盧興寧 謝永雄

(1.廣西住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳培訓中心(廣西建設(shè)執(zhí)業(yè)資格注冊中心)，廣西 南寧 530028； 2.桂林理工大學，廣西 桂林 541004)

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談水頭損失在管道工程中的應用

盧興寧1謝永雄2

(1.廣西住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳培訓中心(廣西建設(shè)執(zhí)業(yè)資格注冊中心)，廣西 南寧 530028； 2.桂林理工大學，廣西 桂林 541004)

介紹了管道沿程水頭損失與局部水頭損失產(chǎn)生的原因，總結(jié)了一些在管道摩阻中常用的計算公式，并通過模型，對水頭損失進行了數(shù)值模擬分析，為解決復雜條件的水頭損失問題提供了途徑。

管道，水頭損失，摩阻系數(shù)，空氣阻力

0 引言

管網(wǎng)工程是工程技術(shù)中造價很高的一部分，在工程設(shè)計中越來越受到重視，影響管網(wǎng)的因素除了工程設(shè)計的局限性之外，水頭的損失是一個很重要的原因，無論是在大型的輸配水工程，或者是在小型的給水排水廠設(shè)計，液體從一個斷面進入另一個斷面必然會引起機械能的損失，水頭損失是一個不可忽略的研究對象，研究管網(wǎng)的水頭損失對于工程設(shè)計和運行經(jīng)濟有重大的意義。

1 管道的沿程水頭損失

1.1 水損的原因及常用公式

平直的固體邊界水道中，以單位重量的液體介質(zhì)為研究對象，從一斷面流至另一斷面后機械能的損失被定義為兩斷面間的水頭損失，即沿程水頭損失。水頭損失存在于兩斷面間任何一處，且與沿程長度正相關(guān)。水頭損失的原因一般分為兩個部分：一方面由于液體本身具有粘滯性，此為水損的內(nèi)因，或稱作根本原因；另一方面由于外界對流體有阻力。輸配水管道中水流流態(tài)大多在紊流區(qū)，依據(jù)阻力特征，紊流區(qū)又分為水力光滑區(qū)、粗糙區(qū)和過渡區(qū)。管道中每個沿程水損的計算公式都有規(guī)定的適用范圍和前提,一般用水流阻力特征區(qū)來區(qū)分。紊流區(qū)水流阻力的影響因素還有水的粘滯力、水的流速和管壁粗糙度[1]。

實際工程設(shè)計時，一般先計算管道中流速，再依據(jù)GB 50013—2006室外給水設(shè)計規(guī)范選取輸配水管道沿程水損的計算公式，以下是不同材質(zhì)管道的常用公式：

1)塑料管公式。

達西公式：

2)混凝土管公式。

謝才公式：

3)配水管網(wǎng)水力平差計算公式。

海曾—威廉公式：

這些公式是常用在普遍情況，但在不同的管道情況下，應根據(jù)具體情況調(diào)整計算的公式，例如PVC-U是工程中常見的管道材料，但在實驗檢驗中發(fā)現(xiàn)在低流速情況下，DN≤355mm時，選取達西公式計算輸水管道的沿程水損最為準確；而管徑DN>355mm時，宜選海曾—威廉公式。在較大流速時，選取海曾—威廉公式計算PVC-U輸水管道沿程水損更準確。達西公式性質(zhì)和海曾—威廉公式性質(zhì)屬于半經(jīng)驗半理論型，達西公式中把沿程水損的影響因素(管道里水流流態(tài)、水的粘滯性及管道材質(zhì)的粗糙度等)考慮進去，海曾—威廉公式結(jié)合了管材的粗糙度這一因素。經(jīng)分析和綜合多種因素，PVC-U管道計算水損時建議采取海曾—威廉公式[2]。

