水头及水头损失的计算

水头：水工建筑物中将水源引至一定高程时的高度称水头。

也可以理解为一定高度的单位质量的水具有的能量。

水力发电的两个主要因素是水头和流量，即水的落差和水面的宽度要足够才能产生足够的能量发电。

水流在运动过程中单位质量液体的机械能的损失称为水头损失
产生水头损失的原因有内因和外因两种，外界对水流的阻力是产生水头损失的主要外因，液体的粘滞性是产生水头损失的主要内因，也是根本原因。

编辑本段计算方法
曲线1
单位重量的水或其他液体在流动过程中因克服水流阻力作功而损失的机械能，具有长度因次。

水头损失可分为沿程水头损失h f及局部水头损失h j两类。

某流段的总水头损失h w为各分段的沿程水头损失与沿程各种局部水头损失的总和
沿程水头损失
克服沿程摩擦阻力作功而损失的水头，它随着流程长度而增加。

恒定均匀管流沿程水头损失的达西－魏斯巴赫公式
公式1
式中g为重力加速度；d、l、v为管道直径、流段长
公式2
度、断面平均流速；λ为无因次系数,称为沿程摩阻系数。

式(2)亦适用于明渠水流，式中管径d须代以明渠水力半径R（见谢才公式）的4倍。

德国学者J.尼库拉德塞曾用人工砂粒粗糙的办法进行系统试验, 结果绘成以1g(100λ)及lg Re(雷诺数，ν为液体运动粘滞系数)为纵横坐标,以相对粗糙度r0/κs(r0为圆管半径,κs为砂粒粗糙高度)为参数的曲线图。

图中ɑb线代表层流区，。

c以右为紊流区,又可分为三个流区：①光滑区(cd 线), λ=f(Re)；②完全粗糙区(ef线以右的B区)属充分发展了的紊流, , ,又称阻力平方区;
③过渡粗糙区(cd、ef线间的A区),λ=f(Re,κs/r0)。

b、c之间为层流转变为紊流的过渡
区，试验点子乱，范围狭窄，一般可作紊流对待。

b点，Re≈2300；c点Re≈4000。

明渠均匀流的λ值也有类似的变化规律。

曲线2
水头损失
工程界习惯沿用一些经验公式和图表计算沿程水头损失。

明渠流实际上多属阻力平方区，广泛采用谢才公式和曼宁公式。

参数图
局部水头损失
仪器
在流动局部地区因边界急局改变引起流动急剧调整、消耗能量而损失的水头。

管渠中进水口、弯段、门槽、断面突然扩大或突然收缩，管道中设置阀门、接头或其他配件，常引起流动分离并发生旋涡。

旋涡的形成与衰减及流速分布的急剧改变均会消耗液体机械能。

高雷诺数下的水流试验表明，局部水头损失近似地与该局部地区的特征流速水头成正比，即：
(3)
局部水头损失系数ζ的大小基本上取决于流动的几何条件，如断面急剧改变前后的面积比，弯管相对曲率半径，阀门的形状和尺寸等，ζ值由实验测定。

低雷诺数流动的ζ值不仅与流动几何条件而且与流动状态(Re值)有关。