水利基礎分析計算 2

任務2

水頭損失的計算

2.2.1任務導入

中哈原油管道是中國的第一條戰略級跨國原油進口管道。中哈原油管道是中國石油在中亞及俄羅斯地區投資建設的第一條管線，西起哈薩克斯坦阿特勞，途經肯基亞克、庫姆克爾和阿塔蘇，東至阿拉山口—獨山子輸油管道首站，全線總長2700多公里，被譽為“絲綢之路第一管道”。管段長度(km)管徑(mm)設計壓力(MPa)設計輸量(萬噸/年)投運時間阿特勞—肯基亞克448.86106.36002003年底肯基亞克—庫姆科爾7616106.314002009.7庫姆科爾—阿塔蘇6266106.320002009.7阿塔蘇—阿拉山口962.28136.320002006.5全線2798610/8136.320002009全線貫通介質：哈薩克斯坦原油，密度約850–870kg/m3，運動黏度5–20mm2/s（50℃），屬高黏易凝原油，需加熱輸送。

地形：穿越2278km凍土區（-40℃）、山地、荒漠，存在翻越點，水力坡降與高程疊加是設計難點。

運行模式：加熱+加壓串聯輸送，全線設多座輸油泵站+加熱站，采用智能溫控+數字孿生控溫（誤差≤0.5℃）。

2.2.1任務導入

中哈原油管道的建成投產是中哈兩國經濟互補的雙贏之舉，既推動了哈薩克斯坦原油出口的多元化，也為中國提供了安全可靠的原油資源。哈薩克斯坦原油的到來，開啟了中國境外陸路原油管線供油時代，標志著中國進入了一個更加穩定、安全、持續供油的時代。戰略意義：1.能源安全：替代馬六甲海峽海運通道，降低海上運輸風險，成為中國原油進口陸路主通道之一，年輸油量占中國原油進口量約15%。2.雙邊合作：推動中哈能源深度協同，2008年起連續六年占哈國對華出口貿易總額50%以上，助力哈方優化出口結構，降低對單一市場依賴。3.區域聯動：銜接中國西部原油管網（阿拉山口—獨山子—烏魯木齊），支撐西北煉化產業發展，同時與里海區域能源資源形成互補。2.2.1任務導入任務：中哈原油管道的輸油路程長，彎道多，還有閥門等，從輸油端開始，總能量就會因為這些因素不斷消耗，最終使原油不再繼續向前流動，那么就需要泵站給原油增加能量，使之能繼續克服這些能量消耗，最終達到目的地。泵站給原油增加的能量和原油輸送途中消耗能量應該如何計算？2.2.2水頭損失的特點分析（一）水頭損失產生的根源和分類

問題：理想液體和實際液體的區別？有無黏滯性是理想液體和實際液體的本質區別。

黏滯性是液流產生水頭損失的根本原因。一、水頭損失2.2.2水頭損失的特點分析根據水流流動類型把水頭損失分為兩類：

(1)沿程水頭損失：發生在均勻流或漸變流中，水頭損失沿程都有，并隨著流程的長度而增加。常用hf表示。(2)局部水頭損失：發生在急變流段內，由于水流的擴散和漩渦的形成，產生的較大的水頭損失。常用hj表示。常見的發生局部水頭損失區域2.2.2水頭損失的特點分析液流的總水頭損失hw代表該流段中各分段的沿程水頭損失的總和；代表該流段中各種局部水頭損失的總和。2.2.2水頭損失的特點分析（二）邊界對水頭損失的影響液流過水斷面與固體或液體邊界接觸的周界稱為濕周，用表示。假設有相同流量，一般情況下，過水斷面面積大時，濕周也較大，此時水頭損失大，但面積大的流速小，故水頭損失小，那么此時水頭損失是大是小，無法準確判斷。為了全面表征過水斷面的水力特征，水力學中將兩者相互聯系起來，即過水斷面面積與濕周的比值稱為水力半徑，用R表示。水力半徑2.2.2水頭損失的特點分析二、水流運動的兩種形態（一）雷諾試驗/stlab/syjxsp/list.htm2.2.2水頭損失的特點分析當水流流速較小的時候，各流層質點有條不紊，互不混合地分層流動，這種流動型態為層流。當水流流速較大時，各流層中的水流質點已形成漩渦，在流動中互相混合，這種流動型態為紊流。水流具有兩種不同的流動型態：2.2.2水頭損失的特點分析（二）水流型態的判別進一步研究發現，在管流中，液體流態的轉換取決于液體流速v和管徑d的乘積與液體運動黏滯系數的比值。這一研究結果也適用于明渠流動，只要用水力半徑R代替直徑d。該比值稱為雷諾數，用Re表示。圓管雷諾數明渠雷諾數雷諾數表示水流慣性力與黏滯力的比值，是一個無量綱數。2.2.2水頭損失的特點分析臨界雷諾數——流態轉換時的雷諾數臨界雷諾數只與過水斷面形狀有關，與液流性質、斷面大小無關。經試驗測得：圓管臨界雷諾數2320，明渠臨界雷諾數580。層流層流圓管明渠紊流紊流01022.2.3水頭損失的計算方法一、沿程水頭損失的分析與計算（一）達西公式該公式先由德國人魏斯巴赫(Weisbach)于1850年首先提出，法國人達西(Darey)在1858年用實驗的方法進行了驗證，故稱為達西—魏斯巴赫公式，簡稱“達西公式”。

該公式適用管流和渠流所有流區，是一通用理論公式，水利工程中所有具體的計算公式都是由達魏公式推導而來。對于圓管，其水力半徑，故沿程水頭損失的表達式可寫為：2.2.3水頭損失的計算方法（二）謝才公式1769年法國工程師謝才（Chezy）根據明渠均勻流的實測資料提出的謝才公式，該公式為一經驗公式。謝才公式其中2.2.3水頭損失的計算方法(三）實際工程中沿程水頭損失的計算公式1.灌溉：渠灌及噴灌、低壓管灌須按照我國《灌溉與排水工程設計標準》（GB50288-2018）《噴灌工程技術規范》

GB/T50085-2007、《管道輸水灌溉工程技術規范》GB/T20203-2017中規定的公式：（1）渠流計算公式（曼寧公式）或式中2.2.3水頭損失的計算方法（2)管流計算公式2.2.3水頭損失的計算方法2.室外給水:(城鎮工作、生活、公共設施、消防、綠化等)室外給水管、渠須按照我國《室外給水設計標準》（GB50013-2018）中規定的公式：(1)各類塑料管（由達西公式推得）2.2.3水頭損失的計算方法(2)混凝土管及采用水泥砂漿內襯的金屬管、混凝土渠巴甫洛夫斯基公式謝才公式2.2.3水頭損失的計算方法

（3)輸配水管道、給水管網2.2.3水頭損失的計算方法二、局部水頭損失分析與計算其中，局部