管道水头损失产生原因及计算
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：
公式中：hf-沿程水头损失 d —管道内径
6.35*16* n 2*Q 2* L
— 哈森一威廉斯公式:
L 一同一内径管道长度
Q —与L对应的流量N 一糙率
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--------- 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。
2g
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10% —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。
管径流量（ml3/s）流速水头损失（m/100m）
200m
140 2.100.67 120 1..680.50 100 1.300.34 80 1.000.22 120
流量管径（mm）流速水头损失
C —谢才系数：h f 1.13*109
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。
丨
参考文献：
【I】《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。
扬程水头损失计算
扬程水头损失计算
【最新版】
目录
1.扬程水头损失计算的概述
2.扬程水头损失计算的公式
3.扬程水头损失计算的实例
正文
扬程水头损失计算是水利工程中一个重要的环节。
在水利工程中，由于水流经过管道、阀门、泵等设备，会产生一定的阻力，这个阻力会导致水流的速度降低，也就是所谓的水头损失。
扬程水头损失计算就是为了计算这种水头损失的大小。
扬程水头损失计算的公式一般为：H=Σ(L/Q)^0.5*Q^2，其中 H 表示水头损失，L 表示管道的长度，Q 表示水流量。
这个公式是根据达西 - 威斯巴赫定律推导出来的。
举个例子，如果一条管道的长度为 100 米，水流量为 1 立方米/秒，那么通过公式计算，可以得出水头损失为 H=Σ(100/1)^0.5*1^2=1000.5 米。
需要注意的是，这个公式只适用于理想状态，实际情况中还需要考虑到其他因素，如水流温度、管道材质、水流压力等。
因此，实际操作中还需要对公式进行一定的修正。
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扬程水头损失计算
扬程水头损失计算
摘要：
1.扬程水头损失计算的概述
2.扬程水头损失计算的公式
3.扬程水头损失计算的实例
正文：
扬程水头损失计算是水利工程中一个重要的环节。
在水利工程中，由于水流经过管道、渠道等物体时，会因为摩擦、弯曲、起伏等原因而产生能量损失，这种能量损失被称为扬程水头损失。
计算扬程水头损失，可以为水利工程的设计、运行和管理提供重要的参考数据。
扬程水头损失计算的公式一般为：H=K*L*(Q^1.85)/(g*R^2)，其中H 表示扬程水头损失，K 表示摩擦系数，L 表示管道或渠道的长度，Q 表示水流量，g 表示重力加速度，R 表示管道或渠道的半径。
例如，假设一条管道的长度为100 米，半径为0.5 米，水流量为1 立方米/秒，重力加速度为9.8 米/秒^2，摩擦系数为0.02。
根据上述公式，可以计算出该管道的扬程水头损失为：
H=0.02*100*(1^1.85)/(9.8*(0.5)^2)=0.02*100*1.85/4.9=0.0375 米。
扬程水头损失计算不仅可以用于管道或渠道，还可以用于其他形式的水流，如水库、河流等。
在这些情况下，计算公式可能会有所不同，但基本的原理是相同的。
第四章 水流型态与水头损失.
