《水力计算和水压》课件

水力计算和水压本课程面向高等院校土木、水利、建筑类专业学生，系统讲授水力学核心理论与工程计算方法课程内容涵盖液体静力学、动力学基础理论，以及各类工程管道系统的水力计算实践通过理论学习与实际案例相结合，培养学生解决复杂水力工程问题的能力，为后续专业课程学习和工程实践奠定坚实基础课程内容总览1水力学基础2静水压强与水压分布3液体流动基本方程液体物理性质、基本概念及研究方静水压力计算理论与工程应用连续性方程、伯努利方程及能量分法析4管道流动的水力计算5现场应用及案例有压管道、管网系统计算方法实际工程项目水力计算实践水力学基本概念液体静力学液体动力学研究液体在静止状态下的力学规律，包括静水压强分布、压力传研究液体运动规律及其与固体边界的相互作用涉及流体流动、递等基本原理这些理论为水工建筑物设计、水池结构计算等提能量转换、阻力损失等核心内容，是管道设计和泵站计算的理论供理论基础依据水力学学科发展历程1古代起源古希腊阿基米德定律奠定基础，中国古代《考工记》记录了丰富的水利工程实践经验2近代发展17-18世纪牛顿、欧拉等科学家建立了流体力学理论体系，为现代水力学发展奠定科学基础3现代应用20世纪以来计算机技术推动数值模拟发展，水力学在工程设计中应用更加精确高效液体主要物理性质密度与重度粘度特性表面张力密度ρ表示单位体积液动力粘度μ和运动粘度ν液体表面分子间引力形体质量，重度γ=ρg表示描述液体内摩擦阻力成的表面张力，在细管单位体积液体重量水粘度影响流动阻力损流动、液滴形成等微观的密度约1000kg/m³，失，是管道计算中的重现象中起重要作用是水力计算的基本参要参数数作用于液体的力系重力作用压力传递粘性阻力地球引力是液体最主要的质量力，决液体承受的压力能够向各个方向传液体流动时分子间内摩擦产生的阻定了静水压强的垂直分布规律重力递，遵循帕斯卡定律这一原理广泛力，是造成管道沿程损失和局部损失加速度g=

9.8m/s²是水力计算的基本应用于液压系统和水力机械设计中的根本原因，直接影响系统能耗常数静水压力基础理论压强定义单位面积上受到的压力1基本公式2p=ρgh，压强与深度成正比工程应用3水池设计、地下结构计算基础静水压强是水力学最基本的概念之一在静止液体中，任意一点的压强大小仅取决于该点距离自由液面的垂直深度这一规律为各类水工结构的受力分析和安全设计提供了理论依据压强分布规律分析垂直方向变化压强随深度线性增加，梯度为液体重度γ水平方向分布同一水平面上各点压强相等，形成等压面压强分布图以压强为横坐标、深度为纵坐标绘制直线图工程制图为结构设计提供荷载分布的可视化表达静水压强计算实例结果验证计算过程通过实际测量数据对比，理论计算值与实问题分析底部压强测值误差小于5%，验证了计算方法的准确某矩形水池深度3米，求池壁底部压强分p=γh=9800×3=29400Pa=

