colebrook-white公式
(整理)第三章给水排水管道系统水力计算基础
第三章给水排水管道系统水力计算基础本章内容：1、水头损失计算2、无压圆管的水力计算3、水力等效简化本章难点：无压圆管的水力计算第一节基本概念一、管道内水流特征进行水力计算前首先要进行流态的判别。
判别流态的标准采用临界雷诺数Re k，临界雷诺数大都稳定在2000左右，当计算出的雷诺数Re小于2000时，一般为层流，当Re大于4000时，一般为紊流，当Re介于2000到4000之间时，水流状态不稳定，属于过渡流态。
对给水排水管道进行水力计算时，管道内流体流态均按紊流考虑紊流流态又分为三个阻力特征区：紊流光滑区、紊流过渡区及紊流粗糙管区。
二、有压流与无压流水体沿流程整个周界与固体壁面接触，而无自由液面，这种流动称为有压流或压力流。
水体沿流程一部分周界与固体壁面接触，另一部分与空气接触，具有自由液面，这种流动称为无压流或重力流给水管道基本上采用有压流输水方式，而排水管道大都采用无压流输水方式。
从水流断面形式看，在给水排水管道中采用圆管最多三、恒定流与非恒定流给水排水管道中水流的运动，由于用水量和排水量的经常性变化，均处于非恒定流状态，但是，非恒定流的水力计算特别复杂，在设计时，一般也只能按恒定流(又称稳定流)计算。
四、均匀流与非均匀流液体质点流速的大小和方向沿流程不变的流动，称为均匀流；反之，液体质点流速的大小和方向沿流程变化的流动，称为非均匀流。
从总体上看，给水排水管道中的水流不但多为非恒定流，且常为非均匀流，即水流参数往往随时间和空间变化。
对于满管流动，如果管道截面在一段距离内不变且不发生转弯，则管内流动为均匀流；而当管道在局部有交汇、转弯与变截面时，管内流动为非均匀流。
均匀流的管道对水流的阻力沿程不变，水流的水头损失可以采用沿程水头损失公式进行计算；满管流的非均匀流动距离一般较短，采用局部水头损失公式进行计算。
对于非满管流或明渠流，只要长距离截面不变，也没有转弯或交汇时，也可以近似为均匀流，按沿程水头损失公式进行水力计算，对于短距离或特殊情况下的非均匀流动则运用水力学理论按缓流或急流计算。
用Excel进行空调通风管道阻力计算
表６ 风管阻力平衡计算表（一）
ｄ）进行各并联支路间阻力平衡计算，调整各并联管段截 面尺寸，保证其不平衡率小于± １５％，如表 ７。
表７ 风管阻力平衡计算表（二）
３．１．２ 注意事项 ３．１．２．１ 为保证风管阻力计算按预设定条件顺利进行，画计 算草图时，对管段编号规则约定：编号从最不利环路末端开 始。编完最不利环路后，再编并联支路号。 ３．１．２．２ 表６风系统计算局部阻力采用了简略算法，据文献［７］， 风管压力损失由下式确定：ΔP ＝ Pｍ L （１＋K） 式中Pｍ —比摩阻，Ｐ ａ／ｍ； L —最不利环路总长，ｍ ；
表１ 圆形风管阻力计算表
管路设计过程中，设计人员工作步骤为：ａ）根据管内流 量，定流速，查表选管径；ｂ）在绘制管路完毕后，平衡各支 路管道阻力，调整管道截面。因此本文主要介绍：建立根据 现行设计手册的风管、水管计算表的电子表格；建立实用的 阻力计算电子表格。不当之处，请批评指正。
２ 用 Ｅｘｃｅｌ 编制钢板通风管道计算表
２．１ 编制数据取值 为了便于与文献［２］对比数据，用Ｅｘｃｅｌ编制的通风管道计
算表采用国家法定计量单位，按文献［２］制表条件取值： ａ）空气参数大气压力 P ＝１０１３２５Ｐａ，温度t ＝２０℃，密度
ρ＝１．２０４ ｋｇ／ｍ３，运动粘度ν＝１５．０６×１０－ ６ ｍ２／ｓ ； ｂ） 风道内表面的平均绝对粗糙度，钢板取 K ＝ ０．１５ｍｍ； ｃ） 风道断面尺寸和壁厚，采用文献［１］的标准尺寸，制表
２．４．３ 在 Ａ３，Ｄ３，Ｅ３，Ｆ３，Ｇ３，Ｈ３，Ｉ３ 单元格定义好算式 后，通过拖曳填充柄方式，可以复制任意行数的计算表格。 ２．４．４ 将风速（Ｂ列）和外径（Ｃ列）数据输入后，自动生成 圆形风管计算表。 ２．４．５ 矩形风管阻力计算表、空调水管阻力计算表的编制方 法与圆形风管阻力计算表大致相同，矩形风管采用流速当量 直径 D ＝２ab ／（a ＋ b）计算比摩阻。表 ２ 计算条件：计算水温 ２０℃，闭式系统水管K值取０．２ｍｍ， 开式系统水管K值取０．５ｍｍ， λ值采用Ｃｏｌｅｂｒｏｏｋ－Ｗｈｉｔｅ公式，式中Re数的运动粘滞系数与 水温有关 ν＝１．００４×１０－６ ｍ２／ｓ，其他步骤不赘述。 ２．４．６ 不同风管材的K值，可以在表１中当量绝对粗糙度Ｋ 值表中选取，据此可以编制不同材质的风管计算表。 ２．４．７ 水管计算数据和查表数据对比见表２、表３。水管查表 数据摘自文献［３］。
