沿程水头损失计算
管道沿程水头损失计算附录
附录 A管道沿程水头损失计算说明1 海澄－威廉公式(A.1.1)适用于冷水和常温水管道，为《建筑给水排水设计规范》（ GB 50015－ 2003）推荐公式，该公式计算简便且对管材的适应较广，可以替代各有关标准和手册中根据不同管材和流态推导和采用的不同计算公式。
冷水和常温水管道也可采用流体力学基本公式（ A.2.3 ），但计算较复杂。
2自动喷水灭火系统管道《自动喷水灭火系统设计规范》（ GB 50084-2001 ）中采用以下公式2V（A.0.1 ）i＝0.0000107d j 1.3式中i ——每米管道的水头损失（MPa/m）；V ——管道内水的平均流速（m/s）；d j——管道的计算内径（m）。
基于以下因素，推荐采用海澄—威廉公式(A.1.1)替代上式进行自动喷水灭火系统的水力计算：1）《自动喷水灭火系统设计规范》采用公式（ A.0.1 ）的原因之一是与室内给水系统管道水力计算公式一致，但目前《建筑给排水设计规范》已经改为采用海澄－威廉公式。
2）式（ A.0.1 ）仅适用于镀锌钢管，海澄－威廉公式还适用于铜管、不锈钢管和涂覆其他防腐内衬的钢管。
3）英、美、日、德等国的自动喷水灭火系统规范均采用海澄－威廉公式。
4）《美国工业防火手册》介绍，经过实测，自动喷水灭火系统管道在使用20～ 25 年后，其水头损失接近采用海澄－威廉公式的设计值。
注：以上 4 点均来自《自动喷水灭火系统设计规范》（GB 50084-2001）条文说明。
5）由于海澄－威廉公式和公式（ A.0.1 ）计算结果有较大差距，而管件的局部阻力系数是一确定的数值，当采用不同的沿程阻力计算公式折算为当量长度时出现不同的数值；但《自动喷水灭火系统设计规范》提供的局部阻力当量长度表是按照海澄－威廉公式 C h＝ 120 时的折算数值编制的，与式（ A.0.1 ）配合使用有较大误差。
6）如采用公式（ A.0.1 ），系统阻力计算数值比实际数值大，水泵扬程选择过高，实际运行时水量过大不能保证在火灾延续时间内连续喷水，也是不利因素。
沿程水头损失公式
沿程水头损失公式
1 沿程水头损失公式
沿程水头损失是将流体从一个管道节点流出一个节点又流回管道
的损耗，它是一个无穷小的能量量，沿着管道流动时会损耗一部分能量。
在这种情况下，Bernoulli定律可以用来估计沿程水头损失，它可以简单地通过压差和流量估算沿程水头损失。
Bernoulli定律给出了一个简单的沿程水头损失计算公式：hL= f
q2/2g。
在这个公式中，hL表示沿程水头损失，f表示运动阻力形象，q表示流量，g表示重力加速度。
例如，一个典型的气体管道中有一个从3000kPa到5000kPa的压
力变化，假设流量是2.5m3/s，重力加速度是9.8m/s2，那么管道的沿
程水头损失可由如上公式计算出来：hL= f q2/2g = 0.67m/s。
从上面的例子中可以看出，沿程水头损失是通过管道的压差和流
量之间的关系来计算的。
在实际的工程设计当中，应该根据管道的尺寸，材料，流速等条件来确定正确的沿程水头损失数值，以确保其管
道系统性能之间的有效比较和分析。
以上是关于沿程水头损失的介绍，它是一种由流体所造成的能量
损失，可以用Bernoulli定律来估算损失的数值，需要结合实际情况
来准确估算该系统的沿程水头损失。
水力学 沿程水头损失演示实验
水力学 流体力学
课程教学实验指示书
沿程水头损失量测实验
原理简介
z 对于通过直径不变的圆管的恒定水流，沿程水头损失为：
hf
= (z1 +
p1 ρg
)
−
(
z
2
+
p2 ) = Δh ， ρg
即上下游量测断面的比压计读数差。沿程水头损失也常表达为：
hf
=λ
l d
v2 2g
，
的变化规律。
3. 根据紊流粗糙区的实验结果，计算实验管壁的粗糙系数n值及管壁当量粗糙ks值，并与莫
迪图比较。
实验步骤
