谈水头损失在管道工程中的应用

卢兴宁 谢永雄

(1.广西住房和城乡建设厅培训中心(广西建设执业资格注册中心)，广西 南宁 530028； 2.桂林理工大学，广西 桂林 541004)



谈水头损失在管道工程中的应用

卢兴宁1谢永雄2

(1.广西住房和城乡建设厅培训中心(广西建设执业资格注册中心)，广西 南宁 530028； 2.桂林理工大学，广西 桂林 541004)

介绍了管道沿程水头损失与局部水头损失产生的原因，总结了一些在管道摩阻中常用的计算公式，并通过模型，对水头损失进行了数值模拟分析，为解决复杂条件的水头损失问题提供了途径。

管道，水头损失，摩阻系数，空气阻力

0 引言

管网工程是工程技术中造价很高的一部分，在工程设计中越来越受到重视，影响管网的因素除了工程设计的局限性之外，水头的损失是一个很重要的原因，无论是在大型的输配水工程，或者是在小型的给水排水厂设计，液体从一个断面进入另一个断面必然会引起机械能的损失，水头损失是一个不可忽略的研究对象，研究管网的水头损失对于工程设计和运行经济有重大的意义。

1 管道的沿程水头损失

1.1 水损的原因及常用公式

平直的固体边界水道中，以单位重量的液体介质为研究对象，从一断面流至另一断面后机械能的损失被定义为两断面间的水头损失，即沿程水头损失。水头损失存在于两断面间任何一处，且与沿程长度正相关。水头损失的原因一般分为两个部分：一方面由于液体本身具有粘滞性，此为水损的内因，或称作根本原因；另一方面由于外界对流体有阻力。输配水管道中水流流态大多在紊流区，依据阻力特征，紊流区又分为水力光滑区、粗糙区和过渡区。管道中每个沿程水损的计算公式都有规定的适用范围和前提,一般用水流阻力特征区来区分。紊流区水流阻力的影响因素还有水的粘滞力、水的流速和管壁粗糙度[1]。

实际工程设计时，一般先计算管道中流速，再依据GB 50013—2006室外给水设计规范选取输配水管道沿程水损的计算公式，以下是不同材质管道的常用公式：

1)塑料管公式。

达西公式：

2)混凝土管公式。

谢才公式：

3)配水管网水力平差计算公式。

海曾—威廉公式：

这些公式是常用在普遍情况，但在不同的管道情况下，应根据具体情况调整计算的公式，例如PVC-U是工程中常见的管道材料，但在实验检验中发现在低流速情况下，DN≤355mm时，选取达西公式计算输水管道的沿程水损最为准确；而管径DN>355mm时，宜选海曾—威廉公式。在较大流速时，选取海曾—威廉公式计算PVC-U输水管道沿程水损更准确。达西公式性质和海曾—威廉公式性质属于半经验半理论型，达西公式中把沿程水损的影响因素(管道里水流流态、水的粘滞性及管道材质的粗糙度等)考虑进去，海曾—威廉公式结合了管材的粗糙度这一因素。经分析和综合多种因素，PVC-U管道计算水损时建议采取海曾—威廉公式[2]。

1.2 管壁摩阻的研究

在理想条件下，管道内壁的流动是没有阻力的，但在现实的工程中，我们采用的PVC，PE，铸铁管和钢管内部都有一定的粗糙性，由于这些粗糙的管壁使得水流在流动过程中与管壁产生摩擦，造成沿程的水头损失，在设计计算中，摩阻出现在很多的公式中，其中大部分为经验系数，而摩阻对整个管道的影响却十分巨大，对摩阻的研究有着重要的意义。

1.2.1 摩阻系数(λ)

摩阻系数用λ表示，在每个阻力特征区均能运用，且每个区间λ的值也有差异。紊流光滑区的λ值与雷诺数(Re)负相关, 即随雷诺数(Re)的增加而变小；紊流过渡区的λ值的影响因素有雷诺数(Re)和相对粗糙度(λ/d)，它根据液体流速和相对粗糙度的变化来变化；紊流粗糙区的λ值的影响因素只有相对粗糙度(λ/d)，如果管道材质和管径是一定的，那么λ值也一定。

1.2.2 粗糙系数(n)