Pipelinestudio(Tgnet)应用指南
Pipelinestudio（Tgnet）应用指南1 软件特点及主要用途Pipelinestudio（Tgnet）是经过使用证明的，历史悠久的输气体管道离线模拟软件，能够对管道的正常工况和事故工况进行稳态和动态分析，测试和评价管道的输送/改建/扩建方案，最终获得优化的系统性能和最佳的实际方案本软件具有全功能的图形界面、稳定的数字求解技术、完备的设备模拟、灵活实用的理想化的控制方式和多约束条件设定、温度跟踪、气体属性跟踪、详尽的默认值集合、既能以批处理方式又能以交互（互动）方式运作、灵活多样的开放的输入输出方式、易学易用等特点。
使用本软件可以对输气管道的正常工况和事故工况进行分析，测试和评价输气管道的设计或操作参数的设置，最终获得优化的系统性能。
使用本软件还可以为实时模拟软件的组态提供建模数据。
软件重要应用于以下方面：1）设计管道，管径、输气量研究；2）确定管线尺寸，压缩机规格；3）评价因为操作改变导致的管道工况；4）模拟供气中断、压缩机故障及意外事故，评价事故影响及采取的恢复行动；5）进行供需平衡、调峰、管存量分析，进行操作优化；6）进行管道战略性规划和分析，确定管道5年、10年、15年的长远规划。
2 管道模拟的理论基础和主要公式气体在管道内流动，随着压力下降，密度逐渐变小，流速不断增大。
同时气体在管道流动过程中还要气体与周围介质进行热交换，温度会逐步降低，在管道的未段趋近于甚至低于周围介质的温度。
特别是在不稳定流动的情况(输气管大多数处于不稳定流动状态）下，更导致压力、流量和温度的变化。
因此，描述气体管内流动状态的主要参数有：压力P、密度 、流速v 和温度T。
求解有关参数的方程主要是：连续性方程：)()(=+x t v A A ρρ 其中：0;0≥≤≤t L x● 运动方程：其中： 0;0≥≤≤t L x● 能量守恒方程：以上方程中符号意义如下：L 管道长度g 重力加速度 x 距离f 摩阻系数 t 时间 Di 管道内径A 管道横断面积 T 气体温度ρ 气体密度 Tg 地温P 气体压力 Uw 总传热系数v 气体流速Cv 气体热容 h 管道高程● 气体状态方程：为了正确模拟气体的水力学特性，需要在各种条件下气体各项物理属性的变化和它们之间的关系。
给水排水管道系统水力计算
e （ mm ）
平均 0.003 0.03 0.06 0.15 0.3 0.6 3 15 150
（ 4 ）巴甫洛夫斯基公式 巴甫洛夫斯基公式适用于明渠流和非满流管道的计算，公式为：
C
R
y
nb 0.10
3-3 。
（ 3-11 ）
式中： y
2.5 nb
0.13 0.75 R
nb
nb — 巴甫洛夫斯基公式粗糙系数，见表
2
A 和水力半径 R 的值 （表中 d 以 m 计） 充满度 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 过水断面积 A （ m 2） 0.4426 d 0.4920 d 0.5404 d 0.5872 d 0.6319 d 0.6736 d 0.7115 d 0.7445 d 0.7707 d 0.7845 d
图 3-1 无压圆管均匀流的过水 断面
3-1 所示。设其 ， 称为充满度，
h d
sin
2
4
所对应的圆心角 素之间的关系为：
称为充满角。由几何关系可得各水力要
过水断面面积：
A
湿周：
d
2
8
sin
（ 3-16 ）
d 2
水力半径：
（ 3-17 ）
R
所以
d 4
1
sin
（ 3-18 ）
2
v
2
1 d n 4 sin
将（ 3-11 ）式代入（ 3-2 ）式得：
hf
nb v R
2
2
2y 1
l
（ 3-12 ）
常用管渠材料粗糙系数
nb 值
管渠材料
给水排水管网水力学基础
θ＝3.4173（弧度），充满度y/D＝0.5687 ，流速v＝1.355（m/s）
沿程阻力系数常用公式： （续）
（4）巴甫洛夫斯基(Н.Н.Павловский)公式 ：
将曼宁公式中的常数指数1/6改进为曼宁粗糙系数n和水力半径R的函数 。
1 y C R n
代入公式（3.2），得：
式中， y 2.5 n 0.13 0.75 R ( n 0.10) n――曼宁粗糙系数 。
3.4
管道的水力等效简化
水力等效简化原则： 经过简化后的管网对象与原来的实际对象具有相同的水力特性。如两条并联管 道简化成一条后，在相同的总输水流量下，应具有相同的水头损失。
