長距離輸水管道水力計(jì)算公式的選用

1、長距離輸水管道水力計(jì)算公式的選用1 常用的水力計(jì)算公式：供水工程中的管道水力計(jì)算一般均按照均勻流計(jì)算，目前工程設(shè)計(jì)中普遍采用的管道水力計(jì)算公式有:達(dá)西（DARCY）公式：l*v2hf=d*2g （1）謝才（chezy）公式：v=C*R*i （2）海澄威廉（HAZEN-WILIAMS）公式：10.67*Q1.852*l （3） hf=1.8524.87Ch*d式中hf-沿程損失，m沿程阻力系數(shù)l管段長度，md-管道計(jì)算內(nèi)徑，mg-重力加速度，m/s2C-謝才系數(shù)i-水力坡降；R水力半徑，mQ管道流量m/s2v-流速 m/sCn-海澄威廉系數(shù)其中達(dá)西公式，謝才公式對(duì)于管道和明渠的水力計(jì)算都適用。海

2、澄威廉公式影響參數(shù)較小，作為一個(gè)傳統(tǒng)公式，在國內(nèi)外被廣泛用于管網(wǎng)系統(tǒng)計(jì)算。三種水力計(jì)算公式中 ，與管道內(nèi)壁粗糙程度相關(guān)的系數(shù)均是影響計(jì)算結(jié)果的重要參數(shù)。2 規(guī)范中水力計(jì)算公式的規(guī)定3 查閱室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范及其他各管道設(shè)計(jì)規(guī)范，針對(duì)不同的設(shè)計(jì)條件，推薦采用的水力計(jì)算公式也有所差異，見表1：表1 各規(guī)范推薦采用的水力計(jì)算公式4 公式的適用范圍： 31達(dá)西公式達(dá)西公式是基于圓管層流運(yùn)動(dòng)推導(dǎo)出來的均勻流沿程損失普遍計(jì)算公式，該式適用于任何截面形狀的光滑或粗糙管內(nèi)的層流和紊流。公式中沿程阻力系數(shù)值的確定是水頭損失計(jì)算的關(guān)鍵，一般采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出。舍維列夫公式，布拉修斯公式及柯列勃洛克（C.F.COL

3、EBROOK）公式均是針對(duì)工業(yè)管道條件計(jì)算值的著名經(jīng)驗(yàn)公式。 舍維列夫公式的導(dǎo)出條件是水溫10，運(yùn)動(dòng)粘度1.3*10-6 m2/s,適用于舊鋼管和舊鑄鐵管,紊流過渡區(qū)及粗糙度區(qū).該公式在國內(nèi)運(yùn)用較廣. 柯列勃洛可公式1=-2*lg(2.51+) (為當(dāng)量粗糙度,Re為雷諾數(shù))是3.7dRe根據(jù)大量工業(yè)管道試驗(yàn)資料提出的工業(yè)管道過渡區(qū)值計(jì)算公式,該式實(shí)際上是泥古拉茲光滑區(qū)公式和粗糙區(qū)公式的結(jié)合,適用范圍為4000<Re<108.大量的試驗(yàn)結(jié)果表明柯列勃洛克公式與實(shí)際商用圓管的阻力試驗(yàn)結(jié)果吻合良好,不僅包含了光滑管區(qū)和完全粗糙管區(qū),而且覆蓋了整個(gè)過渡粗糙區(qū),該公式在國外得到極為廣泛的應(yīng)

4、用. 0.316布拉修斯公式=是1912年布拉修斯總結(jié)光滑管的試驗(yàn)資料提出的,適用Re0.25條件為4000<Re<105,一般用于紊流光滑管區(qū)的計(jì)算.3.2 謝才公式該式于1775年由CHEZY提出,實(shí)際是達(dá)西公式的一個(gè)變形,式中謝才系數(shù)C一般11由經(jīng)驗(yàn)公式C=R*ey計(jì)算得出,其中y=時(shí)稱為曼寧公式,y值采用n6y=2.5n-0.13-0.R(n-0.1)(n為粗糙系數(shù))公式計(jì)算時(shí)稱為巴浦洛夫斯基,這兩個(gè)公式應(yīng)用范圍均較廣.就謝才公式本身而言,它適用于有壓或無壓均勻流動(dòng)的各阻力區(qū),但由于計(jì)算謝才系數(shù)C的經(jīng)驗(yàn)公式只包括反映管壁粗糙狀況的粗糙系數(shù)n和水力半徑R,而沒有包括流速及運(yùn)動(dòng)

5、粘度,也就是與雷諾數(shù)Re無關(guān),因此該式一般僅適用于粗糙區(qū).曼寧公式的適用條件為n<0.02,R<0.5m;巴浦洛夫斯基公式的適用條件為0.1mR3m;0.011n0.04.3.3 海澄-威廉公式是在直徑3.66m工業(yè)管道的大量測試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立的著名經(jīng)驗(yàn)公式,適用于常溫的清水輸送管道,式中海澄-威廉系數(shù)Ch與不同管材的管壁表面粗糙程度有關(guān).因?yàn)樵撌絽?shù)取值簡單,易用,也是得到廣泛應(yīng)用的公式之一.此公式適用范圍為光滑區(qū)至部分粗糙度區(qū),對(duì)應(yīng)雷諾數(shù)Re范圍介于104-2*106.通過對(duì)各相關(guān)規(guī)范所推薦計(jì)算公式的比較,除混凝土管仍然推薦采用謝才公式外,其它管材大多推薦采用達(dá)西公式.在新版室

