本發(fā)明涉及一種管道水力摩阻的快速評價方法，是一種水工參數(shù)的測評方法，是一種對水工管道內(nèi)壁摩阻測評的方法。

背景技術(shù)：

管道水力摩阻系數(shù)是流體輸送工程設(shè)計的重要技術(shù)參數(shù)之一，其取值的結(jié)果直接影響水力計算成果的精度。水力摩阻系數(shù)的精確測量和合理取值對于長距離輸水工程、城市給排水工程、農(nóng)業(yè)灌溉工程，以及石油輸送等管道工程的總體布局、設(shè)計規(guī)模、設(shè)備選型、運行管理、以及節(jié)能減排具有重要的意義。

工程常用的水力計算公式為達西-魏斯巴哈（Darcy-Weisbach）公式，

式中：h_f—管道沿程水頭損失（m）；λ—水力摩阻系數(shù)，或沿程水頭損失系數(shù)；D—管道內(nèi)徑(m）；L—管段長度（m）；V—管道平均流速（m/s）；g—重力加速度（m/s²）。

水力摩阻系數(shù)λ計算通常采用柯爾勃洛克–懷特（Colebrook-White）公式

式中：k—當量粗糙度(m)；Re—雷諾數(shù)，計算公式為；ν—水的運動粘滯系數(shù)(m²/s)。

該式的適用雷諾數(shù)范圍廣，且與實際商用管道的阻力試驗結(jié)果吻合良好，被工程師公認為是計算水力摩阻系數(shù)的標準公式。

柯氏公式中當量粗糙度k綜合反映了管道內(nèi)壁糙粒及各種因素對沿程損失的影響，一直以來主要通過流體試驗測定高雷諾數(shù)下管道的沿程損失，并按水力摩阻系數(shù)λ折算為同直徑的尼古拉茲粗糙管的糙粒高度，認為該糙粒高度與管道內(nèi)壁不規(guī)則粗糙微元的平均尺寸接近，此即當量粗糙度k，但流體試驗需要固定的實驗場地和檢測平臺，且耗費較多的時間和費用，不適用于大口徑管道的檢測。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提出了一種管道水力摩阻的快速評價方法。所述的方法使用現(xiàn)有機械加工中使用的各種觸針式表面粗糙度檢測儀器，通過改造的測量過程對管道內(nèi)壁的粗糙度進行測量，快速獲得管道的水力摩阻系數(shù)。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：一種管道水力摩阻的快速評價方法，所述方法的步驟如下：

初步估算的步驟：用于估算被測管道的粗糙度輪廓的算術(shù)平均偏差的估算值R_aEitimate、粗糙度輪廓的最大高度的估算值R_zEitimate；

選取測評取樣長度和測評評定長度的步驟：用于根據(jù)R_aEitimate、R_zEitimate或粗糙度輪廓的算術(shù)平均偏差的測評值R_ae和粗糙度輪廓的最大高度的測評值R_ze選取測評取樣長度lr_e或測評測量長度ln_e；

測評檢測的步驟：用于按照測評取樣長度lr_e沿被測管道軸線對被測管道內(nèi)壁進行測評檢測，得到一組R_ae、R_ze值；

評估取樣長度是否在適當范圍內(nèi)的步驟：用于對該組R_ae和R_ze的數(shù)值進行評估，其數(shù)值是否在測評取樣長度lr_e或測評測量長度ln_e所對應(yīng)的粗糙度輪廓的最大高度值R_a和粗糙度輪廓的算術(shù)平均偏差值R_z值范圍內(nèi)；如果“是”則確定該組R_ae和R_ze的數(shù)值為預(yù)選的R_a和R_z值，并進入下一步驟，如果“否”則回到“選取測評取樣長度和測評評定長度的步驟”；

選擇更短取樣長度的步驟：用于選取更短測評取樣長度lr_s，并獲得一組粗糙度輪廓的算術(shù)平均偏差的更短測評值R_as和粗糙度輪廓的最大高度的更短測評值R_zs，所述的更短測評取樣長度lr_s是指：比在“選取測評取樣長度和測評評定長度的步驟”所選取的最短的測評取樣長度還要短的測評長度；

確定取樣長度的步驟：如果R_as、R_zs的數(shù)值滿足相應(yīng)的取樣范圍，則確定R_as、R_zs所對應(yīng)的更短測評取樣長度lr_s為常規(guī)測量中所使用的取樣長度lr，否則選擇在“評估取樣長度是否在適當范圍內(nèi)的步驟”預(yù)選的R_a、R_z值所對應(yīng)測評取樣長度lr_e為常規(guī)測量中所使用的取樣長度lr；