水力学
解：（1）先求弯管内的流速：
QV
A tA
水
A
100
0.28
0.052
4
1.43m s
Δh B
水力学
（2）再求沿程水头损失，由达西公式得：
hf
l 2
d 2g
0.0264 10 1.43 2 0.55m 0.05 2 9.8
1.雷诺实验
1883年英国科学家雷诺，通过实验发现液体 在流动中存在两种内部结构完全不同的流态： 层流和紊流。
（1）层流 当流速较小时，各流层质点互不混杂，
这种型态的流动叫层流。
水力学
（2）紊流 当流速较大时，各流层质点形成涡体
互相混掺，这种型态的流动叫做紊流。
水力学
同时发现，层流的沿程水头损失hf与流速一 次方成正比，紊流的hf与流速的1.75～2.0次方 成正比；在层流与紊流之间存在过渡区，hf与
2.83 3 0.0101
840.592000层流
水力学
五. 圆管层流运动和沿程水头损失
圆管层流运动可以应用牛顿内摩擦定律表达 式和均匀流内切应力表达式，通过积分求出过 水断面上的流速分布为抛物型分布。
J
u
4
r02 r 2
最大流速在管轴线处 u J r 2
max 4 0
（3）紊流过渡区 ：λ既与Re有关，也与Δ有 关，hf 1.75～2。0 。
七. 沿程水头损失经验公式
谢才公式
C RJ
水力学
C是反映边界对液体运动影响的综合系 数，称为舍齐系数，单位：m1/2/s 。
管道水头损失估算表
管道水头损失估算表是基于实验数据和理论分析而建立的，其中记录了不同参数下的水头损失数值。
通常，这些参数包括流速、管道直径、管材、管道长度、摩阻系数以及流体性质等。
通过查找表中对应的数值，可以计算出管道系统中的总水头损失。
对于给定的流体，管道水头损失与流速的平方成正比。
因此，流速水头损失是一个重要的因素。
在一个平稳直管道中，流速水头损失是通过Darcy-Weisbach公式计算的。
该公式表达式如下：h_f = f * (L/D) * (v^2/2g) 其中，h_f为单位长度的流速水头损失，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。
在实际应用中，可以根据具体的情况和需求，利用管道水头损失估算表来计算和预测管道系统中的水头损失。
同时，也可以通过实验和测量来获取更准确的数据和信息，以便更好地理解和掌握管道水头损失的情况。
建筑给水管道水头损失计算问题
建筑给水管道水头损失计算问题摘要在建筑给排水设计过程中，计算建筑内压力管道的水头损失非常重要。
目前我国建筑室内给水管道的水头损失一般按照海澄.威廉公式或者按照舍维列夫公式计算水头损失。
而《给水排水设计手册第一册》没有按照海澄.威廉公式计算水头损失计算表。
本文比较按照舍维列夫公式和海澄.威廉公式计算水头损失差别，并探讨不同用水管道选用不同公式计算水头损失的原因。
最后制定出按照海澄.威廉公式计算出水力计算表方便设计时使用。
关键词水头损失舍维列夫公式海澄.威廉公式水力计算表引言：建筑内压力给水管道主要有生活给水管道和消防给水管道。
按照《建筑给水排水设计规范》3.6.10规定给水管道的沿程水头损失采用海澄.威廉公式；而按照《自动喷水灭火系统设计规范》9.2.2规定，自动喷洒管道采用舍维列夫公式计算水头损失。
在建筑给排水设计中，管道的水头损失的计算直接影响到选择水泵、减压阀的设置与选用、喷头及管道的实际流量等多项内容。
因此了解澄.威廉公式和者按照舍维列夫公式不同和生活给水管道和消防给水管道选用不同公式计算水头损失的原因，对于建筑给排水设计人员相当重要。
自动喷洒灭火管道的沿程水头损失计算：自动喷洒管道的管材多采用镀锌钢管。
按照《自动喷水灭火系统设计规范》中9.2.2规定，自动喷洒管道采用舍维列夫公式计算水头损失。
舍维列夫公式可以表示为：当u 1.2m/s的时候( 1.1)当u 1.2m/s的时,(1.2)根据自动《自动喷水灭火系统设计规范》表8.0.7选择自动喷洒管道管径，通过计算可以发现自动喷洒管道流速大于、部分管道流速甚至远大于1.2m/s。
自动喷洒管道计算水头损失时都采用公式1.2计算。
可以看出自动喷洒管道的水头损失和流量的平方成正比；和计算内径的5.3次方成反比。
《自动喷水灭火系统设计规范》条文说明中指出，各国计算管道水头损失的公式各不相同，而我国采用的公式计算出的水头损失最高。
