局部水头损失计算

通过对自动喷水灭火系统局部水头损失计算方法及舍维列夫公式与海曾-威廉公式之间差别的分析,提出需对《自动喷水灭火系统设计规范》( GB50084 - 2001)中的管件当量长度进行修正的观点,并推得适用于舍维列夫公式的各种管径管件的当量长度。

关键词局部水头损失当量长度喷头工作压力舍维列夫公式海曾-威廉公式修正系数水力计算是自动喷水灭火系统设计中的一项重要内容。

水力计算结果将直接影响系统的可靠性、合理性、经济性,而合理的水力计算方法是水力计算结果正确的基础。

在局部水头损失计算方法方面《自动喷水灭火系统设计规范》( GB50084 - 2001)(以下简称“新规范”) 较《自动喷水灭火系统设计规范》( GBJ 84 - 85) (以下简称“旧规范”) 作了较大的改动。

笔者结合工程实例对两本规范局部水头损失的计算进行分析和探讨。

1 局部水头损失计算方法分析在“新规范”颁布实施前,对自动喷水灭火系统局部水头损失的计算国内现行设计手册及教材普遍采用估算的方法。

即系统的局部水头损失仅在管道水力计算结束时取沿程水头损失的20 %。

这种计算方法不足之处在于:首先,20 %的取值忽略了每个工程管网布置、配置的特殊性,误差较大;其次,在管道水力计算时忽略了局部水头损失对喷头的喷水压力影响,进而影响系统的设计流量、管道的水头损失或系统所需的扬程。

由于估算法存在较大的误差,在局部水头损失的计算方法上“新规范”摒弃了“旧规范”中估算的方法。

“新规范”第9.2.3 条明确规定:“管道的局部水头损失,宜采用当量长度法计算。

当量长度表见规范附录C”。

当量长度法的采用既为简化局部水头损失的计算创造了条件,同时也间接确定了将局部水头损失的计算纳入到沿程水头损失的计算中,所以在计算作用面积内各喷头节点流量时,也就同时考虑了沿程水头损失和局部水头损失对各喷头节点的喷水压力影响。

由此可见,在局部水头损失计算方面“新规范”弥补了“旧规范”的不足。

管道水头损失计算
沿程和局部水头损失之和为总水头损失：
hw=hf+hj （3）
式中：
hw—管道的总水头损失，m hf —管道沿程水头损
失，m；
hj —管道局部水头损失，m.
UPVC管材的沿程水头损失计算常采用谢才公式:
hf= （L/c2R）v2（4）
式中:
L—管道的长度，m
c—谢才系数；
R—管道的水力半径，m.
局部水头损失计算公式为:
hj= & （v2/2g ）（5）
式中:
& —管道局部阻力系数；
g—重力加速度，9.81m/s2.
<<室外给水设计规范>>给的
hf=hl+hj=iL（1+10%）
式中：hf ——水头损失（m）
hl ——沿程水头损失（m）
hj ——局部水头损失（m）；一般hj=5-10%hl
L――管道长度（m）
i ——水力坡度：
聚乙（丙）烯给水管
i=0.000915 X（QX.774/d 计人4.774 ）;
钢管给水管
i=0.000912 X v A2 （1+0.867/v ）A0.3/d 计A1.3 （v<1.2m⑸
i=0.0 00107X vA2/d 计A1.3 （v>=1.2m/s）
式中：v ---------------------------- 管内流速（m/s）
d计一一水管计算内径（m）
管道糙率经验值
铸铁管一般0.014，钢管0.012 , upvc 管0.009 , RPR管0.0084，水泥管0.013 0.015。

新规范
根据设计手册的
阀门的局部水头损失可如下估算
消防系统常用阀门为闸阀和蝶阀，全开时局部阻力系数均为0.1~0.3
消防管道最大允许流速为2.5m/s
消防管道每5个消火栓设一个分段阀，按20个计（可控制100个消火栓）
20个分段阀的总局部水头损失为0.64m~1.91m
2014年7月4日之前的计算中，给予了管线阀门损失5m，不恰当。