6、外給水設(shè)計(jì)規(guī)范中取消舍維列夫公式的相關(guān)條文,籠統(tǒng)采用達(dá)西公式,但未明確要求計(jì)算值采用的經(jīng)驗(yàn)公式.由于舍維列夫公式是建立在對(duì)舊鋼管及舊鑄鐵管研究的基礎(chǔ)上,然而現(xiàn)在一般采用的鋼或鑄鐵材質(zhì)管道,內(nèi)壁通常需進(jìn)行防腐內(nèi)襯,經(jīng)過涂裝的管道內(nèi)壁表面均比舊鋼管,舊鑄鐵管內(nèi)壁光滑得多,也就是值小得多,采用舍維列夫公式顯然也就會(huì)產(chǎn)生較大得計(jì)算誤差,該公式得適用范圍相應(yīng)較窄.經(jīng)過內(nèi)襯得金屬管道采用柯列勃洛克公式或謝才公式計(jì)算更為合理.PVC-U,PE等塑料管道,或者內(nèi)襯塑料得金屬管道,因?yàn)槠鋬?nèi)壁值很低,一般處于0.0015-0.015,管道流態(tài)大多位于紊流光滑區(qū),采用適用光滑區(qū)得布拉修斯公式以及柯列勃洛克公式一般均

7、能夠得到與實(shí)際接近得計(jì)算結(jié)果.因此, 埋地硬聚氯乙稀給水管道工程技術(shù)規(guī)程及埋地聚乙稀給水管道工程技術(shù)規(guī)程中對(duì)塑料管道水力計(jì)算公式均是合理得且與室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范并不矛盾. 海澄-威廉公式可以適用于各種不同材質(zhì)管道得水力計(jì)算,其中海澄-威廉系數(shù)Ch得取值應(yīng)根據(jù)管材確定.對(duì)于內(nèi)襯水泥砂漿或者涂裝有比較光滑得內(nèi)防腐涂層得管道,其海澄-威廉系數(shù)應(yīng)該參考類似工程經(jīng)驗(yàn)參數(shù)或者實(shí)測數(shù)據(jù),合理取用.因此,無論采用達(dá)西公式,謝才公式或者海澄-威廉公式計(jì)算,不同管材得差異均表現(xiàn)在 管內(nèi)壁表面當(dāng)量粗糙程度得不同上,各公式中與粗糙度相關(guān)系數(shù)得取值是影響計(jì)算結(jié)果得重要因素.值得一提得是,同種材質(zhì)管道由于采用不同得加工工藝

8、,其內(nèi)表面得粗糙度也可能有所差異,這一因素在設(shè)計(jì)過程種也應(yīng)重視(常用管材得粗糙度系數(shù)參考值見表2)表2 常見管材粗糙度相關(guān)系數(shù)參考值5.管徑對(duì)選擇計(jì)算公式得影響 根據(jù)雷諾數(shù)計(jì)算公式ReVd,雷諾數(shù)與流速v,管徑d成正比,與運(yùn)動(dòng)粘度成反比,因此對(duì)應(yīng)v管道得不同設(shè)計(jì)條件應(yīng)對(duì)所使用計(jì)算公式得適用范圍進(jìn)行復(fù)核.保證計(jì)算得準(zhǔn)確性.大多說供水工程得設(shè)計(jì)按照水溫10,運(yùn)動(dòng)粘度1.3*10-5 m2/s得條件考慮,因此雷諾數(shù)實(shí)際受流速及管道口徑得影響.以塑料管道為例,在正常設(shè)計(jì)流速范圍條件下,管道內(nèi)徑大于100mm時(shí),雖然管道仍然處于紊流光滑區(qū),但其雷諾數(shù)Re>105,也就是說已經(jīng)超出了布拉修斯公式得適

9、用范圍,而且誤差大小與雷諾數(shù)成正比.對(duì)PVC-U管,采用布拉修斯公式與柯列勃洛克公式對(duì)比計(jì)算,當(dāng)管內(nèi)徑為500mm ,流速1.5 m/s時(shí),采用布拉修斯公式得出得水力坡降比柯列波列克得結(jié)果低11%以上.采用埋地硬聚氯乙稀給水管道工程技術(shù)規(guī)程推薦得修正公式與柯式對(duì)比計(jì)算,修正公式計(jì)算結(jié)果,小口徑管偏安全,中等口徑與柯式符合較好,大口徑管得負(fù)誤差達(dá)5%以上.因此筆者認(rèn)為,大口徑塑料管或采用塑料內(nèi)襯管不宜采用布拉修斯公式計(jì)算,而更宜于采用如柯列波洛克公式等適用條件更寬得其它經(jīng)驗(yàn)公式,或應(yīng)通過試驗(yàn)等對(duì)其進(jìn)行修正.與上述情況類似,采用謝才公式計(jì)算時(shí),如果管道內(nèi)徑大于2m時(shí)則不采用曼寧公式計(jì)算謝才系數(shù).如果采用巴甫洛夫斯基公式,其適用管徑可以達(dá)到12m,對(duì)一般輸水工程管道已完全足夠了.海澄-威廉公式的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是WILLIAMS和HAZEN在大量工業(yè)管道現(xiàn)場或試驗(yàn)測量或得的.該公式因?yàn)楹唵我子?被廣泛運(yùn)用在管網(wǎng)水力計(jì)算中,國內(nèi)外不少管道水力計(jì)算軟件均采用該公式編制.由此可見,對(duì)于口徑大于2m得管道應(yīng)盡量避免采用海澄-威廉公式計(jì)算以策安全.6.值得提出得是,上述所有水力計(jì)算公式中采用得管徑均為計(jì)算內(nèi)徑,各種管道均應(yīng)采用管道凈內(nèi)空直徑計(jì)算,對(duì)于采用水泥砂漿內(nèi)襯得金屬管道應(yīng)考慮內(nèi)襯層厚度