据《美国工业防火手册》介绍：“经过实测，自动喷水系统管道在使用20~25年后，其水头损失接近实测值。
水流阻力和水头损失资料
V —管道中有效截面上的平均流速，m/s。
二、局部阻力与局部损失
在管道系统中通常装有阀门、弯管、变截面管等局部装置。流 体流经这些局部装置时流速将重新分布，流体质点与质点及与 局部装置之间发生碰撞、产生漩涡，使流体的流动受到阻碍， 由于这种阻碍是发生在局部的急变流动区段，所以称为局部阻 力。流体为克服局部阻力所损失的能量，称为局部损失。
主要内容：
水头损失的物理概念及其分类 沿程水头损失与切应力的关系 液体运动的两种流态 圆管中的层流运动及其沿程水头损失的计算 紊流特征 沿程阻力系数的变化规律
计算沿程水头损失的经验公式——谢才公式 局部水头损失
边界层的概念
水头损失的物理概念及其分类
产生损失的内因
物理性质—— 粘滞性和惯性
产生水 损耗机
态？
【解】 （1）雷诺数
Re Vd
V 4qV 4 0.01 1.27
d 2 3.14 0.12
（m/s）
Re
1.27 0.1 1106
1.27105
2300
故水在管道中是紊流状态。
（2）
Re
Vd
1.27 0.1 1.14 104
1114 2300
故油在管中是层流状态。
紊流形成过程的分析
——阻力速度
§4.3圆管层流的沿程阻力系数
质点运动特征（图示）：液体质点是分层有条不紊、互不混杂地运动着
切应力： dux
dr
流速分布（推演）：
ux
gJ 4
(r02 r 2 )
断面平均流速：V
udA
A
A
gJ 32
d2
1 2
umax
管道水头损失计算公式总结
管道水头损失计算公式管道的水头损失主要分为：沿程水头损失 f和局部水头损失 j两类。
某管道的总水头损失 w为各分段的沿程水头损失和沿程各种局部水头损失的总和。
1.沿程水头损失计算公式1.1达西——魏斯巴赫公式达西——魏斯巴赫（Darcy-Weisbach）公式：f=λLdv2 2g式中： f—沿程水头损失（m）;λ—沿程水头损失系数；L—管长（m）;d—管径（m）;v—管道水流速度（m/s）。
运用达西——魏斯巴赫（Darcy-Weisbach）公式，主要是确定沿程阻力系数λ，目前主要是一些经验公式：（1）根据尼古拉兹实验分区对沿程阻力系数λ进行计算①层流区层流区λ与相对粗糙度无关，只与雷诺数R e有关。
λ=64R e（R e<2000）②紊流水力光滑区紊流水力光滑区λ与相对粗糙度无关，只与雷诺数R e有关布拉休斯公式：λ=0.3164R e0.25（104<R e<105）普朗特—尼古拉兹公式（J.Nikuradse）：λ=2lg(R eλ)-0.8（105<R e<3ⅹ106）③紊流水力粗糙过度区紊流水力粗糙过度区λ与相对粗糙度kd和雷诺数R e都有关柯列布鲁克—怀特（Colebrook-White）公式:1λ−2lg(2.51R eλk3.71d)公式中：R e—雷诺数;k—管道当量粗糙度（mm）;d—管道直径一般适用于紊流光滑区、紊流过渡区和粗糙区，其适用范围较为宽泛、准确性高，④紊流水力粗糙区紊流水力粗糙过度区λ与雷诺数R e无关，只与相对粗糙度kd相关。
卡门(Karman)公式：1λ=−2lgk3.7d公式中：k—管道当量粗糙度（mm）;d—管道直径（2）齐恩（jain,A.k）公式齐恩（jain,A.k）公式一般用于紊流过渡区λ=1.14-2lg(kd+21.25R e0.9)（5000<R e<108）(3)哈兰德公式λ=−1.8lg[k3.7d1.11+6.8R e)(4)阿尔特舒尔公式λ=0.11（kd+68R e）0.251.2谢才公式谢才公式只有谢才系数C一个影响参数，一般能适用于不同的流态区。
流动阻力与水头损失教学课件
τ2 — 由脉动引起的紊流附加切应力
1
du dy
由Prantl的动量传递理论：
2
u
x' u
' y
对于紊流，τ2 τ1 ，则
2
u
x' u
' y
由Prantl的混合长度理论：
l 2 ( du )2
dy
—— 建立了脉动值与时均值的关系
四、圆管紊流的速度分布 l2(du )2 dy
【解】体积流量 Q G 0.0708m3 / s
平均流速 Q / A 1m / s
1）100C时的雷诺数
Re vd 120
2）400C时的雷诺数
Re vd 2000
