流速，管材粗糙系Q=100L/s L=1000m v=

1.5m/s数n=

0.012计算步骤先根据流量和允许流速计算所需管径，取D=√4Q/πv=

0.291m标准管径；然后计算实际流速；最后计D=300mm v=4Q/πD²=

1.42m/s算压力损失h=λL/Dv²/2g=

7.81m已知管径求流量与流速管径，管长，水力坡度，管材粗糙系数D=400mm L=1500m i=

0.004n=

0.014根据曼宁公式计算流速；再计算流v=1/n·R^2/3·i^1/2=

1.69m/s量Q=π·D²·v/4=

212.5L/s常见问题与解决方案计算中常见问题包括单位不统

一、粗糙系数选取不当、忽略局部损失等解决方案包括统一使用单位、根据管材实际情况选择合适的粗糙系数、SI使用当量长度法考虑局部损失的影响串联管道水力计算#计算原理串联管道中各段管道的流量相等，总水头损失等于各段水头损失之和基本方程₁₂Q=Q=...=Qₙ₁₂h=h+h+...+hₙ计算步骤确定各段管道参数，计算各段阻力系数，求解系统总阻力特性结果应用确定系统工作点，分析不同条件下的性能表现串联管道是多段不同特性的管道按顺序连接形成的系统在串联管道中，流体必须依次通过各段管道，因此所有管段的流量相等，但由于管径或粗糙度等参数不同，各管段的流速和水头损失会有所差异串联管道的水力计算通常是确定给定流量下的总水头损失，或根据已知总水头确定系统的流量在计算过程中，需要注意各段管道之间的高程变化、管材差异以及局部构件的影响对于含有泵或阀门的串联系统，还需要考虑这些设备的特性曲线并联管道水力计算#1计算原理并联管道系统由多条平行管道组成，各管道起点和终点的压力差相等，总流量等于各分支流量之和2流量分配流体在并联管道中的分配遵循阻力越小，流量越大的规律，分配比例与管道阻力系数成反比3阻力平衡并联系统中各管道的水头损失必须相等，这是流量自动分配的物理基础4当量管径可将并联系统等效为单一管道，其阻力系数为各并联管道阻力系数的倒数之和的倒数并联管道水力计算的核心是确定流量在各分支中的分配情况对于管径、长度、粗糙度不同的并联管道，流量分配与这些参数密切相关计算时通常采用迭代法，首先假设一个初始流量分配，然后根据水头损失相等的条件进行调整，直至达到平衡状态并联系统在实际工程中应用广泛，如城市供水干管的并联增容、管网中的环状结构等并联设计可以提高系统的可靠性，当一条管道发生故障时，其他管道仍能保持供给，减少系统故障的影响范围复杂管网计算概述#管网结构特点计算难点12复杂管网通常包含多个回路和节点，形成网流量和压力分布未知，方程非线性且数量庞格状或树状结构，能够实现多路径供给，提大，需要采用数值方法求解高系统可靠性和灵活性简化策略常用分析方法采用等效管径、虚拟节点、骨干网提取等技回路法（法）、节点法、综合Hardy Cross43术简化计算法等，各有优缺点和适用范围复杂管网的计算是管网水力计算中最具挑战性的部分，需要解决大量非线性方程传统的计算方法如法虽然原理简单，Hardy Cross但计算繁琐，现代计算多采用计算机辅助分析复杂管网计算的关键是正确建立数学模型，包括管网拓扑结构、管段特性、节点需求等在实际工程中，复杂管网计算通常需要考虑多种工况，如正常供给、火灾工况、事故工况等，以确保系统在各种条件下都能满足运行要求此外，还需进行敏感性分析，评估参数变化对系统性能的影响回路法计算原理#基本原理独立回路选择回路方程与求解回路法基于以下两个基本条件在个节点、条管段的网络中，需要确对每个独立回路，建立水头损失平衡方N M定个独立回路独立回路的程L=M-N+1任何节点的流入流量等于流出流量

