第二節　管道水頭損失計算原理

一、管道水頭損失的組成

根據能量平衡原理，灌溉水在管道內流動過程中，為克服阻力，不可避免地消耗部分能量，稱之為摩阻能量損失，若以測壓管水柱高度表示摩阻能量損失，則稱為水頭損失。通常情況下，管道內水流的水頭損失由沿程摩擦水頭損失和局部阻力水頭損失兩部分組成。前者是水流在平順均勻流動中克服水流與管壁之間或流層之間的摩擦阻力，產生的能量損失；后者是因水流斷面大小和形狀、方向等的改變克服阻力產生的能量損失。式（5-1）表達了噴微灌系統管道能量損失的組成。

二、沿程水頭損失計算方法

（一）沿程水頭損失計算公式

沿程水頭損失ΔHf計算公式通常用達西式（5-2）表示：

（二）沿程水力摩阻系數分析

由式（5-2）可知，對于一條（一段）特定的管道，要計算它的沿程水頭損失ΔHf，關鍵是確定沿程水力摩擦系數λ。實驗表明，由于管道的邊界粗糙度和管內流速不同，出現不同流態，其沿程水力摩阻系數不同。水力學用一個稱為雷諾數的無量綱綜合指標判別壓力管道水流流態：

為破解λ與Re的關系，尼古拉茲用人工模擬內壁粗糙度不同的管道做實驗，整理成圖5-4。

圖中（管道內壁絕對粗糙度與內徑之比）稱為相對粗糙度。由圖5-4分析，可得到λ值隨水流狀態變化規律：

（1）Re＜2000時（Ⅰ區），水流為層流，λ只與Re有關，λ隨Re增大幾乎線性地減小。

（2）2000＜Re＜4000（Ⅱ區），水流為從層流變為紊流的過渡區，λ的變化基本只受Re控制，此區范圍很小，實用上意義不大。

（3）Re＞4000時，水流處于紊流狀態，此區λ的變化不僅受Re的影響，還受管壁相對粗糙度的制約，又可分成三種情況。

①當Re較小時，不同相對粗糙度管道的實驗點大致都落在直線Ⅲ上，此時的水流狀態稱為光滑管紊流。因為此時流速還不足以帶動覆蓋管壁上的層流邊界層，形成流層間相對“光滑”的摩擦流動。

②當Re加大，不同粗糙度管道λ與Re的關系自成曲線，，為紊流粗糙區的過渡區。因為隨著流速的增大，層流邊界層變薄，Δ開始突露出層流邊界層，阻礙水流運動，故λ不僅受Re的影響，而且受的控制（Ⅵ區）。

③當Re增大，越過Ⅳ區進入Ⅴ區后，不同相對粗糙度管道λ與Re的關系各自成水平線，反映出λ與Re無關，而只取決于，由式（5-2）可知ΔHf∝V2，因而Ⅳ區稱為阻力平方區。這是因為該區流速足以完全破壞層流邊界層，λ的大小主要受管壁粗糙度產生的邊界小旋渦支配。

（三）沿程水頭損失計算實用公式

上述式（5-2）和式（5-3）為計算管道沿程水頭損失提供了理論依據和思路，水力學研究提供了不同流態的各種理論和經驗公式。在實踐中，人們總結提出適用噴微灌系統管道沿程水頭損失的計算公式，這些公式在長期使用中證明是可靠的。

大量實踐表明，噴微灌系統的管道內水流大多處于紊流粗糙區的過渡區。為使用方便，將式（5-2）中的流速V以流量代替，則可改寫成式（5-4）：

三、局部水頭損失計算

水在管道內流動過程中，由于管道過水橫斷面尺寸、形狀，或流動方向的改變，引起水流結構和流速變化，產生質點和局部漩渦相對運動的摩擦，引起能量損失。這種能量損失產生于局部范圍，水力學稱之為局部水頭損失。

局部水頭損失由式（5-5）表達。

由式（5-5）可知，計算局部水頭損失，關鍵是確定局部水頭損失系數。根據大量實驗，得到管道局部水頭損失系數ζ值見表5-3，可供計算時查用。

四、管道水頭損失計算的實用方法

噴微灌系統管道水頭損失中，局部水頭損失所占比例一般只占很小比例，而且在多數情況下局部水頭損失很難準確計算，為減小計算工作量，常常可采用一個局部損失加大系數K計算管道水頭損失，則管道水頭損失式（5-6）可表達成：

其余符號意義同前。