輸配水管道沿程水頭損失計(jì)算方法探討

陳涌城
天津市河西區(qū)氣象臺(tái)路99號(hào) 300074

　　輸配水管道是城市供水系統(tǒng)的重要組成部分，它將直接把合格的水送到水廠和千家萬戶，完成供水工程的最終目標(biāo)。輸配水管道投資一般占供水系統(tǒng)資金的70~80%，因此深入地研究輸配水管道工程設(shè)計(jì)意義很大。
　　水力計(jì)算是輸配水管道設(shè)計(jì)的核心，其實(shí)質(zhì)就是在保證用戶水量、水壓安全的條件下，通過水力計(jì)算優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，選擇合適的管材和確經(jīng)濟(jì)管徑。輸配水管道水力計(jì)算包含沿程水頭損失和局部水頭損失，而局部水頭損失一般僅為沿程水頭損失的5~10%，因此本文主要研究、探討管道沿程水頭損失的計(jì)算方法。
1.1 管道常用沿程水頭損失計(jì)算公式及適用條件
　　管道沿程水頭損失是水流摩阻做功消耗的能量，不同的水流流態(tài)，遵循不同的規(guī)律，計(jì)算方法也不一樣。輸配水管道水流流態(tài)都處在紊流區(qū)，紊流區(qū)水流的阻力是水的粘滯力及水流速度與壓強(qiáng)脈動(dòng)的結(jié)果。紊流又根據(jù)阻力特征劃分為水力光滑區(qū)、過渡區(qū)、粗糙區(qū)。管道沿程水頭損失計(jì)算公式都有適用范圍和條件，一般都以水流阻力特征區(qū)劃分。
　　 水流阻力特征區(qū)的判別方法，工程設(shè)計(jì)宜采用數(shù)值做為判別式，目前國內(nèi)管道經(jīng)常采用的沿程水頭損失水力計(jì)算公式及相應(yīng)的摩阻力系數(shù)，按照水流阻力特征區(qū)劃分如表1。

沿程水頭損失水力計(jì)算公式和摩阻系數(shù)　　　　　　　 表1

阻力特征區(qū)

適用條件

水力公式、摩阻系數(shù)

符號(hào)意義

水力光滑區(qū)

>10

雷諾數(shù)

h：管道沿程水頭損失

v：平均流速

d：管道內(nèi)徑

γ：水的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)

λ：沿程摩阻系數(shù)

Δ：管道當(dāng)量粗糙度

q：管道流量

Ch：海曾-威廉系數(shù)

C：謝才系數(shù)

R：水力半徑

n：粗糙系數(shù)

i：水力坡降

l：管道計(jì)算長度

紊流過渡區(qū)

10<<500

（1）

（2）

紊流粗糙區(qū)

>500

　　達(dá)西公式是管道沿程水力計(jì)算基本公式，是一個(gè)半理論半經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算通式，它適用于流態(tài)的不同區(qū)間，其中摩阻系數(shù)λ可采用柯列布魯克公式計(jì)算，克列布魯克公式考慮的因素多，適用范圍廣泛，被認(rèn)為紊流區(qū)λ的綜合計(jì)算公式。利用達(dá)西公式和柯列布魯克公式組合進(jìn)行管道沿程水頭損失計(jì)算精度高，但計(jì)算方法麻煩，習(xí)慣上多用在紊流的阻力過渡區(qū)。
　　海曾—威廉公式適用紊流過渡區(qū)，其中水頭損失與流速的1.852次方成比例（過渡區(qū)水頭損失h∝V1.75~2.0）。該式計(jì)算方法簡捷，在美國做為給水系統(tǒng)配水管道水力計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)式，在歐洲與日本廣泛應(yīng)用，近幾年我國也普遍用做配水管網(wǎng)的水力計(jì)算。
　　謝才公式也應(yīng)是管道沿程水頭損失通式，且在我國應(yīng)用時(shí)間久、范圍廣，積累了較多的工程資料。但由于謝才系數(shù)C采用巴甫洛夫公式或曼寧公式計(jì)算確定，而這兩個(gè)公式只適用于紊流的阻力粗糙區(qū)，因此謝才公式也僅用在阻力粗糙區(qū)。
　　另外舍維列夫公式，前一段時(shí)期也廣泛的用做給水管道水力計(jì)算，但該公式是由舊鋼管和舊鑄鐵管管材試驗(yàn)資料確定的。而現(xiàn)在國內(nèi)采用的金屬管道已普遍采用水泥砂漿和涂料做內(nèi)襯，條件已發(fā)生變化，因此舍維列夫公式也基本不再采用。
1.2 輸配水管道沿程水頭損計(jì)算的實(shí)用公式
　　輸配水管道沿程水頭計(jì)算時(shí)，先采用判別水流的阻力特征用，再選擇相應(yīng)的公式計(jì)算，科學(xué)合理，但操作麻煩，特別在流速是待求的未知數(shù)時(shí)，需要采用試算的方法確定雷諾數(shù)（Re）很不方便。為了使輸配水管道水力計(jì)算能滿足工程設(shè)計(jì)的需要，又可以方便的選擇計(jì)算公式和進(jìn)行簡捷的計(jì)算，根據(jù)多年來管道水力計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)，《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》GBJ13-86修編報(bào)批稿，依據(jù)管材的不同和流速的常用范圍，確定輸配水管道沿程水頭損失計(jì)算公式如下：