1.选择应尽量简单，避免重复和遗漏常（节点流量平衡）Σhi=0用的方法包括任何闭合回路内的水头损失代数和为

2.其中表示回路中各管段的水头损失，hi最小回路法选择网络中的基本回路零（能量平衡）•顺时针流动为正，逆时针为负这种方法将管网中的流量作为求解变量，树形图法先构建一个包含所有节点由于水头损失与流量的非线性关系，需•通过迭代计算使所有回路满足能量平衡的树，再逐一添加剩余管段形成回路要通过迭代求解典型的方法是Hardy条件法，它通过计算流量校正值不CrossΔQ断调整各管段流量，直至满足能量平衡条件迭代法#Cross方法定义迭代法（法）是一种求解复杂管网的经典方法，以回路校正流Cross HardyCross量作为未知变量，通过逐步调整流量分布，使每个回路满足能量平衡条件校正流量计算对于每个回路，校正流量计算公式为ΔQΔQ=-Σh/n·Σ|h/Q|其中是管段水头损失，是水头损失与流量关系的指数（通常为），是管段流h n2Q量迭代计算流程先为每个管段赋予满足节点流量平衡的初始流量；然后计算各回路的校正流量；ΔQ将叠加到回路中各管段的初始流量上；重复以上步骤，直至所有回路的校正流ΔQ量小于允许误差收敛判断当所有回路的校正流量小于预设的允许误差（如流量的）时，认为计算ΔQ

0.5%收敛，得到最终的流量分布和压力分布节点方程法#节点流量平衡原理节点方程法基于节点流量平衡，即每个节点的流入流量等于流出流量加节点需水量该方法将节点压力作为求解变量，通过建立节点压力方程组求解整个系统对于每个节点，流量平衡方程为，其中是从节点到节点的流量，是节点的需Σqij=Qi qiji jQi i水量（外部流入为负，外部流出为正）压力方程建立由于流量与节点间压力差的非线性关系（根据阻力定律），需要建立以节点压力为未知量的非线性方程组对于连接节点和的管段，流量可表示为i jqij=signHi-Hj·Kij·|Hi-Hj|1/n其中是节点水头，是管段特性系数，通常为H Kn2方程线性化处理由于方程组的非线性特性，通常采用线性化处理，如泰勒级数展开，将非线性方程转化为线性方程进行迭代求解每次迭代需要重新计算线性化系数，直至收敛牛顿法迭代求解节点方程法常采用牛顿拉夫森法（）进行求解该方法收敛速-Newton-Raphson度快，但每次迭代需要重新计算雅可比矩阵，计算量较大对于大型管网，可采用稀疏矩阵技术提高计算效率网路求解计算步骤#选择独立回路在复杂管网中，需要确定适当数量的独立回路，通常为管段数减节点数加（）独立回路选择应简洁明确，避免重复或遗漏1M-N+12计算网孔位压对每个回路计算位能差（即水头损失），考虑管段特性和流向位压计算需考虑沿程损失和局部损失，可用达西魏斯巴赫公式或海曾威廉--拟合特性曲线姆斯公式等如果系统包含泵或风机，需要将其特性曲线纳入计算通常采用多项式拟合表示设备的压力流量关系，如₀，其中₀为零流量-H=H-aQ²H赋初始流量时的水头，为特性系数a为每个管段分配初始流量，保证节点流量平衡初始流量的选择会影响计算的收敛速度，合理的初值可以加快收敛过程迭代计算根据选定的计算方法（如法或节点法）进行迭代计算，不断调整Cross流量或压力，直至满足能量平衡和流量平衡条件设置合适的收敛判据，计算固定流量分支如相对变化小于

0.1%对于流量已知的特殊分支，计算其所需的压力差或能量损失这些分支可能包括特定用户的取水点、消防系统等第五部分特殊管网计算#特殊管网计算涉及不同介质、不同工况和不同应用场景的管网系统，每种系统都有其特定的计算要点和技术要求给水管网注重供水安全和压力稳定；排水管网关注防淤和污水自净能力；燃气管网强调安全性和密封性；而石油等特殊流体管网则需考虑介质特性和长距离输送效率特殊管网计算不仅需要应用基本的水力计算原理，还需要结合行业规范和特殊要求，进行有针对性的设计与分析掌握这些特殊管网的计算方法，对于工程技术人员拓展专业能力具有重要意义给水管网水力计算#给水系统特点设计流量确定管径选择给水管网通常采用环状或枝状设计流量计算需考虑用水定额、管径选择基于经济流速和压力环状结构，以提高供水可靠用水变化系数和同时用水率等损失控制，并考虑水锤防护和-性和均衡性系统需保证在各因素对于城市给水系统，通检修方便性等因素一般干管种工况下（包括正常供水和消常采用最高日最高时流量作为流速控制在，支