1.2 管壁摩阻的研究

在理想條件下，管道內(nèi)壁的流動是沒有阻力的，但在現(xiàn)實的工程中，我們采用的PVC，PE，鑄鐵管和鋼管內(nèi)部都有一定的粗糙性，由于這些粗糙的管壁使得水流在流動過程中與管壁產(chǎn)生摩擦，造成沿程的水頭損失，在設(shè)計計算中，摩阻出現(xiàn)在很多的公式中，其中大部分為經(jīng)驗系數(shù)，而摩阻對整個管道的影響卻十分巨大，對摩阻的研究有著重要的意義。

1.2.1 摩阻系數(shù)(λ)

摩阻系數(shù)用λ表示，在每個阻力特征區(qū)均能運用，且每個區(qū)間λ的值也有差異。紊流光滑區(qū)的λ值與雷諾數(shù)(Re)負相關(guān), 即隨雷諾數(shù)(Re)的增加而變??；紊流過渡區(qū)的λ值的影響因素有雷諾數(shù)(Re)和相對粗糙度(λ/d)，它根據(jù)液體流速和相對粗糙度的變化來變化；紊流粗糙區(qū)的λ值的影響因素只有相對粗糙度(λ/d)，如果管道材質(zhì)和管徑是一定的，那么λ值也一定。

1.2.2 粗糙系數(shù)(n)

在用巴甫洛夫公式、曼寧公式來算謝才公式中的謝才系數(shù)(C)時需要一個參數(shù)(0.5 mm≤Δ≤4 mm時宜取用曼寧公式，1 mm≤Δ≤5 mm時宜取用巴甫洛夫公式)，即粗糙系數(shù)(n)，它應用在紊流的粗糙區(qū)，可依據(jù)管道材質(zhì)內(nèi)壁粗糙度，取合適的n值(一般n>0.01為宜)，不然計算的結(jié)果會存在很大誤差。

1.2.3 當量粗糙度

當量粗糙度使用尼古拉茲公式、達西公式經(jīng)過推算得出的一個理論值，是自然管道(或稱工業(yè)管道)在水力試驗下得出的結(jié)論成果。所有的管道材質(zhì)均有一個當量粗糙度定值，它不隨水流流態(tài)的變化而變化，判別水流流態(tài)，很多計算公式中的參數(shù)都會用到當量粗糙度。

1.2.4 海曾—威廉系數(shù)(Ch)

海曾—威廉系數(shù)被使用在紊流過渡區(qū), 它的選值區(qū)間宜大于120，小于120時計算得到的結(jié)果有很大的誤差。在管徑增大時海曾—威廉系數(shù)相對隨之增大，在水流流速減小時海曾—威廉系數(shù)值也相對偏大[1]。

2 管道的局部水頭損失

把急劇變化的局部邊界上致使水流結(jié)構(gòu)變化、流速分布變化且產(chǎn)生旋渦區(qū)域，區(qū)域內(nèi)部的紊流加劇，同時質(zhì)量、能量的交換不斷的產(chǎn)生在主流和漩渦區(qū)域間，并用質(zhì)點間相互摩擦和劇烈碰撞的方式來耗去大量的機械能，稱為管道的局部水頭損失。所以，相對于同一長度的沿程水損來說，局部水損要大很多，并且主流離開邊界時出現(xiàn)的漩渦越大，能量的損耗就越多[3]。局部水頭損失主要存在于管道的漸變段，突變段，閥門，閘口等等，當水流經(jīng)過這些管道時會引起水流態(tài)的變化，產(chǎn)生漩渦，導致流體的能量降低，在工程設(shè)計上，一般根據(jù)不同的情況采用不同的公式。

2.1 管道中常見的局部水損類型[4]

1)管道進口：指水池或者水庫進入管道的入口，形狀有直角進口和喇叭管進口，箭頭是管道中水流方向，見圖1。

2)緩彎管：指在管段鋪設(shè)的過程中，管道的走向會慢慢發(fā)生變化，產(chǎn)生一定的角度(θ)，箭頭是管道中水流的方向，見圖2。

3)突然擴大/縮小管：在管路的連接部位直徑突然變大，水的流態(tài)從高速到低速，水壓由大變小的管段為突然擴大管；反之，在管路的連接部位直徑突然變小，水的流態(tài)從低速到高速的，水壓由小變大的管段為突然縮小管，箭頭是管道中水流的方向，見圖3。

