一种管道水力摩阻的快速评价方法技术

本发明专利技术涉及一种管道水力摩阻的快速评价方法，包括：初步估算；选取测评取样长度和测评评定长度；测评检测；评估取样长度是否在适当范围内；选择更短取样长度；确定取样长度；常规测量；计算平均值；计算水力摩阻系数。本发明专利技术所述的方法使用现有机械加工中的表面粗糙度测量仪器通过反复调整测量长度，并确定表面粗糙度的轮廓的最大高度

A rapid method for evaluating hydraulic friction of pipes

Including the rapid evaluation of the present invention relates to a hydraulic friction method: preliminary estimates; evaluation of selected sampling length and length measurement evaluation; detection; evaluation of sampling length is within a proper range; choose the shorter length of sampling; determine the sampling length; conventional measurement; average value; calculation of hydraulic friction coefficient. The method of the invention uses the surface roughness measuring instrument in the existing mechanical processing to adjust the measuring length repeatedly, and determines the maximum height of the contour of the surface roughness

【技术实现步骤摘要】
一种管道水力摩阻的快速评价方法
本专利技术涉及一种管道水力摩阻的快速评价方法，是一种水工参数的测评方法，是一种对水工管道内壁摩阻测评的方法。
技术介绍
管道水力摩阻系数是流体输送工程设计的重要技术参数之一，其取值的结果直接影响水力计算成果的精度。水力摩阻系数的精确测量和合理取值对于长距离输水工程、城市给排水工程、农业灌溉工程，以及石油输送等管道工程的总体布局、设计规模、设备选型、运行管理、以及节能减排具有重要的意义。工程常用的水力计算公式为达西-魏斯巴哈（Darcy-Weisbach）公式，式中：hf—管道沿程水头损失（m）；λ—水力摩阻系数，或沿程水头损失系数；D—管道内径(m）；L—管段长度（m）；V—管道平均流速（m/s）；g—重力加速度（m/s2）。水力摩阻系数λ计算通常采用柯尔勃洛克–怀特（Colebrook-White）公式式中：k—当量粗糙度(m)；Re—雷诺数，计算公式为；ν—水的运动粘滞系数(m2/s)。该式的适用雷诺数范围广，且与实际商用管道的阻力试验结果吻合良好，被工程师公认为是计算水力摩阻系数的标准公式。柯氏公式中当量粗糙度k综合反映了管道内壁糙粒及各种因素对沿程损失的影响，一直以来主要通过流体试验测定高雷诺数下管道的沿程损失，并按水力摩阻系数λ折算为同直径的尼古拉兹粗糙管的糙粒高度，认为该糙粒高度与管道内壁不规则粗糙微元的平均尺寸接近，此即当量粗糙度k，但流体试验需要固定的实验场地和检测平台，且耗费较多的时间和费用，不适用于大口径管道的检测。
技术实现思路
为了克服现有技术的问题，本专利技术提出了一种管道水力摩阻的快速评价方法。所述的方法使用现有机械加工中使用的各种触针式表面粗糙度检测仪器，通过改造的测量过程对管道内壁的粗糙度进行测量，快速获得管道的水力摩阻系数。本专利技术的目的是这样实现的：一种管道水力摩阻的快速评价方法，所述方法的步骤如下：初步估算的步骤：用于估算被测管道的粗糙度轮廓的算术平均偏差的估算值RaEitimate、粗糙度轮廓的最大高度的估算值RzEitimate；选取测评取样长度和测评评定长度的步骤：用于根据RaEitimate、RzEitimate或粗糙度轮廓的算术平均偏差的测评值Rae和粗糙度轮廓的最大高度的测评值Rze选取测评取样长度lre或测评测量长度lne；测评检测的步骤：用于按照测评取样长度lre沿被测管道轴线对被测管道内壁进行测评检测，得到一组Rae、Rze值；评估取样长度是否在适当范围内的步骤：用于对该组Rae和Rze的数值进行评估，其数值是否在测评取样长度lre或测评测量长度lne所对应的粗糙度轮廓的最大高度值Ra和粗糙度轮廓的算术平均偏差值Rz值范围内；如果“是”则确定该组Rae和Rze的数值为预选的Ra和Rz值，并进入下一步骤，如果“否”则回到“选取测评取样长度和测评评定长度的步骤”；选择更短取样长度的步骤：用于选取更短测评取样长度lrs，并获得一组粗糙度轮廓的算术平均偏差的更短测评值Ras和粗糙度轮廓的最大高度的更短测评值Rzs，所述的更短测评取样长度lrs是指：比在“选取测评取样长度和测评评定长度的步骤”所选取的最短的测评取样长度还要短的测评长度；确定取样长度的步骤：如果Ras、Rzs的数值满足相应的取样范围，则确定Ras、Rzs所对应的更短测评取样长度lrs为常规测量中所使用的取样长度lr，否则选择在“评估取样长度是否在适当范围内的步骤”预选的Ra、Rz值所对应测评取样长度lre为常规测量中所使用的取样长度lr；常规测量的步骤：用于使用取样长度lr采集被测管道内壁多个部位的Rai和Rzi值，其中：i=1，2，……，n，n为正整数；计算平均值的步骤：用于计算Rai和Rzi值平均值：，；计算水力摩阻系数的步骤：用于将测量的作为k值代入柯氏公式中：，计算被测管道的水力摩阻系数λ，并绘制相应的水力计算图表；公式中：λ—水力摩阻系数；D—管道内径；k—当量粗糙度，用代替；Re—雷诺数，计算公式为；ν—水的运动粘滞系数；V—管道平均流速；所述的RaEitimate、RzEitimate、Ran、Rzn、Rae、Rze、Ras、Rzs、Rai、Rzi均为在检测过程中不同阶段的Ra和Rz，用脚标变化以示区别；所述的lre、lne、lrs均为在检测过程中不同阶段的lr、ln，用脚标变化以示区别。进一步的，所述的取样长度lr或测量长度ln所对应的Ra和Rz的范围如下：Ra≤10微米，lr为2.5毫米，ln为12.5毫米；10微米＜Ra≤80微米，lr为8毫米，ln为40毫米；Rz≤50微米，lr为2.5毫米，ln为12.5毫米；50微米＜Rz≤200微米，lr为8毫米，ln为40毫米。进一步的，在所述的计算平均值的步骤之后设置：计算标准方差的步骤和判断管道质量步骤：计算标准方差的步骤：，；判断管道质量的步骤：用于通过公式计算Ra和Rz的离散系数CVRa、CVRz：，；并判断CVRa、CVRz是否小于离散系数CV的阈值，如果“是”则说明被测量管道是均匀的，否则说明被测量管件非同种材质内衬，或部分管件内衬生产质量不达标。进一步的，所述的离散系数CV的阈值为：0.3。本专利技术产生的有益效果是：本专利技术所述的方法使用现有机械加工中的表面粗糙度测量仪器通过反复调整测量长度，并确定表面粗糙度的轮廓的最大高度Rz可以作为当量粗糙度k，带入柯尔勃洛克–怀特（Colebrook-White）公式计算水力摩阻系数λ。使水力摩阻系数的测量和计算更加方便、简化，提高工程质量，降低水力管道的运行费用。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。图1是本专利技术的实施例一所述方法的流程图；图2是粗糙度轮廓的最大高度值Rz的示意图；图3是本专利技术的实施例三所述方法的流程图。具体实施方式实施例一：本实施例是一种管道水力摩阻的快速评价方法。所述方法的基本思路是将机械加工中的（机械加工）表面粗糙度，引入到水利管道的内壁表面检测，作为管道水力摩阻系数k使用。现有的方法是以Rq值表示当量粗糙度值，并给出了k≈5Rq、k≈3Rq、k≈1.6Rq等不同计算方式。本实施例则使用了粗糙度轮廓的最大高度值Rz，使Rz≈k。表1给出Ra、Rz、Rq的实验结果对照。由表中1-5组数据可知，Rz≈k，与5Rq相比，Rz值更接近k值，并且Rz的定义与当量粗糙度k的物理意义更接近，更能代表管道内壁粗糙程度对水流摩阻损失的影响。表1表面粗糙度参数和当量粗糙度k关系的试验结果表面粗糙度的检测所使用的设备，可以使用触针式表面粗糙度仪，该仪器通常用于机械加工中度量零件结构的表面粗糙度（或表面微观不平度）。触针式表面粗糙度仪采用金钢石触针来跟踪测量表面的粗糙度，测量时将触针搭在工件上，与被测表面垂直接触，利用驱动器以一定的速度拖动传感器，由于被测表面轮廓峰谷起伏，触针在被测表面滑行时，将产生上下移动，将触针的纵向位移转换成电信号，并通过电子装置把这种移动信号加以放大，从而测出人眼所不能觉查到的粗糙度，该种设备具有良好的横向分辨率，检测精度可以达到次纳米级。其测量的主要参数包括：取样长度（Samplinglength）lr：用于判别被评定轮廓的不规则特征的X轴向上的长度。规定和选择取样长度是为了限制和减弱表面波纹度对表面粗糙度的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种管道水力摩阻的快速评价方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：初步估算的步骤：用于估算被测管道的粗糙度轮廓的算术平均偏差的估算值

