工程技术 ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ ． 匝圆 管道阻力参数检测实验研究① 吴福生１ｌ 一 （１．水利部基本建设工程质量检测中心； ２．南京水利科学研究院实验中心； ３．南京水利科学研究院 水文水资源及水利工程科学国家重点实验室 江苏南京 ２１ ００２９） 摘要：在配有专业设备的水工水力学试验厅内，安装厂家提供的待检测管材，进行了管道内壁阻力系数实验研究。按照水工常规模型试 验规程要求，对管材进行水力学检测试验，并根据管道水力学理论得出被检测管材当量粗糙度，沿程阻力系数，海曾一威廉系数．曼宁 糙率系数等管道水流阻力特性参数。为该管材在管道流体输运工业中的应用提供科学依据。 关键词：超高分子量聚乙烯管材 当量粗糙度 沿程阻力系数 海曾一威廉系数 曼宁糙率系数 中图分类号：ＴＶ２２ 文献标识码：Ａ 文章编号：ｌ６７２－３７９ｔ（ｚｏｌ３）０８（ａ）一００５７一ｏ２ 管道阻力系数，如当量粗糙度△、沿程阻力系数 、海曾一威 够长度作为水流过渡，中间取１０ ｍ长ＤＮ９７ＵＨＭＷＰＥ管材布置了 廉系数 ，、曼宁糙率系数＂等，是现代工业管道输运中不可或缺 时均压力测量断面，每间隔２ ｍ布置一个测压段面，共布置了６４＂测 的重要力学参数。城市的给排水、冶金煤矿业物料的管道输送、水 压断面以便于相互校核，最后取１０ ｍ管长的两断面间的测压管水 利水电工程中隧洞泄洪等都离不开应用管道的阻力参数来设计计 头差进行计算，并进行综合分析。实验时，待每组水箱水位稳定后， 算输送流量与输运成本。不失一般性，本文以超高分子量聚乙烯管 测量出管段的沿程水头损失，通过量水堰测出流量，进而根据水力 材为例，介绍管道内壁面糙率及有关阻力参数实验检测内容，为该 学理论，得出沿程水头损失系数与其它有关管道内壁的阻力参数。 类管材的应用提供科学检测依据。 根据水力学理论，实用管道中的水流进入紊流的过渡区与水力 粗糙区，能得出合理的糙率与相关阻力参数。因此，管道中应有足够 １管道阻力系数检测实验介绍 大的流量与足够高的雷诺数。本实验流量为０．０２４２～０．０２６４ ｍ ／ｓ；实 超高分子聚乙烯管材ＤＮ９７ＵＨＭＷＰＥ的糙率及有关阻力参数 验时水温为１ ８．５℃，相应的运动粘滞为１．０４９×１０ ｍ ／ｓ，各实验组 检测实验是在南京水利科学研究院铁心桥基地管道阻力参数检测 １， 次下雷诺数为Ｒｅ＝ ＝（３．Ｏ２～３＿３０）×１０ ，根据尼古拉斯的实验 实验厅进行，采用水泵房循环水系统等专门的实验设备进行管道 Ｕ 内壁阻力参数检测实验。测压管水头用鉴定过的英钢尺测量，精度 结果＿２Ｊ，管内水流处于紊流过渡粗糙区。 为０．５ ｍｍ；流量用水工（常规）模型实验规程ＳＬ ｌ ５５－２０１２推荐的公 式计算【Ｊ１，堰上水头用测针测量，精度为０．１ ｍｍ。矩形薄壁量水堰 ２管道阻力参数检测实验的水力学理论依据 Ⅳ ． 根据水力学基本理论，本超高分子聚乙烯管道水流阻力参数 运用雷伯克（Ｔ．Ｒｅｈｂｏｃｋ）经验公式：Ｑ＝（１．７８２＋ｏ．２４ ） ０ ，式 』 检测实验时，管内水流雷诺数较高，管道水流处于紊流过渡粗糙 中：Ｐ为堰高，Ｂ为堰宽；Ｈ为堰上水头；Ｈ 为修正后水头（Ｈ ＝Ｈ＋ 区。能较好地实验检测管道壁面的阻力参数。 ０．００ｌｌ ｍ），单位均以ｍ计。Ｑ为流量，单位为ｍ ／ｓ。公式适用范围 根据曼宁公式Ｑ＝Ａｃ４ｍ，其中：Ｑ为流量，单位为ｍ ／ｓ；Ａ为管 Ｈ＝０．０３～０．７５ ｍ。 道过水断面面积，本实验为满管有压流，过流断面面积：Ａ： ｘ ｒ ， 本实验取管道长ｌ８．０ ｍ，安装在圆形有机玻璃水箱与矩形量 单位为ｍ ，，为管道半径；尺为水力半径，为ｒ／２；Ｊ为水力坡降，为 水堰之间，聚乙烯管材通过０．