平面管網(wǎng)水力計算及實現(xiàn)方法

□劉建紅 □張新偉 □王文先

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司)

平面管網(wǎng)水力計算及實現(xiàn)方法

□劉建紅 □張新偉 □王文先

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司)

水力計算是進(jìn)行給水或配水管網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的基礎(chǔ)。環(huán)狀管網(wǎng)水力計算的核心是聯(lián)立求解連續(xù)性方程、能量方程和壓降方程。闡述了平面環(huán)狀管網(wǎng)水力計算原則，根據(jù)數(shù)學(xué)模型編制了基于Excel和V i sual Basi c計算或程序代碼，并以實例進(jìn)行了計算驗證。

Exce；V i sual Basi c；平面管網(wǎng)；環(huán)狀管網(wǎng)；水力計算

一、概述

給水或配水管網(wǎng)的費用(包括管道、閥門及附屬設(shè)施)約占工程總投資的60%～80%，而且運行中消耗大量的能源，因此在方案設(shè)計階段需要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，而水力計算結(jié)果是進(jìn)行比較的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文在闡述管網(wǎng)水力計算原則的基礎(chǔ)上，以實例探索了基于Excel和Visual Basic平臺的計算方法。

二、環(huán)狀管網(wǎng)水力計算原理

環(huán)狀管網(wǎng)的水力計算是聯(lián)立求解連續(xù)性方程、能量方程和壓降方程。

連續(xù)性方程(節(jié)點方程)：任一節(jié)點，流向該節(jié)點的流量等于從該節(jié)點流出的流量,規(guī)定從節(jié)點流出的流量為正，流向節(jié)點的流量為負(fù)；

能量方程(環(huán)路方程)管網(wǎng)任一環(huán)路內(nèi)，各管段水頭損失之和等于零(實際計算時以計算精度控制)，即任兩節(jié)點之間各管段的水頭損失相等，并規(guī)定水流順時針方向管段的水頭損失為正，逆時針方向為負(fù)；

壓降方程(管段方程)表示各管段流量和水頭損失的關(guān)系。

設(shè)某環(huán)狀管網(wǎng)的管段編號為i=1…im，環(huán)路編號為j=1…jm，結(jié)點編號為k=1…km，管段數(shù)與節(jié)點數(shù)關(guān)系為i=j+k-1。設(shè)各管段的流量和沿程水頭損失分別為Qi、hfi，各結(jié)點的供水流量為qk。連續(xù)性方程和能量方程表達(dá)式為：

式中Aij、Bik為控制系數(shù)。

當(dāng)管段i不在環(huán)路j中，則Aji=0；當(dāng)環(huán)路j中管段i的流動方向為順時針方向，Aji=1，否則Aji=-1；

當(dāng)管段i與結(jié)點k無直接聯(lián)結(jié)時，則Bik=0；當(dāng)結(jié)點k處管段i的水流方向為流出結(jié)點，Bik=+1，否則Bik=-1。

對于截面為圓形管道，由達(dá)西公式及流速計算公式hf=λ，經(jīng)變換整理經(jīng)變換整理：

公式(D)即管段 i的壓降方程。公式(C)、(D)中，n、d 及 l分別為管道的糙率、管徑及長度。

式(A)、(B)、(D)可以組成由i+j+k=2i個獨立的方程組成的方程組，可以求得2i個未知變量Qi及hfi。

在管網(wǎng)供水圖上注明節(jié)點的流量后，根據(jù)供水情況，用箭頭表示各管段的水流方向并進(jìn)行流量分配，使其滿足式(A)關(guān)系。根據(jù)管段流量及確定的流速選擇管徑，即可進(jìn)行水力計算。

初步計算出的環(huán)路水頭損失一般不能滿足方程(B)，即環(huán)路水頭損失閉合差不滿足設(shè)定精度為設(shè)定精度，如0.001m)j=1,2…jm(E)

因此需要對初設(shè)流量進(jìn)行修正，環(huán)路j的修正流量為ΔQj的計算式為

修正后各管段流量為(公共管段考慮相鄰環(huán)的修正流量)：

如果流量修正后，仍不滿足精度要求，則需要繼續(xù)修正，直至滿足方程(E)。

三、環(huán)狀管網(wǎng)水力計算實現(xiàn)方法

（一）基于Excel平臺計算方法

在圖1所示的環(huán)狀管網(wǎng)中，各管段的長度、管徑見表1(數(shù)據(jù)行號：3，4行)，糙率均為0.0125，各結(jié)點的供水流量如圖1示。

圖1 環(huán)狀管網(wǎng)（示例）

表1 Excel水力計算界面

各管段水流方向(如圖)及流量大小Qi，并滿足方程(B)，見表1(6行)。根據(jù)水流方向確定系數(shù)Aji，見表1(5行)。

計算代碼設(shè)計如下(以第一環(huán)路第一次修正為例)：

1.根據(jù)方程(C)計算各管段沿程水頭損失hfi，見表1(7行)；

2.根據(jù)方程(B)計算各環(huán)路的水頭損失閉合差ΣAjihfi見表1(8 行)；

3.根據(jù)方程(F)計算各環(huán)路的修正流量為ΔQj，見表1(9行)；

4.根據(jù)方程(G)對各管段流量進(jìn)行修正，見表1(10行)；

5.判斷各環(huán)路水頭損失閉合差是否滿足精度要求。若不滿足，重復(fù)1～4步計算，直至各環(huán)路水頭損失閉合差滿足精度要求。本算例經(jīng)3次修正各環(huán)的閉合差已滿足要求。

可見采用Excel進(jìn)行管網(wǎng)的水力計算，界面清晰、計算過程明確，能達(dá)到計算的精度要求。但是，當(dāng)管網(wǎng)環(huán)路增多時，計算代碼設(shè)計繁瑣，易于出錯。

（二）基于Visual Basic計算方法

1.主要變量定義

2.程序代碼

3.結(jié)果輸出

輸出結(jié)果以順序方式存入名為endlist.txt文件，可以實現(xiàn)打印輸出。

第1環(huán)路閉合差(m)：1.66893E-06

第2環(huán)路閉合差(m)：5.245209E-06

環(huán)路修正次數(shù)為(次)9。

第1段管路的流量(l/s)和損失(m)：46.42558 2.525598

第2段管路的流量(l/s)和損失(m)：13.78234 3.764497

第3段管路的流量(l/s)和損失(m)：17.64325 1.331356

第4段管路的流量(l/s)和損失(m)：33.57442 3.856953

第5段管路的流量(l/s)和損失(m)：41.21766 2.433135

四、結(jié)語

一是式(C)是由達(dá)西公式結(jié)合滿寧公式推求的，對于混凝土或鋼筋混凝土管材(糙率n為0.013或0.014)有良好的適用性。對于其他管材，應(yīng)采用專業(yè)規(guī)范或手冊推薦的水力坡降計算公式計算管路的水力損失，水力坡降與管路比阻關(guān)系。此外，為簡化計算，沒有計及管網(wǎng)的局部水力損失；二是采用Excel或Visual Basic編程均可達(dá)到所需的精度。但若實現(xiàn)大型管網(wǎng)的高精度、快速的計算必須采用類似于VB的具有循環(huán)和控制轉(zhuǎn)向的編程語言。

2010-05-09

劉建紅（1969-），女，重慶涪陵人，高級工程師，從事水電站及給排水設(shè)計。