3.4.1 串联或并联管道的简化 管道串联：如图3.4所示，两条或两条以上管道串联，可将它们等效为一条直 径为d，长度为l 的管道。根据水力等效原则，有：
图3.2 圆形管道充满度示 意图
3.3.1 非满流管道水力计算公式 管渠流量公式：
A q A v R I n
2 3
1 2 式中
A―过水断面面积（m2）； I―水力坡度，对于均匀流，为管渠底坡。
非满流管道水力计算参数公式:
设管径为D，管内水深为y，充满度为y/D， 由管中心到水面线两端的夹角计算公式：
N kq nli kq nl hf m m d i 1 di
管道串联等效直径： 管道并联：两条或两条以上管道并联，长度相等，可
给水排水管道系统水力计算
第三章给水排水管道系统水力计算基础本章内容：1、水头损失计算2、无压圆管的水力计算3、水力等效简化本章难点：无压圆管的水力计算第一节基本概念一、管道内水流特征进行水力计算前首先要进行流态的判别。
判别流态的标准采用临界雷诺数Re k，临界雷诺数大都稳定在2000左右，当计算出的雷诺数Re小于2000时，一般为层流，当Re大于4000时，一般为紊流，当Re介于2000到4000之间时，水流状态不稳定，属于过渡流态。
对给水排水管道进行水力计算时，管道内流体流态均按紊流考虑紊流流态又分为三个阻力特征区：紊流光滑区、紊流过渡区及紊流粗糙管区。
二、有压流与无压流水体沿流程整个周界与固体壁面接触，而无自由液面，这种流动称为有压流或压力流。
水体沿流程一部分周界与固体壁面接触，另一部分与空气接触，具有自由液面，这种流动称为无压流或重力流给水管道基本上采用有压流输水方式，而排水管道大都采用无压流输水方式。
从水流断面形式看，在给水排水管道中采用圆管最多三、恒定流与非恒定流给水排水管道中水流的运动，由于用水量和排水量的经常性变化，均处于非恒定流状态，但是，非恒定流的水力计算特别复杂，在设计时，一般也只能按恒定流(又称稳定流)计算。
四、均匀流与非均匀流液体质点流速的大小和方向沿流程不变的流动，称为均匀流；反之，液体质点流速的大小和方向沿流程变化的流动，称为非均匀流。
从总体上看，给水排水管道中的水流不但多为非恒定流，且常为非均匀流，即水流参数往往随时间和空间变化。
对于满管流动，如果管道截面在一段距离内不变且不发生转弯，则管内流动为均匀流；而当管道在局部有交汇、转弯与变截面时，管内流动为非均匀流。
均匀流的管道对水流的阻力沿程不变，水流的水头损失可以采用沿程水头损失公式进行计算；满管流的非均匀流动距离一般较短，采用局部水头损失公式进行计算。
对于非满管流或明渠流，只要长距离截面不变，也没有转弯或交汇时，也可以近似为均匀流，按沿程水头损失公式进行水力计算，对于短距离或特殊情况下的非均匀流动则运用水力学理论按缓流或急流计算。
PIPESIM实例练习
PIPESIM 基础功能培训及练习教材 版本版本：：2009.1斯伦贝谢SIS 2010年03月Copyright Notice© 2007 Schlumberger. All rights reserved.No part of this manual may be reproduced, stored in a retrieval system, or translated in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying and recording, without the prior written permission of Schlumberger Information Solutions, 5599 San Felipe, Suite 100, Houston, TX 77056-2722.DisclaimerUse of this product is governed by the License Agreement. Schlumberger makes no warranties, express, implied, or statutory, with respect to the product described herein and disclaims without limitation any warranties of merchantability or fitness for a particular purpose. Schlumberger reserves