1. 预习实验指示书，认真阅读实验目的要求、实验原理和注意事项。 2. 查阅用测压管量测压强和用体积法或三角堰法量测流量的原理和步骤。
沿程-2
3. 开启上下游阀门排气，检查下游阀门全关时，各个测压管水面是否处于同一水平面上。 如不平，则需排气调平。
z 粗糙系数 n 可按下列公式进行计算：
n=
λ
1
R6
，
8g
式中 R 为管道的水力半径，圆管的水力半径 R = d/4，该式适用于紊流粗糙区。
实验设备
本实验分别在直径不同的玻璃管、细铜管、粗铜管、粗铁管和人工加糙管中进行。由于 不同管道中流量和水头损失的数值差别很大，故采用不同的量测方法。各组可按照所选管道， 采用相应的设备及量测仪器。
注意事项
1. 实验时一定要待水流恒定后，才能量测数据。 2. 两个以上同学参加量测实验，读测压管高程、掌握阀门、测量流量的同学要相互配合。 3. 注意爱护秒表等仪器设备。 4. 实验结束后，将上游阀门关闭。
附：直角形三角薄壁堰流量公式
沿程水头损失计算
二、层流时沿程阻力系数λ的确定
液体在平直园管
内做匀速层流运
hf
动，如图：在1-2
截面间液体中分
R
τ dr
r
出一个半径为r的
1
2
L
液体柱，由于液 体作匀速运动，
τ
P1
P2
所以作用在柱体
上的合力为零（水平方向）。 作用在水平方向上只有表面力：
压力 切向力
在水平方向上: p1 r 2 p2 r 2 2 r l 0
由于局部液体的运动变化十分复杂，因此在计算时，
除少数特别的情况下可以用理论公式外，大多数的情况
下，我们一般采用实验的方法来确定公式的ξ值，局部
水头损失也可用下列公式计算：
hm
v2 2g
le d
v2 2g
le ——当量长度，即把局部阻力折算为直管的相当长度。
le
d
一、突然扩大的局部水头损失
由于截面突然扩
通用范围：n<0.02、R<0.5m的管道和小河渠。
2）巴甫洛夫斯基公式
C 1 R y 其中 y 2.5 n 0.13 0.75 R( n 0.10)
n
适用范围： 0.1m≤R≤3.0m 0.011≤n≤0.04
四、应用举例
例1：一直径d=300mm的钢管，当量粗糙度Δ=0.15mm， 输送20℃的清水，运动粘滞系数v=1.01×10-6m2/s， 已知流量Q=0.1m3/s，求在100m长的直管段内的沿程 水头损失。 解： 1）判断流态
L
LT 1 ML3 L1MT 1
L0M 0T 0
经大量实验证明，对水平圆直管内的液体流动：
Re≤2300
层流
2300< Re <4000
管道沿程水头损失三种计算方法
管道沿程水头损失三种计算方法管道沿程水头损失是指流体在管道中由于摩擦阻力和其他因素导致的能量损失。
在工程设计中，准确计算管道沿程水头损失十分重要。
下面将介绍三种常用的计算方法：Darcy-Weisbach法、Hazen-Williams法和Manning公式。
1. Darcy-Weisbach法：Darcy-Weisbach法是一种经验公式，被广泛用于计算流体在管道中的摩擦阻力。
根据该法，管道沿程水头损失可以通过以下公式计算：hf = f * (L/D) * (V^2/2g)其中，hf表示管道沿程水头损失，f为阻力系数，L为管道长度，D 为管道直径，V为流速，g为重力加速度。
阻力系数f可以通过Colebrook-White公式计算，但是该公式存在迭代过程，计算较为复杂。
因此，在实际工程中，一般使用基于Darcy-Weisbach法的Moody图或以f为参数的简化公式进行计算。
2. Hazen-Williams法：Hazen-Williams法是一种简化计算方法，适用于水力学设计中对于流速和水头损失的估算。
该方法假设水头损失仅与流速成线性关系，忽略了管道内的摩擦阻力。
根据该法，水头损失可以通过以下公式计算：hf = 10.67 * (Q/C)^1.852 * (L/D^4.87)其中，hf表示管道沿程水头损失，Q为流量，C为摩擦系数，L为管道长度，D为管道直径。