hf
64 Re
l d
v2 2g
907.03m油柱
hf
64 Re
l d
v2 2g
54.42m油柱
对流体绕过球形物体：
Re k
vk d
1
d — 球形物直径
【例】水和油的运动黏度分别为 1 1.79 106 m2 / s 2 30 106 m2 / s 若它们以 v 0.5m / s 的流速在
直径为 d 100mm 的圆管中流动，试确定其流 动状态？
【解】对1－1，2－2列雷诺数方程
将均匀流基本方程代入达西公式，得
0
8
v 2
8 0 v 2
圆管中的层流运动
一、圆管层流速度分布
由均匀流基本方程τ0=ρgr0J/2， J＝hf/l，hf为沿程l的水头损失
水头损失的计算
2 v1 h m = 7 . 69 2g Q = 0 . 049 m 3 / s
第四节 沿程水头损失
3、谢才系数 的公式有： 谢才系数C的公式有： 谢才系数 的公式有 （1）曼宁公式，为
1 1/ 6 C= R n
式中n是粗糙系数，简称糙率。它是反映边界形状和 粗糙度对液体运动影响的综合系数，是数百年工程实 践资料的总结。 1 y 计算谢才系数的曼宁公式只适用于紊流阻力平方区， R n 这使谢才公式一般只适用于紊流阻力平方区。 （2）巴浦洛夫斯基公式： C=
分析：全部阻力做功=水位高差
h m = Σh f + Σh m hm
2 2 L 1 v1 L2 v2 v1 v2 v2 2 = λ1 + λ2 + ζ 出口 + ζ 突扩 2 + ζ 进口 2 D1 2g D 2 2g 2g 2g 2g
第六节 局部水头损失 2、管道配件的局部水头损失 、
分析：全部阻力做功=水位高差
ρ Q （ v 2 - v 1）= pA 1 − PA 2 + γ A 2 ( z 1 − z 2 )
将 Q = A 2 v 2 代入，并除以
γA 2
v2 p1 p2 ( v 2 − v1 ) = (z1 + ) − (z 2 + ) g γ γ
第六节 局部水头损失
2 p1 p 2 v1 v2 − z2 − + h m = z1 + − 2 γ γ 2g 2g v2 p1 p2 ( v 2 − v1 ) = (z1 + ) − (z 2 + ) g γ γ v2 v1 v2 hm = ( v 2 − v1 ) + − g 2g 2g
水力坡度计算公式水头损失
水力坡度计算公式水头损失水力坡度是指水流在一定长度内的高度变化，它是水力学中非常重要的参数之一。
在水利工程中，我们经常需要计算水流在一定长度内的水头损失，以便合理设计水利工程，保证水流的稳定和有效利用。
本文将介绍水力坡度计算公式和水头损失的相关知识，希望能对相关领域的工程师和研究人员有所帮助。
水力坡度计算公式。
水力坡度是指单位长度内水位的变化，通常用Δh/L来表示，其中Δh是水流的高度变化，L是水流的长度。
水力坡度的计算公式为：S = Δh/L。
其中，S表示水力坡度，单位为米/米。
在实际工程中，通常需要根据具体情况来计算水力坡度，以便合理设计水利工程。
水头损失。
水头损失是指水流在流动过程中由于各种因素导致的水位降低，是水力学中一个重要的概念。
水头损失通常包括摩擦损失、局部阻力损失和其他附加损失等。
摩擦损失是水流在管道或河道中流动时，由于水流与管道或河床之间的摩擦力而导致的水位降低。
摩擦损失与水流的流速、管道或河床的粗糙度等因素有关，通常可以根据经验公式或实验数据来计算。
局部阻力损失是指水流在流经管道弯头、突变、收缩等地方时由于流动的不均匀而导致的水位降低。
局部阻力损失通常需要根据具体的工程情况来计算，可以通过模型试验或数值模拟等方法来获得。
其他附加损失包括出流损失、入流损失等，这些损失通常是由于水流与空气接触、水流与水体接触等因素导致的水位降低。
这些附加损失通常需要根据具体情况来计算，可以通过实验或经验公式来获得。
水头损失的计算。
水头损失的计算通常需要考虑各种因素的综合影响，根据具体情况来确定各种损失的大小。
在实际工程中，通常可以通过以下步骤来计算水头损失：1. 确定水流的流速和流量。
水流的流速和流量是计算水头损失的基础，通常可以通过实验或测量来获得。
2. 确定水流的摩擦损失。
摩擦损失通常可以通过经验公式或实验数据来计算，根据水流的流速、管道或河床的粗糙度等因素来确定摩擦损失的大小。
3. 确定水流的局部阻力损失。