0.7-

1.5m/s防工况）的压力要求，同时考管网计算的依据，并增加消防管在，且需满足

0.5-

1.0m/s虑水质安全和经济运行用水量各节点最小服务压力要求泵站配置泵站设计需结合管网特性曲线，选择适当数量和类型的水泵，并合理安排工作方式，以满足不同时段的用水需求，同时保证能源利用效率排水管渠水力计算#排水管渠设计原则不满流与满流计算管段衔接方式排水管渠设计的基本原则是确保污水顺排水管渠的水力计算常采用曼宁公式，排水管渠的衔接方式直接影响系统的水畅流动，防止沉淀堵塞，同时满足自净需考虑不满流条件下的水力半径和过水力性能和自净能力常用的衔接方式有能力要求与给水管网不同，排水管渠断面变化对于圆形管道，可采用水力三种通常为非满流状态，其水力计算更为复要素曲线简化计算管顶平接适用于下游管径大于上游•杂在设计中，通常将充满度控制在管径的情况

0.5-设计中需控制最小和最大流速最小流之间，以保留足够的排水能力，应对

0.7水面平接用于保持水流平稳过渡•速（自洁流速）通常为，突发情况和雨水增量满流计算主要用

0.6-

0.7m/s管底平接适用于相同管径的管道连•以防止固体物质沉淀；最大流速则控制于检验管道在极端条件下的排水能力接在，以防止管道过度冲刷3-5m/s选择适当的衔接方式可以减少局部水头损失，避免污水回流和沉淀排水管段计算实例#计算项目已知条件计算方法计算结果设计流量给定值Q=150L/s150L/s管段长度给定值L=100m100m上游管径₁给定值D=400mm,-h/D=

0.6沟底高程上游₁给定值H=

102.5m-管径计算曼宁公式反算₂n=

0.013,h/D D=500mm=

0.6管底高程坡度₂₁i=

0.004H=H-i·L

102.1m本实例展示了一段排水管渠的设计计算过程首先根据设计流量和充满度，利Q=150L/s h/D=

0.6用曼宁公式反算确定所需管径，结果为然后按照设计坡度计算管底高程，从上500mm i=

0.004游的降至下游的

102.5m

102.1m在实际工程中，还需要核验流速是否满足自洁要求，并检查管道埋深是否合理如果计算结果不满足要求，需要调整管径或坡度进行优化管段衔接采用管顶平接方式，确保较大管径的下游管段能够顺畅接纳上游来水燃气管网水力计算#燃气管网特点燃气管网与水管网的主要区别在于介质特性不同燃气是可压缩流体，其密度随压力变化，计算中需考虑这一特性此外，燃气系统对安全性和密封性要求极高，计算中需设置足够的安全裕度压力等级与计算流量燃气管网按压力分为高压、中压和低压三个等级计算流量