摩擦系数C是由管道材料和粗糙度等参数决定的，可以通过经验公式或实验数据查表获得。
Hazen-Williams法适用于流量变化较小的情况，具有计算简便的优点。
3. Manning公式：Manning公式是一种适用于自然河流和管道流动的方法，根据河床粗糙度和比水深等参数计算流体在河道或管道中的摩擦阻力。
hf = [(1.49/n^2) * (V^2/2g)] * (R^(4/3)) * (S^(1/2))其中，hf表示管道沿程水头损失，n为曼宁粗糙系数，V为流速，g 为重力加速度，R为水力半径，S为水力坡度。
沿程水头损失的计算公式
沿程水头损失的计算公式
沿程水头损失是指流体在管道或水流的流动过程中由于摩擦和
阻力而损失的能量，通常用公式来计算。
根据流体力学的原理，沿
程水头损失可以通过多种公式来计算，其中最常用的是达西-魏布劳
克公式和汉克-白厄公式。
达西-魏布劳克公式是最常用的计算沿程水头损失的公式之一，
其公式为，h_f = f (L/D) (V^2/2g)，其中h_f为沿程水头损失，f为摩阻系数，L为管道长度，D为管道直径，V为流速，g为重力
加速度。
另一个常用的计算沿程水头损失的公式是汉克-白厄公式，其公
式为，h_f = K (V^2/2g)，其中h_f为沿程水头损失，K为局部阻
力系数，V为流速，g为重力加速度。
除了上述两种常用的公式外，还有其他一些特定情况下用于计
算沿程水头损失的公式，比如弯头、节流装置等特殊构件的水头损
失公式。
需要特别注意的是，以上提到的公式中的参数需要根据具体情
况进行选择和计算，比如摩阻系数f需要根据流体的性质和管道的材质来确定，局部阻力系数K需要根据具体的管道构件来确定。
总的来说，计算沿程水头损失的公式是根据流体力学的基本原理和实际工程经验总结得出的，应根据具体情况选择合适的公式和参数进行计算。
管道沿程水头损失计算附录-A-C.doc
附录A 管道沿程水头损失计算说 明1 海澄－威廉公式(A.1.1)适用于冷水和常温水管道，为《建筑给水排水设计规范》（GB 50015－2003）推荐公式，该公式计算简便且对管材的适应较广，可以替代各有关标准和手册中根据不同管材和流态推导和采用的不同计算公式。
冷水和常温水管道也可采用流体力学基本公式（A.2.3），但计算较复杂。
2 自动喷水灭火系统管道《自动喷水灭火系统设计规范》（GB 50084-2001）中采用以下公式3.1j2d 0000107.0i V ＝ （A.0.1）式中 i ——每米管道的水头损失（MPa/m ）；V ——管道内水的平均流速（m/s ）； d j ——管道的计算内径（m ）。
基于以下因素，推荐采用海澄—威廉公式(A.1.1)替代上式进行自动喷水灭火系统的水力计算：1）《自动喷水灭火系统设计规范》采用公式（A.0.1）的原因之一是与室内给水系统管道水力计算公式一致，但目前《建筑给排水设计规范》已经改为采用海澄－威廉公式。
2）式（A.0.1）仅适用于镀锌钢管，海澄－威廉公式还适用于铜管、不锈钢管和涂覆其他防腐内衬的钢管。
3）英、美、日、德等国的自动喷水灭火系统规范均采用海澄－威廉公式。
4）《美国工业防火手册》介绍，经过实测，自动喷水灭火系统管道在使用20～25年后，其水头损失接近采用海澄－威廉公式的设计值。
注：以上4点均来自《自动喷水灭火系统设计规范》（GB 50084-2001）条文说明。
5）由于海澄－威廉公式和公式（A.0.1）计算结果有较大差距，而管件的局部阻力系数是一确定的数值，当采用不同的沿程阻力计算公式折算为当量长度时出现不同的数值；但《自动喷水灭火系统设计规范》提供的局部阻力当量长度表是按照海澄－威廉公式C h ＝120时的折算数值编制的，与式（A.0.1）配合使用有较大误差。
6）如采用公式（A.0.1），系统阻力计算数值比实际数值大，水泵扬程选择过高，实际运行时水量过大不能保证在火灾延续时间内连续喷水，也是不利因素。