29.4kPa压强性和实用性布已知水的重度γ=9800N/m³，按静水沿深度线性分布，表面压强为0，底部最压强公式进行计算大静水总压力计算方法矩形平面总压力1F=ρghcA，其中hc为形心深度压力中心确定2总压力作用点位于形心以下工程应用3闸门设计、挡土墙计算基础静水总压力计算是水工结构设计的关键环节对于矩形平面，总压力等于形心处压强乘以受压面积压力中心位置的准确确定对于结构稳定性分析具有重要意义任意平面静水总压力压力计算几何分析1采用积分方法或简化公式计算总压力大确定受压面形状、尺寸和倾斜角度参数2小结果验证中心定位43通过力矩平衡检验计算结果合理性利用静矩原理确定压力中心位置坐标曲面静水压力分析合力计算垂直分力两个分力的矢量合成得到总压等于曲面上方或下方水体重量力水平分力工程实例等于曲面在垂直面上投影面积圆形水池、拱坝等曲面结构设承受的静水总压力计2314液体平衡微分方程31∂p/∂z空间维度重力方向压强梯度三维坐标系下的压强分布垂直向下的重力场作用垂直方向压强变化率等于负重度液体平衡微分方程描述了静止液体中压强的空间分布规律在重力场作用下，垂直方向压强梯度等于液体重度的负值，水平方向压强梯度为零这一数学表达为复杂边界条件下的压强计算提供了理论基础液体运动基本方式层流运动湍流运动流线分析液体分层流动，各层之间无混合流速较液体质点不规则运动，各层之间剧烈混流线是液体质点运动轨迹的瞬时切线通低时出现，流线平行规整，适用于精密管合工程中最常见的流动状态，计算需考过流线可以直观分析流场结构和流动特道计算虑湍流系数性流体流动基本概念流体流动分析需要掌握流线、流管、流量等基本概念流线表示质点运动方向，流管由流线围成，流量表示单位时间通过截面的液体体积速度分布反映截面上各点流速差异，对于圆管，中心流速最大，壁面流速为零描述液体运动的方法欧拉法拉格朗日法以空间固定点为研究对象，观察该点处流体参数随时间的变化以液体质点为研究对象，追踪质点运动轨迹和参数变化这种方这种方法便于工程计算，适用于管道、渠道等固定边界的流动分法便于理解流体运动的物理本质，常用于理论分析和科学研究析在实际工程中应用最为广泛中液体连续性方程质量守恒流入质量等于流出质量基本形式Q=vA=常数密度变化ρ₁v₁A₁=ρ₂v₂A₂工程应用管道设计基础方程连续性方程管道应用理想液体伯努利方程能量守恒总机械能沿流线保持常数1三项能量2位能、压能、动能相互转换基本形式3p/ρg+v²/2g+z=H伯努利方程是流体力学最重要的基本方程之一，表达了理想液体沿流线运动时机械能守恒的规律方程中三项分别代表压强水头、速度水头和位置水头，它们之间的相互转换体现了能量转换的基本原理伯努利方程物理意义位置水头z液体质点相对于基准面的高程，代表单位重量液体的位置势能在重力作用下，位置越高势能越大压强水头p/ρg单位重量液体的压强势能压强越大，液体具有的压强势能越高，可以转换为动能或位置势能速度水头v²/2g单位重量液体的动能流速越大动能越高，在管道收缩处速度增加，动能相应增大实际流体能量方程沿程损失1直管段摩擦造成的连续能量损失局部损失2管件、阀门等引起的集中能量损失能量方程3理想能量方程加上各项损失修正实际液体具有粘性，流动时必然产生能量损失沿程损失由管壁摩擦引起，与管长成正比；局部损失由流态突变引起，发生在弯头、阀门等位置实际能量方程需要在理想伯努利方程基础上增加损失项伯努利方程工程应用文丘里流量计利用管道收缩段压差测量流量，广泛应用于工业流量测量系统中收缩段流速增加，压强降低，压差与流量成正比关系虹吸原理利用大气压差实现液体提升和输送虹吸管最高点压强低于大气压，形成负压驱动液体流动，无需外加动力喷射器设计高速射流带动低压液体混合，实现液体输送和混合广泛应用于给水、排水和化工系统中的液体输送装置有压管道流动特征有压流动无压流动管道完全充满液体，液体与管壁管道部分充满液体，液体表面与全面接触流动截面为管道的几大气接触流动截面小于管道几何截面，压强可以大于或小于大何截面，液面压强等于大气压气压强这是给水、输油等工程强常见于排水管道和渠道工中最常见的流动形式程计算差异有压流动需考虑管道约束和压强分布，无压流动主要考虑重力和水面坡度计算方法和设计参数选择有显著差异有压长管水力计算达西公式摩阻系数λ12hf=λL/Dv²/2g，沿程损失基本公式与雷诺数和相对粗糙度相关的无量纲参数工程应用管道参数长距离输水管道、石油管线设计基础长度L、直径D、流速v影响损失大小43管道摩擦损失系数1层流区Re2300时，λ=64/Re，摩阻系数仅与雷诺数有关，与管壁粗糙度无关层流计算公式简单准确2过渡区23003湍流区Re4000，λ值与Re和相对粗糙度ε/D相关可采用穆迪图、科尔布鲁克公式或简化公式确定4实用公式工程中常用舍维列夫公式、海曾-威廉公式等简化计算，满足一般精度要求，便于手算和估算管道沿程损失计算实例1000m300mm管道长度管道直径城市供水主干管设计长度DN300钢管，壁厚8mm

