管道水头损失产生原因及计算.doc

流体力学二类考核

指导老师：冯亮花

——小组成员：蒙伦智、周肖、王桐

供水管道水头损失产生原因及计算

摘要：水流在运动过程中克服水流阻力而消耗的能量称为水头损失，根据边界条件的不同把水头损失分为两类：对于平顺的边界，水头损失与沿程成正比的称为沿程水头损失，用hf表示；由局部边界急剧改变导致水流结构改变、流速分布改变并产生旋涡区而引起的水头损失称为局部水头损失，用hj表示，两者的计量单位都为米。

关键词：水头损失 原因 计算 真空有压流
1．在分析水头损失产生原因之前，首先应该明确两个概念。
1.1水流阻力
水流阻力是由于固体边界的影响和液体的粘滞性作用，使液体与固体之间、液体内有相对运动的各液层之间存在的摩擦阻力的合力，水流阻力必然与水流运动方向相反。
1.2水头损失
水流在运动过程中克服水流阻力而消耗的能量称为水头损失。其中边界对水流的阻力是产生水头损失的外因，液体的粘滞性是产生水头损失的内因，也是根本原因。根据边界条件的不同把水头损失分为两类：对于平顺的边界，水头损失与流程成正比的称为沿程水头损失，用hf表示；由局部边界急剧改变导致水流结构改变、流速分布改变并产生旋涡区而列起的水头损失称为局部水头损失，用hj表示，两者的计最单位都为米。
由水头损失所产生的能量消耗，将直接影响供水水泵的选型，管道材质与内径的确
定，增加机械能损耗，这一直是水利工作者在给水工程设计过程中想要尽量减小的设计
因子，要想将水头损失降低到最低限度，就要了解水头损失产生的真正原因。

2．水头损失产生的原因
2.1供水管道的糙率是产生沿程水头损失的外部原因，也是直接原因。
在理想的状态下，液体在管道内部流动是不受管道内壁影响的，但由于现在市场上
供应的各种管材，内壁绝对光滑的材质是不存在，现有的技术只是尽量减小管道材质的
糙率（即粗糙度，一般用n表示）。如给水用的PVC管，管道内壁糙率为一般取值0.009，球墨铸铁给水管道内壁糙率一般取值0.012-0.0 1 3，其它管材糙率国家都有相应的技术标
准。
由于管道糙率的存在，使的水流在行进过程液体与固体接触面产生摩擦阻力，水流
消耗动能，产生沿程水头损失。对沿程水头损失的计算可以参照如下经验公式。
经验公式：
— 哈森—威廉斯公式：
公式中：hf-沿程水头损失
d —管道内径
L 一 同一内径管道长度
Q — 与L对应的流量
N 一 糙率
C — 谢才系数 ：
有诸多经验，施工地段较复杂，地形起伏较大的地段管道水头损失计算采用经验公式，施工地段较为平缓，形起伏不大的区域采用哈森一一一威廉斯公式计算。沿程水头损失遵从叠加原理，总水头损失等于各分支水头损失之和。
2.7弯头和部件是产生局部水头损失的直接原因
供水工程涉及的地段大多较为复杂，这样就需要在整个供水管线上增加弯头、三通或阀门等一系列配套部件。当水流流经这些部件时，由于部件内壁糙率的变化、水流行进受阻等原因，水的流态由层流变为不稳定的紊流，甚至形成漩涡，产生局部的水能消耗，这样就产生了局部水头损失。不同部件之间的阻力系数不同，水流流经部件之后的速度不同，这两点因素也正是计算局部水头损失的重要因子。一般在计算中参照如下公式进行。

公式中： 一 管道局部阻力系数
V — 管道流速（管件出口流速），m/s
g 一 重力加速度，m/s2

由于配套部件（管件）较多，阀门完全开启与半开启状态下局部阻力系数变化不同，以甲阀为例，全开时 = 1 、半启闭状态时 = 0.2 ；而止回水阀全开时享 =0.5，未启闭时 = 1.7 ，计算较为复杂。一般根据经验，局部水头损失取沿程水头损失的l0%—30%，具体取值根据阀门、弯头等管件的数量而定。

2.3水的物理性状是产生水头损失的内在原因

水是一种流体，具备流体的一切物理性状，其粘滞系数的存在是产生水头损失的内在原因，也就是根本原因。当水流在管道中行进流速较小时，管道较直的情况下，水以层流的形态流动，此时水流内部作用发生在层与层之间，存在部分能量损耗，当流速达到一定的极限或局部水流受阻时，层流遭到破坏，水流以紊流的方式行进，导致不同的
水单元之间相互挤压和碰撞，大量水能消耗，产生水头损失。

200pvc管道
管径
流量（ml3/s）
流速
水头损失（m/100m）

200m
140
2.10
0.67
120
1..68
0.50
100
1.30
0.34
80
1.00
0.22
120立方厘米的流量
流量
管径（mm）
流速
水头损失

120cm3
200
1.00
0.50
180
1.30
0.87
160

1.68
1.63
140
2.10
3.32

我们可以从pvc供水管材同一管径不同流量的水头损失和不同管径同一流量的水头损失对比中发现水的物理性状是产生水头损失的根本原因。
从以上比较数字我们可以看出，由于流量和管径引起的流速变化导致水流行进过程中流态发生变化，从而就产生了水头损失。水头损失的计算公式上面已经列出，这里不再详述。

2.4管道内空气阻力是产生水头损失不可忽略的因素

管道铺设路线大多经过地形起伏区域，这样就需要在管道隆起最高处设置排气阀，以便排出管内空气，防止管道爆裂。但排气阀有一定设计公称压力，只有空气压力达到一定限值才能够开启，在未达到限值之前，管道内窒气阻力是客观存在的。水流在行进过程中夹带着大量的气泡，气泡被释放聚集在高处时很容易形成高压气带，由于高压气带的存在，水体流
动受阻，产生水头损失。同时，夹带气泡的水流由于气泡的存在，紊流变得更加复杂，也会消耗水流部分动能。这里我们引用一个试验，在引用试验之前我们先了解一下什么是”真空流”。真空流是根据类似于真空隧道列车可以达到1万公里／小时等级的高运行速度原理，在输水管内的某部位形成高速运行所必须的高真空，再利用工程水头（落差）势能的拉动牵引，将流体以更高的流速推进。下面是一个具体试验。
水厂高位水池池底标高58米，某城内一座20层高楼，顶层标高52米，距水厂8公里。测试结果：采用”重力流”供水，水压低，10层以上均供不到水；采用”真空流”供水，水自行上到20层，20层出流量仍然很充沛。这就印证了管道内空气阻力是产水头损失的不可忽略的因素。┃

参考文献：
【l】《关于水头损失根源的水力学理论探讨一一管道水力输送中能量损失分析》论文作者：翁友彬翁怡萌
【2】《水力学》，武汉水利水电出版社
【3】《PVC管材性能》，河北任大塑胶