常規(guī)測量的步驟：用于使用取樣長度lr采集被測管道內(nèi)壁多個部位的R_ai和R_zi值，其中：i=1，2，……，n，n為正整數(shù)；

計算平均值的步驟：用于計算R_ai和R_zi值平均值：

，

；

計算水力摩阻系數(shù)的步驟：用于將測量的作為k值代入柯氏公式中：

，

計算被測管道的水力摩阻系數(shù)λ，并繪制相應(yīng)的水力計算圖表；

公式中：λ—水力摩阻系數(shù)；D—管道內(nèi)徑；k—當量粗糙度，用代替；Re—雷諾數(shù)，計算公式為；ν—水的運動粘滯系數(shù)；V—管道平均流速；

所述的R_aEitimate、R_zEitimate、R_an、R_zn、R_ae、R_ze、R_as、R_zs、R_ai、R_zi均為在檢測過程中不同階段的R_a和R_z，用腳標變化以示區(qū)別；所述的lr_e、ln_e、lr_s均為在檢測過程中不同階段的lr、ln，用腳標變化以示區(qū)別。

進一步的，所述的取樣長度lr或測量長度ln所對應(yīng)的R_a和R_z的范圍如下：

R_a≤10微米，lr為2.5毫米，ln為12.5毫米；10微米＜R_a≤80微米，lr為8毫米，ln為40毫米；

R_z≤50微米，lr為2.5毫米，ln為12.5毫米；50微米＜R_z≤200微米，lr為8毫米，ln為40毫米。

進一步的，在所述的計算平均值的步驟之后設(shè)置：計算標準方差的步驟和判斷管道質(zhì)量步驟：

計算標準方差的步驟：

，

；

判斷管道質(zhì)量的步驟：用于通過公式計算R_a和R_z的離散系數(shù)CV_Ra、CV_Rz：

，

；

并判斷CV_Ra、CV_Rz是否小于離散系數(shù)CV的閾值，如果“是”則說明被測量管道是均勻的，否則說明被測量管件非同種材質(zhì)內(nèi)襯，或部分管件內(nèi)襯生產(chǎn)質(zhì)量不達標。

進一步的，所述的離散系數(shù)CV的閾值為：0.3。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明所述的方法使用現(xiàn)有機械加工中的表面粗糙度測量儀器通過反復(fù)調(diào)整測量長度，并確定表面粗糙度的輪廓的最大高度R_z可以作為當量粗糙度k，帶入柯爾勃洛克–懷特（Colebrook-White）公式計算水力摩阻系數(shù)λ。使水力摩阻系數(shù)的測量和計算更加方便、簡化，提高工程質(zhì)量，降低水力管道的運行費用。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。

圖1是本發(fā)明的實施例一所述方法的流程圖；

圖2是粗糙度輪廓的最大高度值R_z的示意圖；

圖3是本發(fā)明的實施例三所述方法的流程圖。

具體實施方式

實施例一：

本實施例是一種管道水力摩阻的快速評價方法。所述方法的基本思路是將機械加工中的（機械加工）表面粗糙度，引入到水利管道的內(nèi)壁表面檢測，作為管道水力摩阻系數(shù)k使用。

現(xiàn)有的方法是以R_q值表示當量粗糙度值，并給出了k≈5R_q、k≈3R_q、k≈1.6R_q等不同計算方式。

本實施例則使用了粗糙度輪廓的最大高度值R_z，使R_z≈k。表1給出R_a、R_z、R_q的實驗結(jié)果對照。由表中1-5組數(shù)據(jù)可知，R_z≈k，與5R_q相比，R_z值更接近k值，并且R_z的定義與當量粗糙度k的物理意義更接近，更能代表管道內(nèi)壁粗糙程度對水流摩阻損失的影響。

表1表面粗糙度參數(shù)和當量粗糙度k關(guān)系的試驗結(jié)果

表面粗糙度的檢測所使用的設(shè)備，可以使用觸針式表面粗糙度儀，該儀器通常用于機械加工中度量零件結(jié)構(gòu)的表面粗糙度（或表面微觀不平度）。觸針式表面粗糙度儀采用金鋼石觸針來跟蹤測量表面的粗糙度，測量時將觸針搭在工件上，與被測表面垂直接觸，利用驅(qū)動器以一定的速度拖動傳感器，由于被測表面輪廓峰谷起伏，觸針在被測表面滑行時，將產(chǎn)生上下移動，將觸針的縱向位移轉(zhuǎn)換成電信號，并通過電子裝置把這種移動信號加以放大，從而測出人眼所不能覺查到的粗糙度，該種設(shè)備具有良好的橫向分辨率，檢測精度可以達到次納米級。

