大口径有压玻璃钢管当量粗糙度取值精选文档Word文件下载.docx

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，JiEnformulaand

hydrauliccalculations.Onthebasis

Haalandformulawereusedtocalculatetheheadlossofsmalltroughinvertedsiphonwithdifferentequivalentroughnessvaluesundereachworkingcondition.Thecalculationresultswerecomparedwiththemeasureddata，

whichsuggestedthattheflowregimeinthepressureFRP

pipewithlargediameterisusuallyintheturbulenttransitionzone，andtheequivalentroughnessisabout0.005to0.01mmforthepressureFRPpipewithlargediameter.

近十几年里，玻璃钢管作为一种新型管材，凭借质量轻、耐腐蚀、抗压性能高、水力特性好等诸多优势在管道领域异军突起，现已被广泛地运用到国内外输水工程中，其中规模较大的有新疆小洼槽倒虹吸工程、香港供水工程、石家庄引水改善环境工程、沙特YANBl工业城、黎巴嫩YASYIKO詹。

在工程实践中，许多

工程师以及学者们针对玻璃钢管的材质、抗压性能、施工技术等相关特性及方法作了大量研究和改进，却鲜有关于玻璃钢管水力

特性问题的研究。

直接影响着工程规模和效益，尤其对于大型输配水工程，在工程设计中对水头损失精度要求相当严格。

若当量粗糙度取值偏小，工程将无法达到设计过流能力；

若取值偏大，将会增加工程投资。

因此，确定合理的当量粗糙度取值至关重要。

本文以国内最大规模玻璃钢倒虹吸工程―新疆小洼槽倒虹吸为研究对象，针对大口径有压玻璃钢管当量粗糙度取值问题进行了研究，以便为后续同类管材工程设计提供借鉴。

1大口径玻璃钢管水流特性分析

1.1管道水流流态判别

在国内管道水力设计中，通常选取糙率和谢才公式计算沿程阻力系数；

国际上，以法国规范为例，一般选用管道当量粗糙度和柯尔布鲁克公式[1]。

谢才公式

入=8gC2=8gn2R1/3

柯尔布鲁克公式

1入=-21gk3.71d+2.51Re入

2）

式中：

入为沿程阻力系数；

n为管道糙率；

R为水力半径（m；

k为管道当量粗糙度（mm；

d为管径（mm；

Re为雷诺数。

谢才公式简单便于计算，但前提是必须保证管道水流流态处

于紊流粗糙区；

而柯尔布鲁克公式范围更加宽泛，适用于整个紊域，最为常见的流态是紊流粗糙区和紊流过渡区。

由于国内常见的输水管道为混凝土管和钢管，这两种管道如果未加特殊处理

涂层等），其管道水流往往处于紊流粗糙区，这也是谢才公式在国内广泛运用的主要原因。

但是玻璃钢管作为新型管材，内壁光滑，水流流态并非传统认为的紊流粗糙区。

判别流态最常用的方法，根据雷诺数Re和相对粗糙度（k/D），查寻莫迪图，确定流区。

故本文计算了管径D=1〜4m不同流量（Q=5^20m3/s）下的雷诺数Re和相对粗糙度（k/D），并依次判断水流流态，现

将部分结果汇总于表1。

由于玻璃钢管当量粗糙度经验值为001mm考虑该值存在变化范围，因此本文初步将当量粗糙度取值范

围定为0005〜005mm表1中当量粗糙度取值k1=0005mmk2=005mm若雷诺数Re一定，管道相对粗糙度为k1/D和k2/D时，水

流流态同时满足紊流过渡区，那么k/D（kKkwk2）时，水流

流态一定处于紊流过渡区。

，Dj（j=1，2，3，4）表示玻璃钢管不同管径D1=1m、

D2=2m、D3=3m、D4=4m，Rej表示管径Dj对应的雷诺数。

以管径D1=1m,相对粗糙度k1/D1=50X10-6和k2/D1=50X10-5

为例；

流量Q为5〜20m3/s时，管道水流雷诺数Rej在48X106〜

20X107范围内。

根据莫迪图查得，当k1/D1=50X10-6，k2/D1

为50X10-5时，雷诺数Re分别在12X106〜10X108和45X105〜37X107该区间范围内，水流流态为紊流过渡区。

由此判断，管径D1=1m内的水流在一般工况下属于紊流过渡区。

通过表1，可以得到ki/Dj（j=2，3，4）一般工况下对应的雷诺

数Rej（j=2，3，4）范围为：

24X106〜95X106，22X106〜870X106，12X106〜50X106。