管道沿程水头损失三种计算方法(自动计算)
常用管材的C值表
管道种类
C
玻璃钢管
160
管道的糙率n值表 管道种类
缸瓦管（带釉） 混凝土和钢筋混凝土管（雨水管）
n 0.013 0.013
塑料管
150
石棉水泥管
140
管、新（光滑）铸铁管
130
管、镀锌钢管、锦塑软管
120
半旧钢管、铸铁管
110
旧钢管、铸铁管、离心浇筑砼管 100
普通砼管
90
混凝土和钢筋混凝土管（污水管） 石棉水泥管 铸铁管 钢管 玻璃钢管
0.014 0.012 0.013 0.012 0.0084
塑料管 石棉水泥管 新钢管、新（光滑）铸铁管 铝合金管、镀锌钢管、锦塑软管 半旧钢管、铸铁管 使用多年的旧钢管、铸铁管、离心浇筑 普通砼管
管长 L
管径 d
沿程水 头 损失 hf
m mm m
m
1280 600 0.600
17.15
1280 600 0.600
16.72
1200 110 0.110
8.57
1.455*105 1.85 4.89 5.65*105 1.85 5.04 6.25*105 1.9 5.1 7.76n2*109 2.0 5.33 1.312*106 2.0 5.33 1.516*106 2.0 5.33 1.749*106 2.0 5.33 2.24*106 2.0 5.33
3 经验公式二(用) hf fLQm / d b
f、m、b值 表
1.77
4.77
94800
29.99 0.00833
f、m、b值表
管道种类
f
m
b
塑料硬管,玻璃钢管 铝管、铝合金管
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2、谢才公式 对于明渠中的紊流沿程水头损失，在工程计算
中常常采用谢才公式。
v c RJ
式中： C——谢才系数 R——水力半径 J——水力坡度
J=hf/l
也可采用
hf
l
v2
De 2g
De——当量直径
关于谢才系数C的确定 1) 曼宁公式
C
1
1
R6
n
式中：n——粗糙系数，可查附录2。P160
Re 0.25
2)、紊流过渡区间：
d
d
10
Re
1000
1 2 lg(
3.7d
2.51 )
Re
此式即为柯列勃洛克公式
3)、阻力平方区间： 4 Re 1000 d
1 2 lg
3.7d
上式所有的计算仅仅是针对圆管流动的情况而言，
而在实际工程中经常碰到液体在非圆管道中流动。下面 将讨论非圆管道的情况。
R2
d2
——(5)
对平直圆管定截面的液体流动：
hf
p
32l v d 2
32l v gd 2
64
vd
l d
v2 2g
l v2
d 2g
则上式即为达西公式
所以 64 ——层流时沿程阻力系数
Re
三、紊流时沿程阻力系数λ 的确定
（一）摩擦系数曲线图
内做匀速层流运
hf
动，如图：在1-2
截面间液体中分
R
τ dr
r
出一个半径为r的
1
2
L
液体柱，由于液 体作匀速运动，
τ
P1
P2
所以作用在柱体
上的合力为零（水平方向）。 作用在水平方向上只有表面力：
压力 切向力
在水平方向上: p1 r 2 p2 r 2 2 r l 0
水力半径的4倍称为当量直径。De=4R
例1：
对圆形管道，满流时
a
R r 2 r d De 4R d
⅓a
X 2r 2 4
a
对正方形截面（如图）：
管道充满时：
R a2 a 4a 4
De a
管道非充满时：
R
1 a2 3
a
a 21a 5
3
De 4 a 5
实际上尼古拉兹人工粗糙管的实验，不能直接用于 工业管道，但尼古拉兹实验从理论上揭示了在不同的区 间Re及Δ /d对λ 的影响规律。
2、工业管道实验曲线图
工业管道紊流三区间的划分及各区间λ 的计算。
1)、水力光滑区间： 4000 Re 10 d
1 2 lg 2.51
Re
0.3164
故10d/Δ<Re<1000d/Δ,在紊流过度区.