其測量的主要參數(shù)包括：

取樣長度（Sampling length）lr：用于判別被評定輪廓的不規(guī)則特征的X軸向上的長度。規(guī)定和選擇取樣長度是為了限制和減弱表面波紋度對表面粗糙度的測量結(jié)果的影響，表面越粗糙，取樣長度越大。

評定長度（evaluation length）ln：用于判別被評定輪廓的X軸方向上的長度，可包含一個或幾個取樣長度。由于表面各部分的粗糙度不一定很均勻，在一個取樣長度上往往不能合理地反映某一表面粗糙度特征，故需在表面上取幾個取樣長度來評定表面粗糙度。

粗糙度輪廓的最大高度（maximum height of roughness profile）R_z：在一個取樣長度內(nèi)，最大輪廓峰高Z_p和最大輪廓谷深Z_v之和的高度，如圖2所示。

圖2中m為平均輪廓線，以平均輪廓線為分界線，測量波峰和波谷。圖2中的Z_P1~Z_P6是六個波峰，其中最大波峰為Z_P6，即為粗糙度測量長度lr內(nèi)的Z_Pmax，Z_V1~Z_V6是六個波谷，其中最大波谷為Z_V6，即為粗糙度測量長度lr內(nèi)的Z_Vmax。

粗糙度輪廓的算術(shù)平均偏差（arithmetical meandeviation of roughness profile）R_a：在一個取樣長度內(nèi)縱坐標值Z(x)絕對值的算術(shù)平均值

本實施例將粗糙度輪廓最大高度R_z≈當量粗糙度k，實踐中可將R_z值作為當量粗糙度k值代入柯氏公式：

中，

對管道的水力摩阻系數(shù)λ進行計算和評價。

本實施例所述方法的具體步驟如下：

（一）初步估算的步驟：用于估算被測管道的粗糙度輪廓的算術(shù)平均偏差的估算值R_aEitimate、粗糙度輪廓的最大高度的估算值R_zEitimate。管道內(nèi)壁粗糙度檢測的重要一步是確定取樣長度，或者是測量長度。管道粗糙度的檢測與機械加工表面粗糙度的測量，其重要的不同點在于，機械加工表面的形成是與加工過程有關(guān)，例如：車加工，刨削加工等粗加工的加工痕跡十分明顯，而磨削加工等精細加工的加工痕跡比較細密，兩者十分容易辨別，因此，在多數(shù)情況下不必過多的在意如何確定取樣長度和測量長度，直接用肉眼目視即可確定取樣長度或測量長度。對于管道內(nèi)壁粗糙度的測試則完全不同。主要由于管道的材質(zhì)性質(zhì)、加工方式等不同，而形成了管道內(nèi)壁粗糙度的多樣性。因此，需要對測量長度或取樣長度進行至少一次的評估，以找到適當?shù)臏y量長度或取樣長度。

本步驟是測量粗糙度的初始，首先根據(jù)肉眼觀察被測管道的表面粗糙度，根據(jù)觀察的結(jié)果，估計被測試件的粗糙度輪廓參數(shù)R_a、R_z的數(shù)值，為了便于區(qū)別，本步驟將該粗R_a、R_z的數(shù)值定義為粗糙度輪廓的算術(shù)平均偏差的估算值R_aEitimate、粗糙度輪廓的最大高度的估算值R_zEitimate。

（二）選取測評取樣長度和測評評定長度的步驟：用于根據(jù)R_aEitimate、R_zEitimate或粗糙度輪廓的算術(shù)平均偏差的測評值R_ae和粗糙度輪廓的最大高度的測評值R_ze選取測評取樣長度lr_e或測評測量長度ln_e。

本步驟是在兩種情況下選取測評取樣長度lr_e或測評測量長度ln_e。一種情況是初始測量，在初始測量的情況下，使用初步估計的R_a、R_z值，來下選取測評取樣長度lr_e或測評測量長度ln_e。該R_a、R_z在上一步驟定義為：R_aEitimate、R_zEitimate。還有一種情況是：已經(jīng)進行了一次初步測量或幾次測量，但還沒有達到確定取樣長度或測量長度的要求，還要進一步調(diào)整。在這種情況下，所使用的只是實驗測試值，而不是確定的R_a、R_z值，為便于區(qū)別，本實施例定義該值為粗糙度輪廓的算術(shù)平均偏差的測評值R_ae和粗糙度輪廓的最大高度的測評值R_ze，以示區(qū)別。同時使用R_aEitimate、R_zEitimate值或R_ae、R_ze值所確定的測量長度和取樣長度也不一定是將來的正式測量中一定要使用的測量長度lr和取樣長度ln，為區(qū)別起見使用測評取樣長度lr_e或測評測量長度ln_e，以示區(qū)別。