经过计算，只有在40L/s消防用水量的情况下，150干管才会超过2.5m/s
一般20L的情况，流速只有不到1.2m/s,对应的20个阀门局部水头损失为0.15m~0.44m 一般30L的情况，流速只有不到1.8m/s,对应的20个阀门局部水头损失为0.33m~0.99m
结论：
一般情况下，消火栓管线阀门水头损失可以取1m
大流量情况下（大于30L），消火栓管线阀门水头损失取2m
之前计算取5m欠妥当。

水泵局部损失：
20L对应的泵的入口管径为80,40L对应100，经过计算局部水头损失为一般不超过2m，所以定泵站内损失为3m是比较合适的，但不应表述为吸水管1m，压水管2m，应整体表述为3m，其中富余量作为安全水头。

关于水头损失计算的整合与研究摘要:在世纪液体恒定总流量方程式中的hw，表示液体在流动过程中单位重量液体克服阻力做功所消耗的机械能，称之为水头损失(Loss head)或能量损失，它是液流机械能损耗的基本度量指标。

造成水头损失的外因是：影响相对运动与水流阻力强度的固体边界状况;水头损失内因是：相对运动与摩擦阻力的水流粘滞性，也是根本原因。

产生水头损失的方式是：液体与固体边壁之间、液层与液层之间或液体质点之间的摩擦、碰撞和混掺。

关键词:水头损失计算一：概念分析1：沿程水头损失：克服沿程阻力做功而引起的水头损失。

局部水头损失：水流克服局部阻力做功引起的水头损失。

2：水流阻力与水头损失水流阻力和水头损失是两个不同而又相关联的重要概念，确定它们的性质、大小和变化规律在工程实践中有十分重要的意义。

（l）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。

（2）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。

（3）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引起的水头损失称为局部水头损失，用hj表示。

（4）对于在某个流程上运动的液体，它的总水头损失hw遵循叠加原理即：hw＝∑ hf＋∑hj（4－l）（5）为了反映过流断面面积和湿周对水流阻力和水头损失的综合影响，引入水力半径的概念，即：R＝A／c（4－2）水力半径是水力学中应用广泛的重要水力要素。

3：层流和紊流1883年雷诺通过实验发现：流速不同时水流流动形态不同。

当流速较小时，液体质点作有条不紊、互不混掺的运动，这种流动形态称为层流；当流速较大时，质点运动轨迹曲折杂乱，各流层的质点互相混掺，形成大量大小不一的涡体，这种流动形态称为紊流；紊流中各处的流速、压强等运动要素值均随时间作不规则变化的现象称为紊流脉动。

新规范
根据设计手册的
阀门的局部水头损失可如下估算
消防系统常用阀门为闸阀和蝶阀，全开时局部阻力系数均为0.1~0.3
消防管道最大允许流速为2.5m/s
消防管道每5个消火栓设一个分段阀，按20个计（可控制100个消火栓）
20个分段阀的总局部水头损失为0.64m~1.91m
2014年7月4日之前的计算中，给予了管线阀门损失5m，不恰当。

经过计算，只有在40L/s消防用水量的情况下，150干管才会超过2.5m/s
一般20L的情况，流速只有不到1.2m/s,对应的20个阀门局部水头损失为0.15m~0.44m 一般30L的情况，流速只有不到1.8m/s,对应的20个阀门局部水头损失为0.33m~0.99m
结论：
一般情况下，消火栓管线阀门水头损失可以取1m
大流量情况下（大于30L），消火栓管线阀门水头损失取2m
之前计算取5m欠妥当。

水泵局部损失：
20L对应的泵的入口管径为80,40L对应100，经过计算局部水头损失为一般不超过2m，所以定泵站内损失为3m是比较合适的，但不应表述为吸水管1m，压水管2m，应整体表述为3m，其中富余量作为安全水头。

第三章 液流形态和水头损失考点一 沿程水头损失、局部水头损失及其计算公式1、沿程水头损失和局部水头损失计算公式（1）水头损失的物理概念定义：实际液体运动过程中，相邻液层之间存在相对运动。