采用柯列勃洛克公式计算λ值
1 2 lg( 2.51 ) 2 lg(1.35 10 4 0.6 10 5 )
3.7d Re
采用迭代公式法（试算法），使等式两边相等， 解得近似值λ2=0.0178
3）计算沿程水头损失
将两边积分：
Q p R (R2 r 2 )rdr
2l 0
p 2l
R2
2
r2
r4 4
R 0
p R4
8l
——(4)
因为 v Q pR4 1 pR2 R 2 8l R 2 8l
p 8lv 32lv
光滑管线与虚线之间的部分： 在此区间 λ=f(Re、Δ/d) hf ∝ vn 1<n<2
⑤水力粗糙区间(又称阻力平方区)
虚线以上的部分： 此区间λ 与Re无关，只与Δ /d有关——λ =f(Δ /d)
由达西公式可看出：
hf
l 2
d 2g
Kv2
所以此区又称阻力平方区。
关于Δ 值可查p56表4-1得到。
V 4Q 4 0.1 1.415m / s
d 2 0.32
hf
1
l d
v2 2g
0.018 100 1.415 2 0.3 2 9.8
0.613m
hf
2
l d
v2 2g
0.0178 100 1.415 2 0.3 29.8
因此，由以上分析，可得：
hf
L v2 d 2g
f Re,
d
令 f (Re， ) ——沿程阻力系数
d
所以
hf
L v2
d 2g
——达西公式
由达西公式可看出，要确定沿程水头损失，关键
任务在于确定沿程阻力系数λ 。
二、层流时沿程阻力系数λ 的确定
液体在平直园管
Re
vd
4Qd
d 2
4 0.1 0.31.01106
4.2105
0.15 0.0005 d 300
2）据Re、Δ/d确定λ
a.查P57图4-8得λ1=0.018 b.用公式计算
1000d/Δ=1000×300/0.15=2×106 10d/Δ=10×300/0.15=2×104
②过渡区间 2300 Re 4000
λ 的值极不稳定
③水力光滑区间
8
4000
Re
26.98
d
7
光滑管线附近，此区间层流边界层厚度δ 仍大
于绝对粗糙度Δ ，称为水力光滑管。因此λ 只与Re
有关，与Δ /d无关，λ =f(Re). hf ∝ vn 1<n<2
④水力光滑管到水力粗糙管的过渡区
p1 p2 r p r
2l
2l
——①
1
r
p1
ro
v
2
0
p2
1
0
2
由上图可以看出：
r 0处， 0
r R处， P R 最大
2l
r与成线性关系
由牛顿粘性定律 du 得
dy
du ——②
dr
负号表示r↑→u↓，而τ 为正
0.606 m
由上可以看出两种方法计算的沿程水头损失 基本相等。
例2：一混凝土衬砌的梯形渠道,底宽b=10m，水深h=3m， 边坡系数m=1.0，粗糙系数n=0.014，断面平均流速 v=1m/s,求作均匀流时的水力坡度J，以及在100米渠道 中的水头损失。
mh
m h
1 b
解： 1）求水力半径R
r0 15 r0 15 r0 15 r0 15 r0 15 r0 15
lgRe
Lg（100λ）
观察上图， λ 与Re、Δ /d的关系可分为几个区说明：
①层流区间 Re 2300
λ 只与Re有关，与Δ /d无关。为一直线，理论
与实验相符。hf kv
2）求水力坡度J（根据谢才公式）
J1
v2 c2R
12 80.912 2.11
7.24
10 5
J2
v2 c2R
12 79.62 2.11
7484
10 5
3）求水头损失 hf J L
hf1 J1 L 7.24 10 5 100 7.24 10 3 m hf2 J2 L 7.48 10 5 100 7.48 10 3 m
液体在流动过程中为克服局部地段阻力而 消耗的机械能，称为局部水头损失。
如上页图中的转弯，收缩，阀门等
液体流动过程中总水头损失等于各部分沿程 水头损失和局部水头损失的代数和。 即：
hw hf hm
§4-2 液体运动的两种形态
一、雷诺实验 如右图所示，
通过控制阀门的开 启程度，可以得到 不同的流动状态， 分别为：
如果液体流经定截面的管道，则前后两截
面上的速度压头均不改变，既（v=c），则几 何压头的变化及静压头的变化就相当于沿程水 头损失，即：
hf
(z1
p1
)
(z2
p2 )
一、公式的确定
根据理论分析和实验证明：hf与下列因素有关。
hf f (l, v, d , , , ) ——管壁粗糙度，管壁凸凹不平处的平均凸起高度。
具体分析：
1、阻力大小与流态有关。 Re dv
2、 L↑→hf↑ 、d↑→hf↓ 实验表明：hf ∝ L/d
3、同样粗糙度的管道，直径小，Δ 影响大，直径大， Δ 影响小，因此粗糙度的影响通过Δ /d反映出来。
hf ∝ Δ /d ——相对粗糙度
4、实验表明：阻力与动压头成正比 hf ∝v2/2g
(三)、λ 值的经验公式
1、舍维列夫公式
推导依据：
运动粘度
当 一定时,在一定范围内： f d,
在阻力平方区内： f d
1 ）当v<1.2m/s时
0.0179 (1 0.867)0.3
d 0.3
v
2）当v≥1.2m/s时
0.021
d 0.3
此式适用范围为过渡区及阻力平方区，d为管子的内径。
/ s)
②若用巴甫洛夫斯基公式
y 2.5 n 0.13 0.75 R ( n 0.10)
2.5 0.014 0.13 0.75 2.11( 0.014 0.1)