2.5m/s

12.7m设计流速水头损失经济流速范围内的推荐值按达西公式计算的总损失某城市供水主干管，长度1000m，采用DN300钢管，设计流量

0.18m³/s，计算流速

2.5m/s根据管材粗糙度

0.2mm，雷诺数

7.5×10⁵，查穆迪图得λ=

0.022代入达西公式计算沿程损失为

12.7m，占总扬程的重要比例局部水头损失计算管道串联水力计算流量连续各管段流量相等，Q₁=Q₂=Q₃=Q损失累加总损失等于各段损失之和，H=Σhf等效长度将串联管道简化为单一等效管道设计应用长距离输水管线的分段设计方法管道并联水力计算压差相等流量分配1各并联管段起终点压差相同总流量等于各支管流量之和2等效管径阻力平衡4计算并联系统的等效输水能力3流量按阻力大小自动分配复杂管网计算基础节点分析法回路分析法数值求解以节点流量平衡为基以回路压降平衡为基利用计算机进行迭代求础，建立节点方程组础，建立回路方程组解，可处理大规模复杂适用于树状管网和简单哈代-克罗斯法是经典的管网现代软件采用牛环状管网的计算，编程手算方法，适用于复杂顿-拉夫逊法等高效算实现相对简单环状管网计算法树状管网水力计算主干管设计1按最大流量设计，保证供水安全性分支管计算2逐级分流，流量逐渐减小末端保压3确保末端用户的最低水压要求树状管网从水源向用户单向供水，结构简单但可靠性较低设计时从末端开始反推，确定各管段流量和管径需考虑用水量的时变性，采用需量系数和变化系数进行流量计算主干管按最大时流量设计，分支管可适当降低设计标准循环管网计算方法初始流量假设根据经验假设各管段初始流量分布，满足节点连续性方程假设值的合理性影响收敛速度，但不影响最终结果回路校正计算计算各回路的压降代数和，采用哈代-克罗斯校正公式调整流量校正量Δq=-Σhf/

1.85Σhf/q，逐次逼近真实解收敛性判断当所有回路压降小于允许误差通常

0.1m时，计算收敛现代计算方法通常3-5次迭代即可收敛到工程精度城镇给水管网压力设计起点压力确定终端保障压力水厂出厂压力应满足最不利用户的水压要求一般按地面建筑每用户接管点最低工作压力不得低于

0.14MPa14m水头高层建层10m水头，多层建筑需额外增加15-20m富余水头起点压力筑需要二次加压，分区供水可降低管网压力要求合理的压力分过高增加能耗，过低影响供水安全区能够平衡供水安全与经济性建筑高层供水压力分析管道选型与经济流速

1.5-

3.030-50经济流速使用寿命年m/s综合考虑管道投资与运行费用不同材质管道的设计使用年限

0.1-

0.215-25%粗糙度水头损失占比mm新管道内壁绝对粗糙度数值输水成本中水头损失的比重管道选型需综合考虑初期投资、运行费用和维护成本流速过低管径增大投资高，流速过高阻力损失大运行费用高经济流速是使总费用最小的流速值，给水管道一般采用

1.5-

3.0m/s，大型输水管道可降至

1.0-

2.0m/s水锤现象及其防护产生机理阀门突然关闭引起流速急变压力波动压力波以声速在管中传播危害分析可能造成管道破裂或设备损坏防护措施缓闭阀门、设置调压设备建筑给水系统水压设计要点屋顶水箱重力供水，压力稳定可靠1增压泵站2变频调速，按需供水节能市政管网3基础水源，保证最低压力建筑给水系统采用分区供水方式，低区直接由市政管网供水，中区和高区分别设置增压设备屋顶水箱起调节和应急作用，增压泵站采用变频控制实现恒压供水合理的分区方案能够保证供水安全，降低系统能耗生活用水系统水力计算用水定额确定时变系数应用同时使用系数根据地区经济水平和生活习惯确定人日变化系数Kd=

1.3-

1.5，时变化系数考虑用水器具不会同时使用的实际情均日用水量城市居民一般150-300L/Kh=

1.5-

2.5最大日最大时流量是管况，根据器具数量确定同时使用系人·d，农村地区80-150L/人·d用水道设计的控制流量，确保高峰时段的数100个器具以下时系数较大，超过定额是需水量计算的基础参数供水安全1000个时趋于稳定值

0.2-

0.3生产用水系统水力计算1冷却用水工业生产中用量最大的用水类型，水质要求不高但流量大计算时需考虑循环使用和蒸发损失，补水量一般为循环量的3-5%2工艺用水直接参与生产过程的用水，水质要求高需根据生产工艺确定用水量和供水压力，计算时考虑生产班次和季节变化3消防用水保障生产安全的应急用水，平时不用但必须保证供水能力消防流量大，持续时间短，与生活生产用水叠加计算4未预见用水考虑生产发展和临时用水需求，一般按已计算用水量的10-15%增加保证系统有一定的富余能力和适应性节点流量与水压分析阀门与设备的水力特性不同类型阀门具有不同的水力特性和阻力系数闸阀全开时阻力系数ζ=