為使測量達到一定精度，必須選擇適當?shù)臏y量長度ln或取樣長度lr。而ln、lr的確定是根據(jù)R_a、R_z值的大小，而R_a、R_z值的大小正是需要測量的數(shù)值，因此，為得到精確的測量R_a、R_z數(shù)值，首先要進行實驗性測量，找到最佳的取樣長度ln或測量長度lr。

（三）測評檢測的步驟：用于按照測評取樣長度lr_e沿被測管道軸線對被測管道內(nèi)壁進行測評檢測，得到一組R_ae、R_ze值。

本步驟的測量可以使用探針是粗糙度儀進檢測。將粗糙度儀探頭沿管道軸線水平放置，使測量方向平行于被測管道內(nèi)壁軸向，按（二）中預(yù)選的測評取樣長度lr_e完成一次預(yù)測量。

（四）評估取樣長度是否在適當范圍內(nèi)的步驟：用于對該組R_ae和R_ze的數(shù)值進行評估，其數(shù)值是否在測評取樣長度lr_e或測評測量長度ln_e所對應(yīng)的粗糙度輪廓的最大高度值R_a和粗糙度輪廓的算術(shù)平均偏差值R_z值范圍內(nèi)；如果“是”則確定該組R_ae和R_ze的數(shù)值為預(yù)選的R_a和R_z值，并進入下一步驟，如果“否”則回到“選取測評取樣長度和測評評定長度的步驟”。

將測得的R_ae和R_ze的數(shù)值，與R_a和R_z值的取樣范圍和測量范圍對照表中的測量長度和取樣長度所對應(yīng)的R_a和R_z的數(shù)值范圍相比較。如果測得值超出了預(yù)選取樣長度對應(yīng)的數(shù)值范圍，則應(yīng)按測得值對應(yīng)的取樣長度來設(shè)定，即把儀器調(diào)整至相應(yīng)的較高或較低的取樣長度。然后應(yīng)用這一調(diào)整的取樣長度測得一組參數(shù)值，并再次與R_a和R_z值的取樣范圍和測量范圍對照表中數(shù)值比較。這個過程可以反復(fù)多次，以達到R_a和R_z的值在取樣范圍和測量范圍對照表值建議的測得值和取樣長度的組合。

（五）選擇更短取樣長度的步驟：用于選取更短測評取樣長度lr_s，并獲得一組粗糙度輪廓的算術(shù)平均偏差的更短測評值R_as和粗糙度輪廓的最大高度的更短測評值R_zs，所述的更短測評取樣長度lr_s是指：比在“選取測評取樣長度和測評評定長度的步驟”所選取的最短的測評取樣長度還要短的測評長度；

經(jīng)過一兩次測評檢測后，對測量長度或取樣長度已經(jīng)有了一定的范圍概念，但為使測量更加精確，還可以對取樣長度lr或測量長度ln再一次選擇一次。本步驟選擇在以前的測評步驟中沒有采用過更短的取樣長度lr_s，則把取樣長度調(diào)至更短些獲得一組R_a、R_z的數(shù)值，本步驟定義為：R_ae、R_ze，以示區(qū)別。檢查所測得的R_ae、R_ze的數(shù)值和取樣長度的組合是否亦滿足R_a和R_z值的取樣范圍和測量范圍對照表的規(guī)定。

（六）確定取樣長度的步驟：如果R_as、R_zs的數(shù)值滿足相應(yīng)的取樣范圍，則確定R_as、R_zs所對應(yīng)的更短測評取樣長度lr_s為常規(guī)測量中所使用的取樣長度lr，否則選擇在“評估取樣長度是否在適當范圍內(nèi)的步驟”預(yù)選的R_a、R_z值所對應(yīng)測評取樣長度lr_e為常規(guī)測量中所使用的取樣長度lr。

到目前為止已經(jīng)獲取了兩組R_a、R_z值，一組是：R_as、R_zs的數(shù)值，另一組是R_ae、R_ze的數(shù)值。只要R_as、R_zs的數(shù)值符合取樣范圍和測量范圍對照表，則選擇：R_as、R_zs 所對應(yīng)的lr_s、ln_s為常規(guī)測量中的lr或ln。否則就選擇R_ae、R_ze值所對應(yīng)的lr_e、ln_e為常規(guī)測量中的lr或ln。