0.8-

1.6MPa

0.01-

0.4MPa≤10kPa需考虑用气设备容量、同时使用系数和高峰小时系数等因素，通常按高峰小时用气量设计管径与压力损失燃气管网的压力损失计算需采用专门的气体流动公式，常用的有魏茨巴赫公式、斯彼茨格拉斯公式等压力损失计算需考虑气体密度、粘度和压缩性等因素，管径选择需确保出口压力满足用户要求安全与经济性燃气管网设计需平衡安全性和经济性，既要确保系统安全可靠，又要控制工程造价和运行成本管网优化设计通常采用技术经济比较法，考虑管材成本、施工费用、能耗成本等综合因素石油工程中的管网计算#输油管道特殊性石油管道输送的介质具有粘度大、温度敏感性强等特点原油粘度随温度变化显著，冬季和夏季输送性能差异大此外，原油中可能含有蜡、沥青质等成分，在低温下易析出造成管道结蜡，增加输送阻力压力计算与输送能力输油管道压力计算需考虑原油的特性变化，采用专门的阻力计算公式输送能力分析需评估不同温度、不同粘度条件下的系统性能，确定合理的输送温度和压力在长距离输送中，还需考虑原油沿程温降的影响经济管径选择输油管道的经济管径选择是一个综合优化问题，需平衡初投资（管材成本、施工费用）和运行费用（能耗成本、维护费用）通常采用年费用法或净现值法进行技术经济比较，确定最优管径方案泵站布置与功率长距离输油管道需设置多座泵站克服沿程阻力，其布置和功率计算直接影响系统的可靠性和经济性泵站布置需考虑地形条件、能源供应和安全要求等因素，功率计算需考虑流量变化和温度影响第六部分水力学算图应用#算图类型与选用读取方法不同形式管道对应的水力学算图种类及其根据已知参数在算图上查找未知参数的技适用范围巧典型算例设计应用通过实例展示算图的使用方法和效果算图在工程设计中的实际应用与优势水力学算图是一种直观、快速的水力计算工具，它将复杂的计算关系以图形方式表现，方便工程人员在设计过程中快速确定水力参数与数值计算相比，算图虽然精度稍低，但操作简便，特别适合初步设计阶段使用算图的基本原理是将水力计算公式（如曼宁公式）转化为图形关系，通过几何方法实现参数查找随着计算机技术的发展，传统纸质算图逐渐被电子算图和专业软件取代，但掌握算图使用方法仍对理解水力参数关系和进行快速验算有重要意义水力学算图类型#不满流圆形管道水力学算图满流圆形管道水力学算图满流矩形水力学算图适用于排水管渠等非满流情况，图中参数适用于压力管道计算，如给水管道、输油适用于矩形断面管渠计算，如箱涵、明渠包括管径、粗糙系数、充满度、坡管道等这类算图通常包含管径、流量、等图中参数包括断面宽高比、流量、流D nh/D度、流量和流速通过此类算图可方流速、阻力系数和水头损失等参数，可以速和水力半径等，可用于城市排水箱涵和iqv v便地确定非满流管道的水力参数快速确定满流条件下的水力关系灌溉渠道等结构的设计不同类型的水力学算图有各自的适用范围和使用方法选择合适的算图类型是正确进行水力计算的第一步在实际应用中，需根据管道的形式和流动状态选择相应的算图，并注意算图的适用条件和精度范围水力学算图使用方法#确定已知参数明确六个水力要素（、、、、、）中的已知数据，通常需要两个要素才能确D nh/D iqvv定其他参数选择适当算图根据管道类型和流动状态选择相应的水力学算图，如圆形管道满流图或不满流图读图定位利用已知参数在算图上定位，找到对应的线或点，然后读取所需的未知参数值结果验证使用公式计算验证读图结果，确保数据准确可靠，必要时进行插值处理水力学算图的使用需要掌握一定的技巧首先，应正确理解各参数的物理含义和单位，确保在算图上定位准确其次，对于落在两条线之间的情况，需要进行内插计算，提高读图精度最后，读图结果应通过公式计算进行验证，确保无重大偏差在实际使用中，常见的使用方式包括已知流量和坡度求管径和流速；已知管径和坡度求充满度和流量；已知流量和管径求坡度和流速等不同的查找方式可能需要采用不同的读图路径，熟练掌握这些技巧可以提高设计效率算图应用实例分析#实例非满流计算实例管径选择常见问题与解答1:2:已知条件已知条件算图使用中的常见问题包括:::粗糙系数设计流量参数单位不统一导致的读图误差•n=

0.014•Q=80L/s•管径可用坡度内插精度不足引起的计算偏差•D=300mm•i=

0.003•坡度粗糙系数算图适用范围与实际工况不符•i=

0.0024•n=

0.013•流量•qv=

25.5L/s求解合适的管径和对应流速解决方法统一使用单位系统；采用计D v:SI算机辅助内插提高精度；必要时结合公求解流速和充满度v h/D解法在算图上找到的曲线，:n=

