管道水力计算公式选用指南
管道水力计算公式选用指南
在给排水工程中，管道水力计算是确保工程安全可靠、投资经济合理、运行高效节能的关键环节。本文将为您详细介绍管道水力计算的基本原理和常用公式，帮助您更好地理解和应用这些知识。
水流形态
1883年，英国物理学家雷诺通过实验研究发现，流体具有两种流动形态：层流和紊流。这两种流态对水头损失的计算有着重要影响。
- 层流：流体质点作有条不紊的运动，彼此不相混掺。
- 紊流：流体质点作不规则运动，互相混掺，轨迹曲折混乱。
雷诺等人进一步研究发现，流体的流态与流速(v)、管径(d)、流体的动力粘度(\mu)和密度(\rho)有关，可通过雷诺数(Re)表示：
对于圆形输水管道，临界雷诺数(Re_k=2000)：
- 当(Re<2000)，流体为层流；
- (2000<Re<4000)，流体处于层流向紊流的过渡区；
- (Re>4000)，流体处于紊流区。
在市政及水利工程输水管道中，水流一般都处于紊流状态。而紊流又分为紊流光滑区、紊流过渡区和紊流粗糙区。
水头损失
水头损失分为沿程水头损失和局部水头损失：
[h = h_f + h_j]
式中：
- (h)为总水头损失（m）；
- (h_f)为沿程水头损失（m）；
- (h_j)为局部水头损失（m）。
在长距离输水管线中，能量损失主要来源于沿程水头损失。GB50013-2018《室外给水设计标准》提供了以下三种计算公式：
达西公式
达西-魏斯巴赫公式：
[h_f = \frac{\lambda l v^2}{2gd}]
式中：
- (\lambda)为沿程阻力系数；
- (l)为管段长度（m）；
- (d)为管道内径（m）；
- (v)为过水断面平均流速（m/s）；
- (g)为重力加速度（m/s²）。
对于圆形管道层流：
对于紊流，柯列勃洛克-怀特公式：
[\frac{1}{\sqrt{\lambda}} = -2\log\left(\frac{\epsilon/d}{3.7} + \frac{2.51}{Re\sqrt{\lambda}}\right)]
式中：
- (K)为当量粗糙度，表征管道内壁的粗糙程度。
谢才公式
谢才公式：
[v = \frac{C}{R^{1/6}}\sqrt{i}]
式中：
- (C)为谢才系数；
- (R)为水力半径（m）；
- (i)为水力坡降。
谢才系数(C)的经验公式：
[C = \frac{1}{n}R^{1/6}]
式中：
- (n)为糙率系数，表征管道内壁的粗糙程度。
海澄-威廉公式
海澄-威廉公式：
[Q = 0.278Chd^{2.63}S^{0.54}]
式中：
- (Q)为管道流量（m³/s）；
- (l)为管道长度（m）；
- (d)为管道内径（m）；
- (Ch)为海澄-威廉系数。
公式推荐
- 压力流管道：推荐使用达西公式，通过柯列勃洛克公式确定沿程阻力系数(\lambda)。
- 重力流管道：推荐使用谢才公式，通过曼宁公式确定糙率系数(n)。
- 海澄-威廉公式也可用于输水管道压力计算。
实测结果
圣戈班球墨铸铁管道内壁的水力学性能实测结果：
- 当量粗糙度(K)值：0.03-0.06；工程中建议球墨铸铁管单管线取(K=0.03)，管网取(K=0.1)；
- 糙率系数(n)值：均值0.009-0.011。
结论
- 达西公式的适用范围最为广泛；
- 柯列勃洛克公式计算沿程阻力系数(\lambda)值与商用圆管的吻合度较高；
- 对球墨铸铁管单管线，推荐当量粗糙度(K)取0.03，对管网计算，推荐(K)取0.1；
- 谢才公式适用于明渠及重力流管道，可通过曼宁公式来计算谢才系数；
- 对于球墨铸铁管道，其糙率系数(n)推荐取0.009-0.011。
目前，没有一种完美的水力计算公式可以准确无误地描述水流流动规律。具体公式的选用及水力系数的确定，应结合工程实际情况进行分析，进行科学的选用和计算。