4)漸變管：指管徑在一定距離內(nèi)，由大變小，或者由小變大的管段，箭頭是管道中水流的方向，見圖4。

5)分叉管：指在管段到達某處時，分為兩個管徑相同的管段，箭頭是管道中水流的方向，見圖5。

2.2 工程中局部水損常用計算公式

其中，ζ為管道局部阻力系數(shù)；v為管道流速，m/s；g為重力加速度，m/s2。

管路中，由于管道的多樣性，不同的閥門的構(gòu)造不同，管路中的閥門在完全開啟與部分開啟狀態(tài)下使得局部阻力系數(shù)便發(fā)生不同改變，以閘閥為例，全開時ζ=0.1，半開時ζ=0.2；止回閥在全部開啟時ζ=0.5，部分開啟時ζ=1.7，計算很繁雜?？偨Y(jié)以前的經(jīng)驗得出，取0.1倍～0.3倍的沿程水頭損失作為局部水頭損失，實際計算時依據(jù)閥門、彎頭等的數(shù)量來確定[5]。

2.3 管道內(nèi)空氣阻力的影響

在輸水的管路中，因為地形的升降變化較大，最高點處必須設(shè)立排氣閥，以減輕管道承受的壓力，但是排氣閥是按照有一定的公稱壓力來設(shè)計的，只有大于這一壓力設(shè)計值，閥門才會打開。在沒有打開的時候，管道中實際存有空氣阻力，氣泡會摻夾在整個水流流動的過程中，氣泡會隨水流聚集在高處，形成一種高壓帶，流體在經(jīng)過高壓帶時，必然會引起流態(tài)的變化，產(chǎn)生漩渦，造成大量的能量損失[5]。所以管道內(nèi)空氣阻力是產(chǎn)生水頭損失的一個重要因素。

3 水頭損失在工程中的模擬數(shù)值分析

實際工程計算時，一般都按照《給排水設(shè)計手冊》來選取沿程水損系數(shù)和局部水損系數(shù)，但是隨著液體流態(tài)的變化，雷諾數(shù)的變化，整個計算出來的數(shù)據(jù)與實際值有較大的出入，在一些復雜的情況需要借助模型分析來解決一些實際性問題。

研究沿程或局部的水損模型，主要是對其摩阻的研究，例如FadiZ對聚氯乙烯和鑄鐵管來通過數(shù)學關(guān)系式和諾模圖發(fā)現(xiàn)用Hazen-Willians(H-W)和Manning(Mn)公式得的水頭損失與Darcy-Weisbaeh(D-W)得的水頭損失相同，還介紹了摩阻系數(shù)隨直徑和水流條件而變化的情況并討論了運用計算機計算變化的沿程損失系數(shù)問題，此方法還可以適用于其他材料的管子的研究，例如Chezy和Seobey也可應用此方法[6]。

在大型的水利工程中，長距離大跨度的取水也會面臨很多的復雜問題，在南水北調(diào)工程中，全長1 432 km，其中有很多的漸變段，暗渠，閘門，虹吸管道等等，都會產(chǎn)生巨大的水頭損失，要實現(xiàn)全線靠重力自流分配水頭也是個很復雜的問題，方神光等人[7]提出采用虛擬渠道等粗糙率的方法，實現(xiàn)了對輸水構(gòu)筑物影響渠道內(nèi)水位和流量變化的模擬，提高了計算效率，條件是需要編寫等效糙率計算程序，以建立每個過水建筑物的虛擬渠段糙率與通過流量的一一對應關(guān)系。在長距離的輸水中，會經(jīng)過大量的構(gòu)筑物，我們在進行模型計算時，要對不同的構(gòu)筑物進行分類，渠道非恒定流模擬時只需對渠道各漸變段及倒虹吸管身段的水頭損失進行專門的精確計算，對渠道中非恒定流模擬時，只需要對管道各變段及倒虹吸管以流量為自變量的水損公式，對隧道，暗渠，涵洞，用明渠的方法來處理，采用對模型的仿真計算可快速得到各構(gòu)筑物的水頭損失的大小[8]。