0.013式计算验证结果；超出算图范围时使用沿着和的参数定位，解法在不满流圆形管道算图上，首先找i=

0.003Q=80L/s:数值计算方法读取和由于实到和的点，然后D=400mm v≈

0.8m/sn=

0.014D=300mm际工程中管径取标准尺寸，所以选用沿坡度和流量的i=

0.0024qv=

25.5L/s管材曲线交点，读取和DN400v≈

1.2m/sh/D≈

0.45算图应用在设计实践中的优势#简化计算过程水力学算图将复杂的数学关系转化为直观的图形，无需进行繁琐的公式计算，特别是对于需要多次迭代的问题，算图可大幅提高计算效率尤其对于现场勘查和紧急决策，算图的快速性优势明显直观反映参数关系算图以图形方式展示各水力参数之间的相互关系，设计人员可直观理解参数变化对结果的影响，有助于培养水力学直觉和工程判断力例如，可以直观看出管径增大或坡度增加对流速和流量的影响程度方案快速比较在方案比选阶段，算图允许设计人员快速评估不同设计参数的效果，便于进行技术经济比较通过在算图上调整不同参数，可以迅速找到满足技术要求且经济合理的解决方案初步设计适用性在工程初步设计阶段，不需要极高精度计算，而更注重方案的可行性和合理性算图提供的精度（通常在以内）完全满足初步设计需求，可作为详细设计前的重要工具5-10%第七部分计算机在管网水力计算中的应用#结果分析与应用可视化结果展示与方案优化数值分析与计算高效求解复杂非线性方程组建模与参数设置3构建数字孪生管网模型软件技术与平台专业计算软件与通用分析工具计算机技术的发展极大地改变了管网水力计算的方法和效率现代管网分析已从传统的手算、查表和绘图，发展为基于计算机的高效数值模拟专业软件能够处理包含数千个节点和管段的复杂系统，在几分钟内完成传统方法需要数天甚至数周的计算工作计算机辅助分析不仅提高了计算效率，还拓展了分析的深度和广度通过计算机模拟，工程师可以评估多种设计方案，研究不同工况下的系统表现，预测极端情况下的系统响应，为设计决策提供全面的技术支持此外，可视化技术使复杂的计算结果变得直观易懂，便于沟通和展示计算机辅助分析的优势#处理大规模复杂管网计算机分析可以轻松处理包含数百甚至数千个节点和管段的大型复杂管网系统传统方法难以处理的环状网格、多源供给和变压分区等问题，在计算机辅助下可以得到准确解决这种能力使城市规模的供水系统整体分析成为可能提高计算精度与效率计算机采用高效数值算法，如改进的牛顿法和稀疏矩阵技术，能够快速精确地求解大型非线性方程组迭代精度可控，计算收敛性好，结果可靠性高从数小时的手算到数秒的机算，计算效率提升了数百倍方案比较与优化计算机分析使多方案并行比较成为可能设计人员可以方便地调整参数，评估不同设计方案的技术和经济指标通过敏感性分析，可以识别关键参数和瓶颈位置，有针对性地进行系统优化，提高设计质量计算机辅助分析的另一大优势是可视化结果展示通过色彩编码的管网图、压力等值线、流向动画等形式，可以直观展示复杂的水力计算结果，帮助设计人员和决策者更好地理解系统行为，发现潜在问题管径确定与优化方法#经济流速法初步确定管径的常用方法迭代计算修正通过反复计算优化管径选择阻力平衡优化基于水力学原理的管网优化综合分析决策技术与经济因素的平衡考量管径确定是管网设计的核心环节，直接影响系统的技术性能和经济效益经济流速法是一种简便实用的初步确定管径的方法，它基于不同管径范围的推荐流速值选择管径，通常小口径管道采用较低流速，大口径管道可采用较高流速初步确定管径后，需要通过管网水力计算检验系统性能，并进行必要的修正现代管网优化通常采用基于遗传算法或模拟退火等启发式算法的计算机方法，在满足节点压力、流速要求等技术约束条件下，寻找总投资成本最低的管径组合最终的管径选择需要综合考虑初投资、运行成本、系统可靠性和未来扩展性等多种因素管径修正的关键问题#局部阻力系数的确定泵或风机的性能曲线管径修正策略准确确定局部阻力系数是管网计算精度泵或风机的特性曲线对系统性能有重大管径修正应遵循以下策略的关键因素之一常用的确定方法包括影响，需要准确表征通常采用多项式优先调整流速接近限值的管段