由于粘性的作用，相邻流层之间就存在内摩擦力。

液体运动过程中，要克服这种摩擦阻力就要做功，做功就要消耗一部分液流的机械能，转化为热能而散失。

这部分转化为热能而散失的机械能就是水头损失。

分类：液流边界状况的不同，将水头损失分为沿程水头损失和局部水头损失。

（2）沿程水头损失：在固体边界平直的水道中，单位重量的液体自一个断面流至另一个断面损失的机械能就叫做该两个断面之间的水头损失，这种水头损失是沿程都有并随沿程长度增加而增加的，所以称作沿程水头损失，常用h f 表示。

沿程水头损失的计算公式为达西公式对于圆管 gv d L h f 22λ= 对于非圆管 gv R L h f 242λ= 式中，λ为沿程阻力系数，其值与液流的流动形态和管壁的相对粗糙度d /∆有关，其中∆称为管壁的绝对粗糙度，)(Re,df ∆=λ； L 为管长；d 为管径；v 为管道的断面平均流速；R 为水力半径； v 为断面平均流速。

（3）局部水头损失：当液体运动时，由于局部边界形状和大小的改变，液体产生漩涡，或流线急剧变化，液体在一个局部范围之内产生了较大的能量损失，这种能量损失称作局部水头损失，常用h j 表示。

局部水头损失的计算公式为 gv h j 22ζ= 式中，ζ为局部阻力系数；其余符号同前。

（4）总水头损失对于某一液流系统，其全部水头损失h w 等于各流段沿程水头损失与局部水头损失之和，即 ∑∑+=ji fi w h h h2、湿周、水力半径（1）湿周χ：液流过水断面与固体边界接触的周界线，是过水断面的重要的水力要素之一。

其值越大，对水流的阻力和水头损失越大。

（2）水力半径R : 过水断面面积与湿周的比值，即 χAR =单靠过水断面面积或湿周，都不足以表明断面几何形状和大小对水流水头损失的影响。

一、有压隧洞的水力计算1、沿程水头损失：h f =Lv²/(C²R)=λLv²/(d2g)=Ln²Q²/(F²R^4/3)R=A/χi上游调压室的设置条件λ=8g/C²C=R^(1/6)/n2、局部水头损失：hj=ζv²/(2g)3、有压隧洞的基本计算公式：①自由出流：Q=μω√(2g(T 0-h p ))式中，Tw—压力水道中水流惯性h p =0.5a+p ′/γLi—压力水道及蜗壳和压②淹没出流：Q=μω√(2g(T 0-h s ))vi—压力水道内各分段流 Hp—水轮机设计水头，m 4、①自由出流：μ=1/(1+∑ζj *(ω/ωj )^2+∑2gl i *(ω/ωi )^2/(C i ²*R i ))^0.5； [Tw]—Tw 的允许值，一般②淹没出流：μ=1/((ω/ω2)^2+∑ζj *(ω/ωj )^2+∑2gli*(ω/ωi)^2/(C i ²*R i ))^0.5,式中：ω2—隧洞出口下游渠道断面面积 ω—隧洞出口断面面积 ζj —几部水头损失系数ωj —与 ζj 相应流速之断面面积L i 、ωi 、R i 、C i —某均匀洞段之长度、面积、水力半径、谢才系数压力钢管经济直径D=1.128(Q/v e )^0.5= 或 压力钢管经济直径D=(5.2*Q max ^[]w w T T ＞iw i pL vT gH =∑二、阻抗式调压室（一）、托马断面计算：A=K*A th =K*L*A 1/(2g*(α+1/(2g))*(H 0-h w0-3*h wm ))式中：A th —托马临界稳定断面面积 L—压力引水道长度 A 1—压力引水道断面面积H 0—发电最小静水头（电站上下游水位差）α—自水库至调压室水头损失系数，α=h w0/v²，（包括局部水头损失与沿程摩擦水头损失），在无连接管 v—压力引水道流速h w0—压力引水道水头损失 h wm —压力管道水头损失K—系数，一般可采用1.0~1.1（二）、最高涌波计算（《水电站调压室设计规范》计算公式）：A=K*A th =K*L*A 1/(2g*(α+1/(2g))*(H 0-h w0-3*1、阻抗孔水头损失计算：h c =（Q/(Ψs)^2)/(2g)式中： h c —通过阻抗孔的水头损失 S—阻抗孔断面面积0.6~0.8之间选用2、丢弃全负荷时的最高涌波计算（《水电站调压室设计规范》计算公式）：λ′=2gA(h c0+h w0）/(LA 1v 0²)(1+λ′Z max )-ln(1+λ′Z max )=(1+λ′h w 0)-ln(1-λ′h c 0)(λ′|Z max -1|)＋ln(λ′|Z max |－1)=ln(λ′h c 0-1)-(λ′h w 0+1)34、增加负荷时的最低涌波计算：1+(((0.5ε-0.275m ′^0.5)^0.5)+0.1/ε-0.9)×(1-m ′)(1-m ′/(0.65ε^0.62))m ′=Q/Q 03、甩负荷时的第二振幅Z2m′=Q/Q0ε=LA1v0²/(gAh w0²)上游调压室的设置条件式中，Tw—压力水道中水流惯性时间常数，s；i—压力水道及蜗壳和压力尾水道各分段长度，m ；i—压力水道内各分段流速，m/s ；Hp—水轮机设计水头，m ；Tw]—Tw 的允许值，一般取2~4s式中： v e —经济流速，明钢管和地下埋管为4~6m ∕s ；管经济直径D=1.128(Q/v e )^0.5= 3.140219≈3.1 钢筋砼管为2~4m/s ；坝内埋管为3~7m/s 压力钢管经济直径D=(5.2*Q max ^3/H)^(1/7)=3.434174≈3.4Q max —管道的最大流量[]w w T T ＞iw i pL vT gH =∑二、阻抗式调压室水力计算程摩擦水头损失），在无连接管时用α代替（α+1/（2g））A1/(2g*(α+1/(2g))*(H0-h w0-3*h wm))141216441618 m′)(1-m′/(0.65ε^0.62))管为4~6m∕s；埋管为3~7m/s。