0.15，球阀ζ=

0.05，蝶阀ζ=

0.3-

1.5止回阀用于防止回流，阻力系数ζ=2-10减压阀能自动调节下游压力，但会产生较大的局部损失选择阀门时需综合考虑控制功能、阻力损失和经济性消火栓及喷淋系统水力核算消火栓系统室内消火栓充实水柱长度不小于10m，栓口压力

0.35MPa室外消火栓保护半径150m，栓口压力

0.10-

0.15MPa自动喷淋系统喷头工作压力

0.05-

0.10MPa，喷水强度6-8L/min·m²最不利点喷头压力应满足设计要求，确保有效灭火消防泵设计消防泵扬程按最不利点所需压力加上管路损失确定消防泵应设主备两台，启泵压力比停泵压力低

0.02-

0.03MPa给水系统节能设计变频调速管道优化根据用水量变化自动调节水泵转速，实选用低阻力管材，合理设计管径减少沿现恒压供水节能运行程损失余压利用智能控制利用高区供水余压驱动低区设备，回收采用物联网技术优化系统运行参数能量常见水力计算软件专业软件辅助工具EPANET是美国环保署开发的管网分析软件，功能强大且免费使Excel配合VBA编程可以完成简单的水力计算，适合教学和小型用WaterCAD和WaterGEMS是商业软件，具有友好的图形界项目MATLAB和Python等科学计算软件可以编写专用计算程面和强大的分析功能这些软件能够处理大规模复杂管网的水力序，灵活性高但需要一定的编程基础和水质分析实践案例住宅小区二次供水系统1200居住户数小区总户数及用水人口统计350L人均日用水量按当地用水定额确定

2.2日变化系数考虑用水高峰的设计参数45m设计扬程泵站设计总扬程包含各项损失某住宅小区共1200户，按4人/户计算总人口4800人采用分区供水方式，1-6层由市政管网直供，7-18层由二次供水泵站供水泵站设计流量150m³/h，扬程45m，采用变频调速控制屋顶设置100m³调节水箱，保证供水安全和系统稳定运行实践案例工业循环冷却水系统热负荷计算根据生产设备热负荷确定循环水量，总热负荷50MW，温差10℃，循环水量4300m³/h冷却塔选型选用逆流式机械通风冷却塔，冷却能力55MW，考虑15%的安全系数和未来扩展需求循环泵计算循环泵流量4500m³/h，扬程32m，效率85%，电机功率450kW，设置两台互为备用管网设计供回水主管DN800，设计流速

2.8m/s，支管根据各用户负荷分配流量和管径水力计算常见误差及避免参数选择误差边界条件错误粗糙度系数选择不当是常见错起点压力、终点要求、用水量变误，新管与老化管道差异很大化等边界条件设定不准确会导致设计时应考虑管道全寿命周期内计算结果偏差应深入调研实际粗糙度的变化，适当增加安全系工程条件，收集可靠的基础资数经验系数应结合当地实际情料况选用计算精度控制迭代计算的收敛精度设置过松会影响结果准确性，过严则增加计算时间一般水头误差控制在

0.1m以内，流量误差控制在1%以内即可满足工程需要当前水力计算发展趋势人工智能应用集成设计BIM运用机器学习算法优化管网运行参数，预数字化建模将水力计算集成到BIM平台中，实现三维测设备故障和水质变化智能调度系统能建立数字孪生管网模型，实时监测运行状可视化设计和协同工作自动生成施工图够自动应对突发事件，保证供水安全态，预测系统性能变化结合GIS技术实纸，减少设计错误，提高设计质量和效现管网资产全生命周期管理，提高运维效率率课程复习与总结理论基础1掌握静水压强、连续性方程、伯努利方程等核心理论计算方法2熟练运用管道水力计算公式和管网分析方法工程应用3能够解决实际工程中的供水系统设计问题本课程系统介绍了水力学基本理论和计算方法，重点讲解了管道流动和管网分析的工程应用学生应熟练掌握静水压力分布、伯努利方程应用、管道阻力计算、管网平差等核心内容通过典型案例分析，培养了解决实际工程问题的能力课程内容为后续专业课程和工程实践奠定了坚实基础参考文献与致谢主要教材案例来源•《水力学》第4版吴持恭主编高等教育出版社感谢各工程设计单位提供的实际工程案例资料，感谢指导教师在课程建设过程中的悉心指导和宝贵建议课程内容参考了国内外•《建筑给水排水设计规范》GB50015-2019先进的教学经验和工程实践，力求理论与实际相结合•《室外给水设计规范》GB50013-2018•《流体力学》龙天渝主编中国建筑工业出版社。