（七）常規(guī)測量的步驟：用于使用取樣長度lr采集被測管道內(nèi)壁多個部位的R_ai和R_zi值，其中：i=1，2，……，n，n為正整數(shù)。

用上述步驟中選擇出的取樣長度lr對被檢管道內(nèi)壁進行不同部位的多次測量，完成所需參數(shù)的檢測，得到多組R_ai和R_zi值。

（八）計算平均值的步驟：用于計算R_ai和R_zi值平均值：

，

。

（九）計算水力摩阻系數(shù)的步驟：用于將測量的作為k值代入柯氏公式中：

，

計算被測管道的水力摩阻系數(shù)λ，并繪制相應(yīng)的水力計算圖表；

公式中：λ—水力摩阻系數(shù)；D—管道內(nèi)徑；k—當量粗糙度，用代替；Re—雷諾數(shù)，計算公式為；ν—水的運動粘滯系數(shù)；V—管道平均流速。

所述的R_aEitimate、R_zEitimate、R_an、R_zn、R_ae、R_ze、R_as、R_zs、R_ai、R_zi均為在檢測過程中不同階段的R_a和R_z，用腳標變化以示區(qū)別；所述的lr_e、ln_e、lr_s、ln_s均為在檢測過程中不同階段的lr、ln，用腳標變化以示區(qū)別。

實施例二：

本實施例是實施例一的改進，是實施例一關(guān)于取樣長度lr或測量長度ln所對應(yīng)的R_a和R_z的范圍的細化。本實施例所述的取樣長度lr或測量長度ln所對應(yīng)的R_a和R_z的范圍如下：

R_a≤10微米，lr為2.5毫米，ln為12.5毫米；10微米＜R_a≤80微米，lr為8毫米，ln為40毫米；

R_z≤50微米，lr為2.5毫米，ln為12.5毫米；50微米＜R_z≤200微米，lr為8毫米，ln為40毫米。

用表格表示為：

表2 R_a值的粗糙度取樣長度

表3 R_z 值的粗糙度取樣長度

表4和表5為機械加工表面粗糙度的規(guī)范，中國國家標準（GB/T 10610 2009）中推薦的粗糙度取樣長度。取樣長度的選取對粗糙度參數(shù)測量結(jié)果有較大的影響。表1中6-9組數(shù)據(jù)R_a＞10um或R_z＞50um，此時取樣長度應(yīng)為lr=8.0mm，而其取樣長度仍為lr=2.5mm，取樣長度lr偏小是造成管道的R_z值小于k值的原因。同樣，取樣長度過小，如lr≦0.8mm，測得的R_z值偏小，也不能很好地代表內(nèi)壁粗糙度對水流紊動的影響。

表4機械加工中的R_a值的粗糙度取樣長度

表5機械加工中的 R_z值的粗糙度取樣長度

實施例三：

本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例關(guān)于使用計算出的R_a、R_z值評價管道內(nèi)壁質(zhì)量的方法，流程見圖3所示：

所述的計算平均值的步驟之后設(shè)置：計算標準方差的步驟和判斷管道質(zhì)量步驟：

計算標準方差的步驟：

，

；

判斷管道質(zhì)量的步驟：用于通過公式計算R_a和R_z的離散系數(shù)CV_Ra、CV_Rz：

，

；

并判斷CV_Ra、CV_Rz是否小于離散系數(shù)CV的閾值，如果“是”則說明被測量管道是均勻的，否則說明被測量管件非同種材質(zhì)內(nèi)襯，或部分管件內(nèi)襯生產(chǎn)質(zhì)量不達標。

本實施例通過比較測量結(jié)果的離散系數(shù)（標準差與其均值的比值），使離散系數(shù)CV＜0.3，從而確保所測量管道的均勻性，否則應(yīng)認為所測量管件非同種材質(zhì)內(nèi)襯，或部分管件內(nèi)襯生產(chǎn)質(zhì)量不達標。用此種方式可以判斷水力管道的材質(zhì)和質(zhì)量，以提高工程質(zhì)量。

實施例四：

本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例關(guān)于離散系數(shù)的細化。本實施例所述的離散系數(shù)CV的閾值為：0.3。

本實施例給出了適用于評價管道水力摩阻系數(shù)的粗糙度取樣長度（表2、表3），以及測量結(jié)果評價標準（離散系數(shù)CV＜0.3）。

最后應(yīng)說明的是，以上僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳布置方案對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案（比如測量儀器的選型、各種公式的運用、步驟的先后順序等）進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。