管道及明渠各种局部水头损失系数第一部分 1、突然扩大ζ1)112(-=A A 2ζ2)211(A A -= 22、逐渐扩大ζ值见下表3、突然缩小ζ=0.5)121(A A -4、逐渐缩小ζ值见右图5、进口斜角进口ζ=0.5+0.3cosa+0.2cos 2 aa 为倾角度圆角进口圆管 0.2方管切角进口内插进口直角进口喇叭口6、出口ζ值见下表A1/A2 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 ζ0.81 0.64 0.49 0.36 0.25 0.16 0.09 0.04 0.01 7、弯管ζ=（0.131+0.1632（d/ρ）3..5）(a/90o)0..58、折管ζ=0.94sin2a/2+2.05sin4a/29、岔管甲、普通Y型对称分岔管乙、圆锥状对称分岔管（分叉开始后形成逐渐收缩的圆锥形）10、闸板或阀门ζ值见下表a/d 0 0.125 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0ζ∞97.3 35.0 10.0 4.6 2.06 0.98 0.44 0.17 0.06 011、蝶形阀甲、部分开启ζ值见下表a 5o10o15o20 o25o30o35o40o45o50o55o60o65o70o 90 ζ0.24 0.52 0.9 1.54 2.51 3.91 6.22 0.8 18.7 32.6 58.8 118 256 751∞乙、全开ζ值见下表a/d 0.10 0.15 0.20 0.25ζ0.05~0.10 0.10~0.16 0.17~0.24 0.25~0.3612、截止阀全开4.3~6.1 13、平板门槽全开0.2~0.414、弧形闸门门槽全开0.215、滤水网甲、无底阀2~3无底阀乙、有底阀d/mm 40 50 75 100 150 200 250 300 350 400 500 750ζ 12.0 10.0 8.5 7.0 6.0 5.2 4.4 3.7 3.4 3.1 2.5 1.6第二部分：明渠中的各种局部水头损失 16、拦污栅ζ=βsina(t/b)4/3 式中t 为格栅厚度，b 为格栅净间距，a 为格栅倾角，β为格栅的断面形状系数，其值见下图。