５ ｉｎ长的有机玻璃管段与水箱联接， △日／ ，△ 为测压管水头差，，Ｊ为相应管长，均以ｍ计；Ｃ为谢才系 以便于观察管内水流的流态与排气情况，由两台６５ ｍ ／ｈｒ的潜水 泵与水箱连接提供实验循环水量，流量通过蝶阀调节。前后留有足 数，ｃ： ，ｎ为管道曼宁糙率系数，Ｒ为水力半径。以上长度单 玎 表１ ＤＮ９７ＵＨＭＷＰＥ管材阻力参数检测实验结果 试验组次 流量 测压管断面问水头差 雷诺数 曼宁糙率系数 沿程阻力系数 海曾威廉系数 当量粗糙度 Ｏ（ｍ ／ｓ） △Ｈ（ｍ） Ｒｅ ｎ Ｃｗ Ａ（ｍｍ） ｌ ０．０２４１７０ ０．６６９ ３０２４４２ ０．ｏ０６６ ０．０Ｉ１９ １７２．６ ０．００９０ ２ ０．０２５０９５ ０．７０８ ３１４０２ｌ ０．００６６ ０．０１１７ １７３．８ ０．００８２ ３ ０．０２５７８２ ０．７５５ ３２２６１６ ０．００６６ ０．０１１８ １７２．５ ０．００８６ ４ ０．０２６０３４ ０．７２２ ３２５７６３ ０．００６４ ０．０１ｌ１ ｌ７８．３ Ｏ．ｏ０６ｌ ５ ０．０２６３５０ ０．７２９ ３２９７１３ ０．００６３ ０．０ｌＯ９ ｌ７９．６ ０．００５６ ６ ０．０２４７２４ ０．６７９ ３０９３７０ ０．００６５ ０．Ｏｌ１５ ｌ７５．２ ０．００７６ ７ ０．０２５３７６ ０．７２８ ３１７５２６ ０．００６６ ０．０ｌ１７ １７３．２ ０．００８４ ８ ０．０２５９７１ ０．７５１ ３２４９７５ ０．００６５ ０．０１１６ ｌ７４．２ ０．００７８ ９ ０．０２６２５５ ０．７５４ ３２８５２６ ０．００６５ Ｏ．Ｏ１ｌ４ ｌ７５．８ ０．００７０ 管道各阻力参数平均值 ０．００６５ ０．０１１５ １７５．０ ０．００７６ ①作者简介：吴福生，南京水利科学研究院教授级高工，主要从事水工水力学、环境水力学与管道阻力系数检测实验研究。 科技资讯ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥｃＨＮ０ＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ５７ 圆圆 位均以ｍ计。由此ｕ］推导出何压圆管曼宁糙率系数计算公式为： ＝ 工程技术 头损失。海曾一威廉公式为： ＝ 曾一成廉粗糙系数的计算公式如下： Ｖ ２，］ （ Ｒ ２；经公式变换，可得海 根据魏斯巴赫一达西公式： ＝ ４Ｌ．式中ｈｉ．为沿程水头 ｃ ＝Ｉ（１３ ．１６ｇｄ ￣￣ 式中，Ｑ为流量，单位为ｍ ／ｓ；ｇ为重力加速度，取为９．８ｌ Ｉｌｌ ／ｓ； 损失，即△Ｈ，单位为１ＴＩ； 为沿程水头损失系数，为一无量纲数； ， 为管道长度，单位为ｍｔ 为水力半径，对于圆管为，／２，单位为１ＴＩ； 为管中水流的断面平均流速，单位为ｍ／ｓ；ｇ为重力加速度，取为 ９．８１ｍ／ｓ 。由此得沿程水头损失系数为： ． ｄ为管道内径，单位为ｍ； 为水流沿程阻力系数， ．为无量纲数； 为海曾一成廉粗糙系数，为无量纲数。 ｇｚｃ ｄ △Ｈ —＝＿一 ３实验结果 如表１所示，为管内径为９７ ｍｉＤ＿的超高分子聚乙烯管材的阻力 参数检测实验结果。对实验数据进行综合分析，并对结果进行算术 平均，最后得出该ＤＮ９７ＵＨＭＷＰＥ管材的各阻力参数的平均值如 下： ／Ｌ ８ＬＱ 由于实验时管内紊流处于过渡粗糙区，可采用柯尔勃洛克一 特公式计算当量粗糙度，该公式适用于各种紊流。柯尔勃洛克一Ｉ不 特公式如下： ｃ－－． 川ｇ（ ＋３．５２／ｏ １ ｇ（ ＋嚣］ 曼宁糙率系数 为：０．００６５； 沿程阻力系数 为：０．０１１ ５； 当量粗糙度△为：０．