在用巴甫洛夫公式、曼宁公式来算谢才公式中的谢才系数(C)时需要一个参数(0.5 mm≤Δ≤4 mm时宜取用曼宁公式，1 mm≤Δ≤5 mm时宜取用巴甫洛夫公式)，即粗糙系数(n)，它应用在紊流的粗糙区，可依据管道材质内壁粗糙度，取合适的n值(一般n>0.01为宜)，不然计算的结果会存在很大误差。

1.2.3 当量粗糙度

当量粗糙度使用尼古拉兹公式、达西公式经过推算得出的一个理论值，是自然管道(或称工业管道)在水力试验下得出的结论成果。所有的管道材质均有一个当量粗糙度定值，它不随水流流态的变化而变化，判别水流流态，很多计算公式中的参数都会用到当量粗糙度。

1.2.4 海曾—威廉系数(Ch)

海曾—威廉系数被使用在紊流过渡区, 它的选值区间宜大于120，小于120时计算得到的结果有很大的误差。在管径增大时海曾—威廉系数相对随之增大，在水流流速减小时海曾—威廉系数值也相对偏大[1]。

2 管道的局部水头损失

把急剧变化的局部边界上致使水流结构变化、流速分布变化且产生旋涡区域，区域内部的紊流加剧，同时质量、能量的交换不断的产生在主流和漩涡区域间，并用质点间相互摩擦和剧烈碰撞的方式来耗去大量的机械能，称为管道的局部水头损失。所以，相对于同一长度的沿程水损来说，局部水损要大很多，并且主流离开边界时出现的漩涡越大，能量的损耗就越多[3]。局部水头损失主要存在于管道的渐变段，突变段，阀门，闸口等等，当水流经过这些管道时会引起水流态的变化，产生漩涡，导致流体的能量降低，在工程设计上，一般根据不同的情况采用不同的公式。

2.1 管道中常见的局部水损类型[4]

1)管道进口：指水池或者水库进入管道的入口，形状有直角进口和喇叭管进口，箭头是管道中水流方向，见图1。

2)缓弯管：指在管段铺设的过程中，管道的走向会慢慢发生变化，产生一定的角度(θ)，箭头是管道中水流的方向，见图2。

3)突然扩大/缩小管：在管路的连接部位直径突然变大，水的流态从高速到低速，水压由大变小的管段为突然扩大管；反之，在管路的连接部位直径突然变小，水的流态从低速到高速的，水压由小变大的管段为突然缩小管，箭头是管道中水流的方向，见图3。

4)渐变管：指管径在一定距离内，由大变小，或者由小变大的管段，箭头是管道中水流的方向，见图4。

5)分叉管：指在管段到达某处时，分为两个管径相同的管段，箭头是管道中水流的方向，见图5。

2.2 工程中局部水损常用计算公式

其中，ζ为管道局部阻力系数；v为管道流速，m/s；g为重力加速度，m/s2。

管路中，由于管道的多样性，不同的阀门的构造不同，管路中的阀门在完全开启与部分开启状态下使得局部阻力系数便发生不同改变，以闸阀为例，全开时ζ=0.1，半开时ζ=0.2；止回阀在全部开启时ζ=0.5，部分开启时ζ=1.7，计算很繁杂。总结以前的经验得出，取0.1倍～0.3倍的沿程水头损失作为局部水头损失，实际计算时依据阀门、弯头等的数量来确定[5]。

2.3 管道内空气阻力的影响

在输水的管路中，因为地形的升降变化较大，最高点处必须设立排气阀，以减轻管道承受的压力，但是排气阀是按照有一定的公称压力来设计的，只有大于这一压力设计值，阀门才会打开。在没有打开的时候，管道中实际存有空气阻力，气泡会掺夹在整个水流流动的过程中，气泡会随水流聚集在高处，形成一种高压带，流体在经过高压带时，必然会引起流态的变化，产生漩涡，造成大量的能量损失[5]。所以管道内空气阻力是产生水头损失的一个重要因素。

3 水头损失在工程中的模拟数值分析

实际工程计算时，一般都按照《给排水设计手册》来选取沿程水损系数和局部水损系数，但是随着液体流态的变化，雷诺数的变化，整个计算出来的数据与实际值有较大的出入，在一些复杂的情况需要借助模型分析来解决一些实际性问题。