1.函数拟合表示主干管路优化应考虑系统整体影响

2.理论公式基于流体力学理论推导的₀•H=H-aQ²-bQ分支管路可相对独立修正

3.计算公式，适用于简单标准构件其中₀为零流量时的水头，和为特修正应循序渐进，避免大幅度调整H ab

4.拟合公式通过试验数据拟合的半经•性系数在计算机分析中，可以直接导验公式，兼顾理论基础和实际应用计算机优化通常采用敏感性分析确定关入制造商提供的性能曲线数据，或基于键管段，然后有针对性地进行修正，提测试数据进行拟合需要注意多台泵并高优化效率查表法利用标准手册中的系数值，•联或串联时的综合特性曲线计算简便实用但精度可能受限在实际工程中，常采用查表法并结合修正系数，以适应具体工况常用水力计算软件#EPANET是美国环保署开发的免费开源管网分析软件，广泛用于给水系统规划和设计其功能包括稳态EPANET和扩展周期模拟、水质分析、能耗计算等优点是免费开放、接口友好、功能全面，缺点是高级功能相对有限，适合中小型系统分析和教学应用WaterGEMS是公司开发的商业水力计算软件，支持复杂给水系统的水力和水质模拟软件具有WaterGEMS Bentley强大的集成能力、多种优化工具和丰富的报告功能其优势在于高级分析功能和用户界面友好性，但GIS价格较高，主要用于大型工程项目和水务企业其他专业软件市场上还有多种专业水力计算软件，如（排水系统分析）、（通用管网分InfoWorks WSPipe2000析）、（城市水系统综合分析）等不同软件有各自的特点和适用场景，如排水专用、燃MIKE URBAN气专用或综合分析等选择合适的软件应考虑项目需求、预算和技术支持等因素软件选择建议选择水力计算软件应考虑以下因素系统规模和复杂度、具体应用领域、预算限制、技术支持需求、与其他系统的集成需求等对于初学者和小型项目，可从免费软件如开始；对于大型复杂项目，则EPANET建议使用功能强大的商业软件第八部分工程应用实例#工程应用实例是理论知识与实践经验的结合点，通过分析典型工程案例，可以深入理解管网水力计算的实际应用方法和关键技术本部分将介绍不同类型、不同规模的管网工程实例，包括城市给水管网、建筑小区内部管网、工业园区燃气管网以及特殊地形条件下的管网设计案例这些实例涵盖了从需求分析、方案设计到水力计算和优化的完整过程，展示了如何将前面学习的理论和方法应用到实际工程中通过案例学习，可以掌握管网设计的系统思路和解决实际问题的技巧，提高工程实践能力城市给水管网设计实例#项目概况某城市新区给水管网工程，服务面积约平方公里，服务人口万，包括住1010宅区、商业区和工业区水源为城市自来水厂，设计供水量万立方米日，3/要求全网压力不低于，最大流速不超过

0.28MPa

2.0m/s2流量估算基于不同用户类型的用水定额和变化系数，计算各节点的设计流量住宅区按居民用水定额人日计算，商业区和工业区根据具体业态确定用水量200L/·管网布置3考虑日变化系数和时变化系数，最高日最高时流量为Kd=

1.4Kh=

1.

80.875立方米秒/采用环状与枝状相结合的管网布局，主干管形成环网，次干管和配水管采用枝状结构主干管管径，次干管，配水管DN400-DN600DN200-DN300管材选用球墨铸铁管，粗糙系数取水力计算DN100-DN

1500.014使用软件建立管网模型，采用节点法进行水力计算分析正常WaterGEMS用水和消防工况下的系统性能，调整关键管段的管径，确保各节点压力满足要求最终设计方案中，全网压力范围，满足设计要求

0.29-

0.42MPa建筑小区内部管网计算#用水估算管网布置水力计算小区总户数户，平均每小区内部给水管网采用环状结根据小区布局和用水分布，使2000户人，按人均用水量构，主干管沿小区主用节点法建立水力模型在高3DN200计算日用水量为干道布置，形成闭合环路；各峰用水时段，干管流速控制在200L/d立方米，考虑日变化系住宅楼接入管范围内，分支管1200DN100-

1.0-

1.5m/s数和时变化系数，设；商业区和公共设施流速控制在范围

1.

31.6DN

1500.7-

1.2m/s计小时流量为立方米小区单独支线供水管材选用内通过迭代计算确定各管段104/时同时考虑小区绿化、公共管，减少接口渗漏风险直径，满足流量和压力要求PE区域和商业配套的用水需求水压分析市政供水压力为，

0.35MPa小区内各用户要求最低服务压力考虑管网压力

0.28MPa损失和高层建筑需求，设置变频加压泵站，保证供水可靠性针对高层建筑，采用分区供水方案，统一高程管理，优化水压分布工业园区燃气管网设计#用气负荷预测压力等级选择工业园区占地面积公顷，规划入驻考虑园区规模和用气特点，采用中压500A企业家，主要为轻工业和加工制造业级系统（）作为园区主干