００７６ ｍｍ； 海曾一成廉粗糙系数Ｃ 为：ｌ ７５．０。 该式适用范围广，是计算精度最高的公式之＿－。经公式变换， 可得管壁当量粗糙度的计算公式： ， ｚ 。～器ｌ 式 Ｉ１，ｄ为管道内径，单位为ｍ；Ａ为管道沿程阻力系数，为无 量纲数；Ｒ ｅ为雷诺数，Ｒｅ＝ ｖｄ＝ 参考文献 【１］中华人民共和国水利部，水工（常规）模型试验规程ＩＳ】．ＳＬｌ ５５ ２０ｌ２． ４ Ｑ，其中ｕ为水的动力粘滞系 数，与水温有关，单位为ｉ２＂１ ／ｓ；△为管壁当量粗糙度，ｍｉｌｌ，由实验确 定。 【２】南京水利科学研究院，水利水电科学研究院主编，水工模型试 验［Ｍ】．２版．水利电力出版社，１９８５，１２． ［３】吴持恭．水力学ＩＮ】．４Ｎ．高等较有出版社，２００８，１，１． 对于较光滑的圆管满管紊流，常用海曾一威廉公式计算沿程７ｋ （上接５６页） 新、ＩｌＥ规范在很大程度上都有一样的地方，比如在新、旧规范 中都规定一般的预应力板梁结构不设预拱值，而在非预应力构件 【Ｉ１就要预先设置这个值；总挠度根据新、１Ｅｌ规范中的计算方法得到 凝土构件而言，在预应力度上根据新规范设计的构件所得到的数 值会比根据旧规范设计的数值有所降低；对干预制的全预应力混 凝土构件，通过新规范计算得到的预应力结果较旧规范降低了 的数值差别不大。根据旧规范设计的全预应力混凝上构件，在新规 １ ５％；对于分段浇筑或砂浆接缝的纵向分块构件而已，通过新规范 范的条件下，全预应力构件就可能转变为预应力Ａ类构件。在进行 计算得到的预应力结果较旧规范降低了２０％。 以２０ ｍ板梁、ｌ６ ｍ板梁、２０ ｍＴ粱和、１６ ｍＴ梁为例，根据新、旧 长期荷载作用下的预应力Ａ类构件的抗裂验算时，根据旧规范的 相关规定，在结构自重的作用下，不得消压，而根据新规范的规定， 规范，计算其对应的各种类型的桥梁裂缝宽度。通过计算结果的分 其中，为荷载长期效应组合下产生的构件混凝土边缘法向拉应力，析对比，我们可以明显的知道，对于预应力板梁产生的裂缝，根据 荷载长期效应包括自重效应和部分活载效应。 新规范计算得到的宽度数值要比旧规范小，而对于非预应力构件 的裂缝宽度，根据新、旧规范计算得到的结果相差很小。关于新、旧 规范中裂缝宽度的不同，对于折算直径和配筋率等影响较小的因 ７结语 通过新、『Ｅｌ规范在主要几个方面的分析对比，我们可以清楚的 素，不做分析比较。 知道，相比旧规范而已，新规范在预应力钢筋的利用上更加充分， 不仅减少钢筋用量，而且还节约了工程成本。同时，新规范中设计 ６挠度和持久状况预应力混凝土应力计算 新、旧规范中，挠度也所有不同，本文将以预应力板梁和非预 应力Ｔ棠为例，对新、旧规范的挠度计算方法进行对比。 强度标准和计算荷载的改变，加人了桥梁的安全性，采用的车辆荷 载模型更加符合桥梁的实际情况。冈此，应火力进行新规范的推广 和使用。 对于 预应力板粱结构，根据新规范的计算方法，作用在板梁 上的恒载产生的挠度要比根据旧规范计算得到的小，其原因主要 参考文献 是因为在新规范中，钢筋混凝上构件所取用的等效截面抗弯刚度 ［１】ＪＴＪＤ６０—２００４，公路桥涵设计通用规范【Ｓ】．较旧规范偏大；根据新规范的计算方法，作用往板梁上的活载产生 【２】ＪＴＧＤ６２ ２００４，公路钢筋混凝土及预应力混凝上桥涵设计规范 的挠度值要比旧规范计算得到的偏大，其主要是因为新规范中所 【Ｓ］． 取的活载内力偏大；最终，对于总的挠度而言，新规范计算得到的 ［３】ＪＴＪ０２３—８５，公路钢筋混凝土及预应力混凝士桥涵设计规范［Ｓ】． 数值较大。 ５８ 科技资讯ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