研究沿程或局部的水损模型，主要是对其摩阻的研究，例如FadiZ对聚氯乙烯和铸铁管来通过数学关系式和诺模图发现用Hazen-Willians(H-W)和Manning(Mn)公式得的水头损失与Darcy-Weisbaeh(D-W)得的水头损失相同，还介绍了摩阻系数随直径和水流条件而变化的情况并讨论了运用计算机计算变化的沿程损失系数问题，此方法还可以适用于其他材料的管子的研究，例如Chezy和Seobey也可应用此方法[6]。

在大型的水利工程中，长距离大跨度的取水也会面临很多的复杂问题，在南水北调工程中，全长1 432 km，其中有很多的渐变段，暗渠，闸门，虹吸管道等等，都会产生巨大的水头损失，要实现全线靠重力自流分配水头也是个很复杂的问题，方神光等人[7]提出采用虚拟渠道等粗糙率的方法，实现了对输水构筑物影响渠道内水位和流量变化的模拟，提高了计算效率，条件是需要编写等效糙率计算程序，以建立每个过水建筑物的虚拟渠段糙率与通过流量的一一对应关系。在长距离的输水中，会经过大量的构筑物，我们在进行模型计算时，要对不同的构筑物进行分类，渠道非恒定流模拟时只需对渠道各渐变段及倒虹吸管身段的水头损失进行专门的精确计算，对渠道中非恒定流模拟时，只需要对管道各变段及倒虹吸管以流量为自变量的水损公式，对隧道，暗渠，涵洞，用明渠的方法来处理，采用对模型的仿真计算可快速得到各构筑物的水头损失的大小[8]。

在给水管网的建设中，管网的数据模型现在已经渐渐成熟，但许多的模型与实际的情况还是有较大的不符，尤其是要复核管道的摩阻，国内国外的专家对此做了诸多研究，如合理确定测压点，控制变量校正的个数，优化增强算法运行效率等等[9]。在管网的沿程损失的研究中，我们也可以用神经网络技术作为一种非物理解释的非线性系统研究工具，通过尼古拉兹实验研究为前提的BP模型，对研究管道摩阻的影响因素非常有效，也使结论的分析越加精确。这种模型可以分析管道以及渠道的流态，也可以免去需要分段考虑沿程水损的麻烦[10]，此外，BP模型的建立还能为工程中很多难题提供解决途径。

4 结语

水头损失是工程设计中的一个重要问题，无论是在远距离的输配水，还是管网建设，或者建筑供水的设计等等中，都需要进行精确的计算。沿程水头损失和局部水头损失是水头损失最主要的部分，所以也是水头损失研究的主要对象。除了一些经验型的公式，我们要对不同情况的摩阻进行研究，因为摩阻是决定水损的一个重要因素，而摩阻的情况变化较大，根据不同的管道，材料采用不同的摩阻，在复杂的条件下，我们也会借助模型解决问题，例如南水北调工程，大型水利工程等等，模型的建立会大大减少工程中的计算量，提高工程的精确值，未来也将会建立更多的模型去解决复杂条件的水损问题，从而提高工程效率。

[1] 陈涌城,杜玉柱,耿安锋.输配水管道沿程水头损失计算方法探讨[J].给水排水,2009,35(11):109-111.

[2] 王宝宗,张 刚,王春阳.输水管道沿程水头损失计算公式的比较[A].全国给水排水技术信息网年会论文集[C].2011:116-117.

[3] 赵振兴,何建京.水力学[M].北京：清华大学出版社,2010.

[4] 陈 朝,高学平.常用管段局部水头损失的数值模拟[D].天津：天津大学,2008.

[5] 谷广伟.供水管道水头损失产生原因及计算[J].科技资讯,2006(27):76.

[6] FadiZ.管道水流的水头损失系数[J].江西水利科技,1991,17(4):358-364.

[7] 方神光,王 开,吴保生.大型输水渠道中过水建筑物的新处理方法[J].南水北调与水利科技,2006,4(6):56-58.

[8] 丁志良,王长德.大型输水渠道系统建筑物水头损失处理方法研究[J].南水北调与水利科技,2008,6(5):18-23.

[9] 张土乔,许 刚,吕 谋.给水管网管道摩阻校正方法研究[J].浙江大学学报(工学版),2006,40(7):1201-1205.

[10] 谢国权,胡 杰.沿程水头损失系数研究的一种新方法[J].武汉大学学报(工学版),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

卢兴宁(1985- )，男，助理工程师

TU991.38

A