the right to revise the information in this manual at any time without notice.Trademark InformationPIPESIM and NODAL Analysis are trademarks of Schlumberger. Certain other products and product names are trademarks or registered trademarks of their respective companies or organizations.目录前言 (I)第一章管流知识简介 (1)练习1 水管线计算指南 (2)练习2 水管线敏感性分析 (17)练习3 气管线敏感参数分析 (20)练习4 气体流量计算 (23)练习5 多相流动管线模拟计算 (26)第二章油井特性分析 (34)练习1 定义井模型 (35)练习2 评估井底流动条件 (38)练习3 运行节点分析 (39)练习4 高压物性（PVT）校正 (40)练习5 流动相关式拟合 (43)练习6 运行IPR（流入动态）拟合 (45)练习7 含水率敏感性分析 (46)练习8 气举特性分析 (47)练习9 多层开采计算 (48)练习10 流动控制阀模拟计算 (51)第三章气井特性分析 (52)练习1 建立简单井模型 (53)练习2 流入模型校正 (57)练习3 运行井底为节点的节点分析 (59)练习4 模拟管线流动及油嘴特性分析 (60)练习5 预测产量变化 (61)练习6 评价携液能力及流动计算相关式拟合 (61)练习7 油藏至出口压力-温度关系剖面 (63)第四章水平井设计 (64)练习1 优化水平井长度 (66)练习2 多段射孔水平井模拟 (66)第五章人工举升设计 (68)电潜泵设计 (68)练习1 单井建模及节点分析 (68)练习2 选泵及优化设计 (70)练习3 不同生产条件下泵特性分析 (72)气举设计 — 新设计阀距 (73)练习1 单井建模及节点分析 (73)练习2 气举响应计算 (75)练习3 气举优化设计（“IPO Surface Close”方法） (76)气举设计 — 已知阀距 (78)I练习1 安装井下气举阀系统，最下级阀注气 (78)练习2 生成气举响应曲线 (80)练习3 利用已知阀距进行气举优化设计 (81)练习4 气举诊断 (82)第六章海管设计 (84)练习1 建立组分模型 (84)练习2 海管尺寸选择 (85)练习3 检查严重段塞流 (88)练习4a 选择海管保温层厚度 (89)练习4b 甲醇注入量计算 (89)练习5 计算段塞流捕集器体积 (91)第七章环形输气管线 (93)设定管网计算边界条件 (98)运行管网计算并确定集输能力 (100)管网练习 1 ：数据汇总 (102)第八章注水管网系统 (105)I前 言该培训教材旨在向用户介绍PIPESIM 应用软件基础功能及操作。
河海大学流体力学第5章层流、紊流及能量损失
计算两个断面间的水头损失时，如果两断面间有若干段均匀 流或渐变流及若干段急变流，水头损失为各段的沿程损失和 局部损失之和，即
hw hf h j
5-1 层流与紊流的概述
5.1.1雷诺试验（O.Reynolds1883年）
阀门微微开启时，流量很小，流速较小，红 色液体形成一条直线。
r 2
du r 联立求解： g J dr 2
du 分离变量并整理得：
gJ r dr 2
当r r0时， u 0, 得C gJ 2 r0 4
对上式积分可得u
gJ 2 2 u ( r0 r ) 4
gJ 2 r C 4
u max
gJ 2 r0 4
v C Ri
广泛应用的形式v C RJ
Q vA CA RJ
v2 Q2 hf 2 l 2 2 l C R C A R
常用的谢才系数 C的经验公式为曼宁（ R。Manning) 公式
C
1 1 R6 n
l v2 8g 谢才公式与h f 的关系C 4R 2 g
5-6 流动的局部损失
亦可取反对数hf kvm
线段AB，层流，m 1(1 45 ); hf ~ v1
线段DE,紊流，m 1.75 ~ 2.0, hf ~ v1.75~2
5.1.2流态的判别-雷诺数
' vc (vc ) f (d , )
Re
vd
' c
, 是一纯数，称为雷诺数。
对于圆管，下临界雷诺数比较稳定，为2000
过水断面面积 A与湿周的比值，称为水力半径 R
对于圆管R A
A
d / 4 d r0 d 4 2