　?。?）塑料管

　?。?）混凝土管（渠）及采用水泥砂漿內(nèi)襯的金屬管道

　　　　

　　（3）輸配水管道、配水管網(wǎng)水力平差計(jì)算

　　

2.1 管道摩阻系數(shù)的屬性及應(yīng)用條件
　　每個(gè)管道沿程水力計(jì)算公式都有相應(yīng)的摩阻系數(shù)和確定方法，表達(dá)形式也不一樣。摩阻系數(shù)是一個(gè)未知數(shù)，應(yīng)由試驗(yàn)確定。但實(shí)際應(yīng)用時(shí)，一般都依據(jù)不同的管材和其不同的內(nèi)壁光滑程度，參考已有的資料，由設(shè)計(jì)人員計(jì)算時(shí)選擇采用。該數(shù)值非常重要，但隨意性很大，而且取值的結(jié)果直接影響水力計(jì)算成果的精度。因此了解和熟悉摩阻系數(shù)的屬性，掌握取值的方法和技巧，也同樣是做好管道沿程水力計(jì)算的關(guān)鍵。
　　 （1）當(dāng)量粗糙度Δ
　　 當(dāng)量粗糙度是自然（也有稱工業(yè)）管道，根據(jù)水力試驗(yàn)的成果，運(yùn)用達(dá)西公式和尼古拉茲公式計(jì)算出的理論值。每種管材都有一個(gè)確定的當(dāng)量粗糙度，且不因流態(tài)不同而改變，在判別水流流態(tài)和選擇其他計(jì)算公式參數(shù)時(shí)，經(jīng)常用到當(dāng)量粗糙度。
　?。?）摩阻系數(shù)λ
　　摩阻系數(shù)λ可應(yīng)用在不同的阻力特征區(qū)，不同區(qū)間λ的數(shù)值不一樣。在紊流的光滑區(qū)，λ數(shù)值僅與雷諾數(shù)（Re）有關(guān)，且隨雷諾數(shù)（Re）的增大而減??；在紊流過渡區(qū)，λ與雷諾數(shù)（Re）和相對粗糙度（Δ/d）兩個(gè)因素有關(guān)；在紊流粗糙區(qū)僅和相對粗糙度（Δ/d）有關(guān)，只要管材與管徑確定（即相對粗糙度Δ/d確定），在該區(qū)λ數(shù)值應(yīng)為定值。
　?。?）粗糙系數(shù)n
　　粗糙系數(shù)n是采用巴甫洛夫公式和曼寧公式計(jì)算謝才公式C時(shí)的參數(shù)，它適用于紊流的粗糙區(qū)，在該區(qū)可根據(jù)管材內(nèi)壁光滑程度，選擇相應(yīng)的n值，但一般情況n的取值范圍宜大于0.010，否則計(jì)算成果誤差較大。
　?。?）海曾—威廉系數(shù)Ch
　　海曾—威廉系數(shù)適用紊流過渡區(qū)，Ch取值范圍宜大于120，否則計(jì)算成果誤差較大。
2.2 相應(yīng)的紊流阻力特征區(qū)內(nèi)不同摩阻系數(shù)間的對應(yīng)關(guān)系

　?。?）
　?。?）紊流粗糙區(qū)（其中y采用巴甫洛夫公式計(jì)算，若y=1/6即為曼寧公式，這時(shí)）

3.1 《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》GBJ13-86修編建議沿程水頭損失摩阻系數(shù)（△、n、Ch）取值見表2。

管道沿程水頭損失（n C_h △）值　　　　　　 表2

管道種類

n（粗糙系數(shù)）

C_h（海曾-威廉系數(shù)）

△（mm）（當(dāng)量粗糙度）

鋼管、鑄鐵管

水泥砂漿內(nèi)襯

0.011～0.012

120～130

涂料內(nèi)襯

0.0105～0.0115

130～140

舊鋼管、舊鑄鐵管（未做內(nèi)襯）

0.014～0.018

混凝土管

預(yù)應(yīng)力砼管（PCP）

0.012～0.013

110～130

預(yù)應(yīng)力鋼筒砼管（PCCP）

0.011～0.0125

120～140

現(xiàn)澆矩形混凝土管（渠）道

0.012～0.014

化學(xué)管材（聚乙烯管、聚氯乙烯管、玻璃鋼夾砂管等），內(nèi)襯涂塑管

140～150

0.010~0.030

　　結(jié)論：沿程水頭損失計(jì)算是輸配水管道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，正確的選用計(jì)算公式和采用適宜的摩阻系數(shù)，計(jì)算成果才能真實(shí)的反映管道的水力特性。為保證輸配水管道工程設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高工程的經(jīng)濟(jì)效益和規(guī)范水力計(jì)算方法，《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》GBJ13-86修編報(bào)批稿規(guī)定了管道三種沿程水頭損失計(jì)算公式及摩阻系數(shù)的取值范圍，供設(shè)計(jì)人員選用。