800.2-

0.4MPa根据企业类型和规模，估算年用气量管网，末端用户通过调压设备降至低压12万立方米，高峰小时用气量使用这一压力等级适合中等规模园区，1500立方米满足大多数工业用户需求6000水力计算管网布局采用改进的魏茨巴赫公式计算气体流动燃气管网沿园区主干道呈环状布置，保压力损失，考虑气体压缩性和温度影响证供气可靠性主干管管径43DN200-通过节点法计算各管段的流量和压力分，次干管，DN300DN100-DN150布，确保末端压力不低于支管管材选用管，

0.2MPa DN50-DN80PE具有耐腐蚀、连接可靠等优点燃气管网设计还需特别注意安全措施，包括阀门布置、泄压设施、防腐保护等采用系统进行实时监控，配置紧急切断装置，SCADA确保系统安全可靠运行经济分析表明，合理的管网布局和管径选择可节省约的工程投资和运行成本15%复杂地形条件下的管网设计#地形因素影响山区或丘陵地带的管网设计面临特殊挑战，地形起伏导致高差变化大，需要处理静水压力不均和流量分配不均等问题同时，复杂地形还增加了施工难度和管道保护要求，影响系统可靠性和经济性高差处理方法对于高差超过米的地区，通常采用分区供水方案，通过减压阀、调压站等设施控制各区域压力在下50坡管段需设置能量消散设施，如消能井、减压阀等，防止水流冲刷损坏管道上坡段则需考虑足够的加压能力，确保高点处压力满足要求特殊节点计算地形转折处、沟谷跨越点等特殊节点需进行专门的水力计算和结构设计需要考虑水击防护、排气排泥设施和固定支架等特殊构造管道应避开滑坡、泥石流等地质灾害易发区，必要时采取加固防护措施设计难点解决复杂地形条件下的管网设计难点主要包括压力管理、流量均衡和系统稳定性控制解决方案包括采用计算机模拟优化管网布局；设置必要的调控设施；采用可变坡度铺设减少挖填方量；考虑气阀、泄水阀等辅助设施的合理布置第九部分水力计算的质量控制#设计优化建议基于计算成果的系统改进精度控制与误差分析确保计算结果的可靠性计算结果检验方法多角度验证计算的正确性常见错误与防范识别并避免计算中的常见问题水力计算的质量直接关系到工程设计的合理性和系统运行的可靠性质量控制是贯穿计算全过程的重要环节，包括计算前的数据准备、计算中的方法选择和计算后的结果验证良好的质量控制能够及时发现和纠正计算中的问题，避免设计缺陷转化为工程缺陷随着计算机技术的广泛应用，水力计算变得更加高效，但也带来了黑箱效应的风险工程技术人员不应过度依赖软件，而应保持对基本原理的理解和对计算结果的判断能力本部分将介绍水力计算质量控制的关键措施，帮助设计人员提高计算成果的准确性和可靠性常见错误与防范措施#参数选取不当常见问题管材粗糙系数取值不合理；流量估算过大或过小；局部损失系数选取不当；泵特性曲线与实际不符防范措施根据管材实际情况、使用年限和水质条件选择合适的粗糙系数；采用规范方法估算合理流量；优先使用实测数据确定局部损失系数；采用制造商提供的实际泵曲线计算方法应用错误常见问题公式适用条件不满足；单位制混用导致量纲错误；计算步骤遗漏或顺序错误；边界条件设置不当防范措施明确各计算公式的适用范围和限制条件；统一使用单位制进行计算；建立标准化计算流SI程和检查表；准确理解和设置系统边界条件边界条件处理不当常见问题源点压力或流量设置不准确；管网与外部系统连接点处理不当；特殊用户需求考虑不足防范措施使用实测数据确定源点条件；明确系统边界和连接点的水力特性；充分考虑特殊用户的流量和压力需求验算不充分常见问题仅计算正常工况而忽略极端工况；不进行敏感性分析；缺乏结果合理性检验防范措施全面分析包括消防、事故等各种工况；进行参数敏感性分析评估不确定性影响；采用多种方法交叉验证计算结果的合理性计算结果检验方法#1能量平衡检验对于任意闭合回路，检查能量守恒是否满足，即水头损失代数和应接近于零对于含有泵或阀门的系统，需考虑这些设备提供或消耗的能量能量平衡检验是管网计算最基本也是最重要的验证方法流量平衡检验检查每个节点的流量平衡，即流入流量应等于流出流量加节点需水量流量平衡是管网计算的基本条件，任何违背流量守恒的结果都表明计算存在严重错误在大型管网中，可选取关键节点进行重点检验3压力分布合理性检查系统压力分布是否符合水力学规律和工程经验压力应从源点向末端递减，相邻节点间压力差应与连接管段的水头损失相符特别注意检查高程变化大的区域和流量集中的区域的压力是否合理4经验值对比将计算结果与类似工程的实测数据或经验值进行对比，评估结果的合理性常用的经验检验包括干管流速是否在经济范围内（）；单位长度压力损失是否合理（一般不超过）；

