输水管道沿程水头损失水力计算软件开发

输水管道沿程水头损失水力计算软件开

发

摘要：在油田注水管道、输水管道的设计中，精确计算管道的沿程水头损失，是合

理确定管道直径、壁厚以及泵的扬程的基础。精确的计算水头损失同样是流体力学理论研究

的重要组成部分。在理论计算及工程设计计算过程中，因管道内流体流动状态的不同，沿程

水头损失计算十分繁琐。本文利用Visual Basic语言编写了一款可以进行输水管道沿程水

头损失水力计算的软件，用于选取、校核管径与泵的参数等，辅助油田水管道设计。

关键词：输水管道设计；沿程水头损失；水力计算；沿程摩阻系数

0 引言

油气田水管道建设是油气田地面工程建设的重要组成部分。水管道工程投资

较大，一般占水系统投资的70%-80%。对水管道进行水力计算，合理确定合适的

管道直径、壁厚以及泵的扬程，具有重要的意义。水管道的水力计算包括沿程水

头损失计算和局部水头损失计算，而局部水头损失一般按照沿程水头损失的5%-10%考虑，因此分析计算沿程水头损失成为水管道设计的重点。因流体流态的不同，用于水力计算的公式繁琐，手工计算耗时耗力，出错率较高，工程查图法受

视觉误差影响，限制了计算精度。

本文针对上述问题，利用Visual Basic语言编写了一款输水管道沿程水头

损失水力计算软件。使用者只需在软件界面输入基本参数，即可快速计算出结果，准确高效。

1 理论基础

在平直管道内流体流过时的阻力称为沿程阻力。沿程阻力的大小可用

Darcy-Weisbach公式表示:

（1.1）

式中: 为沿程摩阻损失（又称沿程水头损失）；为沿程摩阻系数( 达西

摩阻系数)；为管道长度；d为管道直径；v 为断面平均流速；g 为重力加速度。从式（1.1）重可以看出，求解沿程水头损失的重点在于，求解沿程摩阻系数。通过大量实验得知：是雷诺数Re与当量相对粗糙度的函数。工程上可以根据

管道流动的雷诺数Re和相对当量粗糙度 ,查莫迪(L.F.Moody)图得出。

雷诺数Re为无量纲数，其表达式为：

（1.2）

其中为动力粘度，水的动力粘度可根据下式计算：

（1.3）

——温度，℃。

莫迪图上可分为五个区，各区的分界判别式及计算公式如下；

（1）层流区:Re≤2000,

（1.4）

（2）过渡区:2000

（3）紊流光滑区:4000≤Re≤ Re1，此区中与无关,只是Re数的函数。可由下列经验公式计算:布拉修斯公式(H·Blasius)

（4000≤Re< 105）（1.5）

费洛年科一阿里特苏里公式

（Re＞4000）（1.6）

Re1——由水力光滑区向混合摩擦区过渡的临界雷诺数

（4）混合摩擦区，Re1≤Re≤ Re2此区比较复杂，与Re、两者有关。计

算公式有：著名的柯列布洛克公式(C.F.Colebrook):

（1.7）

简单方便的阿里特苏里公式：

（1.8）

Re2——由混合摩擦区向粗糙区过渡的临界雷诺数

（1.9）

（5）紊流粗糙区：Re＞Re2，此区与Re数无关，只是的函数，此区可由尼

古拉兹公式计算

（1.10）

工程上，一般根据管道的Re数和值，先判断流体处于哪一个区，然后再采用适用于该区的公式计算或查图得出值。如果采用公式计算，则需要反复试算，如果采用查图法，则受到人为影响，其查图结果往往不精确。

2 算法的选取与简化

柯列布洛克公式,即(1.7)式,其优点是：国内、外公认它是第（4）区混合摩擦区最好的

计算公式,精度高,莫迪图就是根据它绘制的。其缺点是:右端包含,是的隐函数式,给计算

带来困难,如果在算机上任选初始值,反复运算,则耗费机时。阿里特苏里公式,即(1.8)式,其优点是显函数式,且计算较简便,其缺点是误差较大。根据以上分析,如果将两式联合使用,首先用(1.8)式作第一次计算,然后将其结果作为初值代入(1.7)式进行计算。这样,先发挥(1.8)式显函数和简便的优点,弥补(1.7)式的隐函数性质,再发挥(1.7)式精度高的优点,克服(1.8)式误差大的缺点,取长补短,这样,不需再反复计算,就可得到较满意的精度。除混合摩擦区以外的其他四个区，则分别采用对应的经验公式进行计算，这样所得到的结果最为精准。计算步骤如下；

3 软件开发

3.1 软件架构与界面

本软件构架包含有输入层、计算层与输出层，如图1所示。软件操作界面如图2所示。左侧为输入端、右侧为输出端。

图1 沿程水头损失水力计算软件构架

图2 沿程水头损失水力计算软件界面

3.2软件功能

本软件集合了油田地面水管线工程常用的无缝钢管、钢丝网骨架复合管、PE管3种管材，可一键式计算动力粘度、流速、雷诺数、沿程摩阻系数、沿程水头损失等参数，可用于确定泵的参数。

本软件通过多次迭代对柯列布洛克公式,即(1.7)式进行计算，通过控制步长，将计算结果精度控制在10-4数量级，充分满足油田水管线设计需要。

通过合理控制沿程水头损失，可校核管径选取是否合适。

4 结果验证

沿程摩阻系数是沿程水头损失求解的关键，工程中常采用查莫迪图的方法确定沿程摩阻系数。本文示例选取了工程中常用的无缝钢管，其绝对当量粗糙度为0.15mm，取管径为

1m，相对当量粗糙度=0.00015，利用该软件计算了沿程摩阻系数，绘制出与Re数的关系曲线如图3、图4所示，其整体走向与莫迪图基本一致。

图3 层流区沿程摩阻系数软件计算结果

图4 水力光滑区、混合摩擦区、水力粗糙区沿程摩阻系数软件计算结果

同时选取5个特征点，对比软件计算结果与查图结果，如表1所示。从表中可以看出，软件计算结果与查图结果基本一致。因查图有视觉误差，运用软件计算更能提高后续计算精度。计算出沿程摩阻系数，便可很容易的进行后续沿程水头损失计算，进而辅助管道设计。

表1 沿程摩阻系数软件计算结果与查图结果对比表