根据莫迪图，判别得出管径D=14m的水流流态在一般工况下处于紊流过渡区。

这也同时说明了糙率和谢才公式不适用于大口径有压玻璃钢管水力计算。

表1大口径有压玻璃钢管水力要素计算

Tab.1CalculationanalysisofthehydraulicfactorsofpressureFRPwithlargediameter

1.2管道水力计算公式介绍

管道水流处于紊流过渡区时，沿程水头损失系数的计算公式包括柯尔布鲁克公式、阿尔特舒尔公式、齐恩公式、哈兰德公式等。

阿尔特舒尔公式

=0.11kd+68Re0.25

齐恩公式

1入=1.14-2lgkd+21.25Re0.9

4）

哈兰德公式

1入=-1.8lgk3.7d1.11+6.8Re

k为管道当量粗糙度（mm；

d

为管径（mm；

阿尔特舒尔公式是由前苏联学者阿尔特舒尔于1950年提出，由于历史原因，该式很长一段时间流行于国内石油储运界。

部分水利学者在当量粗糙度研究中借鉴该式，例如田世炀等所著

，正是利用

的《预应力钢筋混凝土管输水阻力测试分析》[2]中阿尔特舒尔公式计算确定PCCP管道当量粗糙度。

但该公式具有

一定适用范围，蒲家宁等所著的《阿尔特舒尔摩阻因数公式应割

齐恩公式为柯尔布鲁克公式的简化式，适用范围为

106Wk/Dw0.01,5000WRe<

108[4]。

哈兰德公式由柯尔布鲁克光滑管公式和尼古拉兹粗糙管公

式组合而成[3]。

在蒲家宁所著的《紊流混摩区十一个显式摩阻

力系数精度和速度两方面具有明显优势。

2大口径玻璃钢管当量粗糙度计算

2.1研究方法介绍

目前，国内关于管道当量粗糙度研究方法，大致分为两种：

第一种方法，通过水力学管道试验，测量不同工况下流量、水头差等数据，并利用相应公式计算出管道的当量粗糙度，这种方法以天津大学和天津市XX局在天津市东丽区新地河泵站进行的

PCCPE俞水阻力测试为代表；

第二种，采用表面形貌仪等仪器设

备测量管道绝对粗糙度，再根据绝对粗糙度与当量粗糙度之间转化关系，最终确定当量粗糙度取值范围，这种方法以郑双凌等人

《预应力钢筒混凝土管（PCCP的阻力系数与粗糙度研究》⑹为代表。

由于受实验条件制约，第一种方法适用于直径小、内壁较粗糙的管道，对于大口径玻璃钢管并不适用。

而第二种方法的关键问题是能否保证绝对粗糙度与当量粗糙度转化关系的合理性及准确性。

在比较上述两种方法优劣的基础上，又考虑到玻璃钢管内壁光滑，短距离管道试验水头损失小，导致误差相对较高；

再者实

验室内场地、供水设备等条件无法满足大口径玻璃钢管水力实验。

所以，本文通过对小洼槽倒虹吸工程原型观测，获取多组工况数据，并采用不同当量粗糙度（k取值范围为0005〜0050mm

计算的方法，确定大口径玻璃钢管当量粗糙度k的取值范围，具

体做法如下。

1）针对每一个k值，利用齐恩公式、哈兰德公式确定不

同流量情况下相应的沿程阻力系数，再结合达西威斯巴赫公式，计算得到沿程水头损失值；

沿程水头损失与局部水头损失之和，即总水头损失值为

H=hf+hj

7）

其中，局部水头损失为

hj=Zv22g

H为总水头损失值（m；

hf为沿程水头损失（m）;

hj为局部水头损失（m；

Z为局部阻力系数；

v为水流流速（m/s）。

试算-H实测H实测X100%

e为总水头损失试算值与实测水头损失值之间误差

（%；

H试算，H实测分别为总水头损失试算值（m，实测水

头损失值（m）。

根据

（1）中计算水头损失值与实测水头损失值作比较

分析。

在（3）、（4）的基础上，得到当量粗糙度的取值范

围。

2.2比较分析与误差分析

表2是按照

（1）、

（2）步骤计算的小洼槽倒虹吸当量粗糙

度k=005mm时的部分工况计算结果及实测数据。

Q为流量；

入i

哈兰德公式。

表2

中Q=8000m3/s时，齐恩公式和哈兰德公式计算结果与实测数据误差分别1554%和0503%；

但Q=17260m3/s时，两者与实测值误差可以达到11747%和10613%，这说明k=005mm

时，各工况条件下的计算结果波动较大。

表2新疆小洼槽倒虹吸当量粗糙度试算分析（k=005mm）

Tab.2CalculationanalysisoftheequivalentroughnessofthesmalltroughinvertedsiphoninXinjiang（k=0.05mm）

由于表2只是一个当量粗糙度（k=005mm取值情况下的部

分工况计算结果；

当量粗糙度取值在0005〜005mm之间，而每

一个当量粗糙度对应有18组工况需要进行计算，数据相当繁杂，

不便于分析。

因此，本文选取k=0005