0.7-

1.5m/s10m/km节点压力是否满足使用要求等综合采用多种检验方法可以全面评估计算结果的可靠性当不同检验方法得出矛盾结论时，应深入分析原因，必要时重新审查计算模型和参数精度控制与误差分析#误差来源分析水力计算误差主要来源包括三类模型简化误差忽略次要因素、理想化处理复杂几何形状等

1.参数不确定性粗糙系数变化、实际流量波动、设备性能衰减等

2.数值计算误差数值方法本身的截断误差、舍入误差和迭代终止误差

3.允许误差范围不同应用场景的允许误差要求不同初步设计阶段流量误差±、压力误差±•10%15%详细设计阶段流量误差±、压力误差±•5%10%精细化模拟分析流量误差±、压力误差±•3%5%对于关键用户或特殊工况，可能需要更严格的误差控制迭代计算控制迭代计算中的精度控制措施设置合理的收敛判据，如相对误差小于或绝对误差小于特定值•

0.1%控制最大迭代次数，避免无限循环•使用改进的数值方法提高收敛速度和稳定性•采用动态松弛因子优化迭代过程•敏感性分析通过敏感性分析评估参数变化对结果的影响识别关键参数对结果影响最大的因素•量化敏感性单位参数变化导致的结果变化率•评估不确定性参数变化范围内结果的可能分布•优化控制策略重点控制高敏感性参数的精度•设计优化建议#15%管径经济性优化通过技术经济分析优化管径选择，平衡初投资和运行费用，可节省工程总成本20%管网布局合理化优化管网拓扑结构，减少管长和高能耗区段，提高系统整体效率，可节约资源和能源25%水力性能提升通过优化关键节点和控制设施，改善系统水力性能，提高供水可靠性和均衡性30%运行能耗降低采用智能调控技术和高效设备，优化系统运行策略，显著降低长期运行能耗管网设计优化是提高系统性能和经济性的关键环节管径经济性优化应采用全寿命周期成本分析方法，综合考虑初投资、运行费用和维护成本，避免简单追求初投资最小管网布局优化应结合用户分布和地形条件，减少不必要的管段和高阻力路径水力性能提升措施包括合理设置控制阀门、优化泵站配置、增设调节设施等，目标是使系统在各种工况下都能维持良好的服务水平运行能耗优化则需结合水力模型和能耗模型，通过优化调度策略、采用变频技术和高效设备等手段，显著降低系统的电力消耗和维护成本综合采用这些优化措施，可使管网系统更加安全、经济、高效总结与展望#关键点回顾管网水力计算是工程设计的核心环节，基于流体力学基本原理，通过系统的计算方法确定合理的管径、流速和压力分布，确保系统安全、经济、高效运行新技术应用人工智能、大数据分析和数字孪生等新技术正逐步应用于管网分析，提高计算精度和效率，拓展应用范围发展趋势管网系统正向智能化、信息化方向发展，实时监测、自适应控制和智能决策支持将成为未来发展重点实践建议工程实践中应重视基础理论与经验积累的结合，提高计算的科学性和可靠性，不断优化设计方法管网水力计算作为工程技术的重要组成部分，不仅需要扎实的理论基础，还需要丰富的工程经验和现代化的计算工具随着科技的发展，管网计算正经历从传统手算到计算机辅助分析，再到智能化分析的转变，计算效率和精度不断提高，应用领域不断拓展未来，随着物联网、云计算和人工智能技术的广泛应用，管网系统将实现全生命周期的数字化管理，从设计、施工到运行维护的各个环节都将融入智能化元素我们期待通过不断创新和实践，推动管网水力计算技术的持续发展，为建设更加安全、高效、环保的基础设施系统做出贡献。