在給水管網(wǎng)的建設(shè)中，管網(wǎng)的數(shù)據(jù)模型現(xiàn)在已經(jīng)漸漸成熟，但許多的模型與實際的情況還是有較大的不符，尤其是要復核管道的摩阻，國內(nèi)國外的專家對此做了諸多研究，如合理確定測壓點，控制變量校正的個數(shù)，優(yōu)化增強算法運行效率等等[9]。在管網(wǎng)的沿程損失的研究中，我們也可以用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為一種非物理解釋的非線性系統(tǒng)研究工具，通過尼古拉茲實驗研究為前提的BP模型，對研究管道摩阻的影響因素非常有效，也使結(jié)論的分析越加精確。這種模型可以分析管道以及渠道的流態(tài)，也可以免去需要分段考慮沿程水損的麻煩[10]，此外，BP模型的建立還能為工程中很多難題提供解決途徑。

4 結(jié)語

水頭損失是工程設(shè)計中的一個重要問題，無論是在遠距離的輸配水，還是管網(wǎng)建設(shè)，或者建筑供水的設(shè)計等等中，都需要進行精確的計算。沿程水頭損失和局部水頭損失是水頭損失最主要的部分，所以也是水頭損失研究的主要對象。除了一些經(jīng)驗型的公式，我們要對不同情況的摩阻進行研究，因為摩阻是決定水損的一個重要因素，而摩阻的情況變化較大，根據(jù)不同的管道，材料采用不同的摩阻，在復雜的條件下，我們也會借助模型解決問題，例如南水北調(diào)工程，大型水利工程等等，模型的建立會大大減少工程中的計算量，提高工程的精確值，未來也將會建立更多的模型去解決復雜條件的水損問題，從而提高工程效率。

[1] 陳涌城,杜玉柱,耿安鋒.輸配水管道沿程水頭損失計算方法探討[J].給水排水,2009,35(11):109-111.

[2] 王寶宗,張 剛,王春陽.輸水管道沿程水頭損失計算公式的比較[A].全國給水排水技術(shù)信息網(wǎng)年會論文集[C].2011:116-117.

[3] 趙振興,何建京.水力學[M].北京：清華大學出版社,2010.

[4] 陳 朝,高學平.常用管段局部水頭損失的數(shù)值模擬[D].天津：天津大學,2008.

[5] 谷廣偉.供水管道水頭損失產(chǎn)生原因及計算[J].科技資訊,2006(27):76.

[6] FadiZ.管道水流的水頭損失系數(shù)[J].江西水利科技,1991,17(4):358-364.

[7] 方神光,王 開,吳保生.大型輸水渠道中過水建筑物的新處理方法[J].南水北調(diào)與水利科技,2006,4(6):56-58.

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[9] 張土喬,許 剛,呂 謀.給水管網(wǎng)管道摩阻校正方法研究[J].浙江大學學報(工學版),2006,40(7):1201-1205.

[10] 謝國權(quán),胡 杰.沿程水頭損失系數(shù)研究的一種新方法[J].武漢大學學報(工學版),2004,37(6):22-26.

On application of head loss in pipeline projects

Lu Xingning1Xie Yongxiong2

(1.TrainingCenterofGuangxiHousingandUrbanandRuralConstructionBureau(GuangxiConstructionQualificationRegistrationCenter),Nanning530028,China; 2.GuilinUniversityofTechnology,Guilin541004,China)

The paper introduces the reasons for the head loss and partial head loss along the pipeline projects, sums up the common calculation formula for the pipeline friction, and undertakes the numeric simulation of the head loss according to the models, so as to provide the channel for the solutions of the head loss to the complex conditions.

pipeline, head loss, friction coefficient, air resistance

1009-6825(2016)18-0121-03

2016-04-11

盧興寧(1985- )，男，助理工程師

TU991.38

A