【技术特征摘要】
1.一种管道水力摩阻的快速评价方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：初步估算的步骤：用于估算被测管道的粗糙度轮廓的算术平均偏差的估算值RaEitimate、粗糙度轮廓的最大高度的估算值RzEitimate；选取测评取样长度和测评评定长度的步骤：用于根据RaEitimate、RzEitimate或粗糙度轮廓的算术平均偏差的测评值Rae和粗糙度轮廓的最大高度的测评值Rze选取测评取样长度lre或测评测量长度lne；测评检测的步骤：用于按照测评取样长度lre沿被测管道轴线对被测管道内壁进行测评检测，得到一组Rae、Rze值；评估取样长度是否在适当范围内的步骤：用于对该组Rae和Rze的数值进行评估，其数值是否在测评取样长度lre或测评测量长度lne所对应的粗糙度轮廓的最大高度值Ra和粗糙度轮廓的算术平均偏差值Rz值范围内；如果“是”则确定该组Rae和Rze的数值为预选的Ra和Rz值，并进入下一步骤，如果“否”则回到“选取测评取样长度和测评评定长度的步骤”；选择更短取样长度的步骤：用于选取更短测评取样长度lrs，并获得一组粗糙度轮廓的算术平均偏差的更短测评值Ras和粗糙度轮廓的最大高度的更短测评值Rzs，所述的更短测评取样长度lrs是指：比在“选取测评取样长度和测评评定长度的步骤”所选取的最短的测评取样长度还要短的测评长度；确定取样长度的步骤：如果Ras、Rzs的数值满足相应的取样范围，则确定Ras、Rzs所对应的更短测评取样长度lrs为常规测量中所使用的取样长度lr，否则选择在“评估取样长度是否在适当范围内的步骤”预选的Ra、Rz值所对应测评取样长度lre为常规测量中所使用的取样长度lr；常规测量的步骤：用于使用...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘之平，郭永鑫，杨开林，郭新蕾，付辉，李甲振，王涛，夏庆福，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11