Excel软件在非满流圆管水力计算中的应用

摘　要：本文通过对非满流圆管的计算公式及常用的计算步骤进行分析，利用Excel软件对非满流圆管的水流条件进行自动计算，有效地简化了计算过程，提高了非满流圆管水力计算的效率

关键词：Excel， 非满流圆管， 水力计算
一、概述 
    非满流圆管水力计算是给排水水力计算中的要点和难点，在实际的水力计算过程中，一般依据水力计算的已知条件，通过查《水力计算表》进行不断地调整，以获取最接近于实际值的近似值，计算过程较为繁琐且容易出错。Office是大家熟知并经常使用的办公软件，而Excel作为Office软件套装的其中一个子软件，是一个功能十分强大而且十分易于使用的动态数据分析工具，可以利用公式和函数完成自动的数学计算，有效地处理数组和控制计算。本文通过对非满流圆管的计算公式及常用的计算步骤进行分析，利用Excel软件对非满流圆管的水流条件进行自动计算，有效地简化了计算过程，提高了非满流圆管水力计算的效率。
二、非满流圆管水力计算主要计算公式
　　给排水工程中，污水管道属非满流圆管，是较为重要且复杂的水力计算，根据《室外排水设计规范》（GB 50014-2006），主要计算公式为：
　　Q=V*A
　　V=
　　式中，
　　    Q — 流量（L/s）；
　　    V — 流速（m/s）；
　　    A — 过水面积（㎡）；
　　    — 粗糙系数；
　　    —水力半径（m）；
　　    —水力坡度
　　在进行污水管道计算时，一般主要通过流量Q及流速V两个约束条件，通过查水力计算表，对水力坡度、管径D及充满度进行选取，使得各参数符合规范及计算管道的实际要求。我们可以经过对管道过水断面的函数关系进行分析后，利用Excel软件进行公式和函数的自动计算。
三、主要关系式
　　管道过水断面的主要函数关系如下：
　　　 
　　    与θ关系1                  与θ关系2
　
　　对应地，R1=(θ1-SIN(θ1)*COS(θ1))*D/4/θ1
　　            R2=(π-θ2+SIN(θ2)*COS(θ2))/2/(π-θ2)*D/2
四、Excel软件在非满流管道计算中的应用
    在Excel软件中，可利用IF函数进行逻辑判断，如＜0.5则在V=式中R取R1值，反之取R2值。
　　利用Excel软件计算的过程式如下：

                      根据D、v计算流量Q
　　
　　在Excel表格中输入相关关系式，可得如下电子表格：

　　注：阴影部分为可调整值，无背景部分为计算结果，θ1、θ2、R1及R2为中间值
　　在利用本表格进行计算时，阴影部分的n、D、H/D及I值可在满足规范及计算管道的要求的前提下任意调整，直接输入数值后Q和v值立即可以显示，读者可根据原已求出的设计流量Q值的要求，主要通过调整H/D，求出此管段当过流能力为设计流量Q时的H/D及v值（实际上，此计算过程为拟合管内水流实际情况的过程），如H/D、I及v值满足规范及计算要求，就完成了该管段的水力计算。
五、结语
　　通常，在给排水管道计算中，非满流圆管计算比压力管、满流管复杂，以上介绍了Excel软件在非满流圆管计算中的应用，读者可采用类似的方法，分析好各约束条件之间的关系，利用Excel软件进行管道的自动计算。另外，压力管、满流管通常为给水管和雨水管的计算，可以直接在计算表中整合，使得计算过程更为简洁。由于较为容易实现，本文不另外叙述。
　　管道水力计算是给排水管道设计的重要组成部分，计算过程较为繁琐，减少管道水力计算的工作强度、提高设计效率，一直是给排水设计工作者的努力方向。本文主要介绍了Excel软件在非满流圆管计算中的应用，供同行们今后在管道水力计算中作为参考。

参考文献：
[1] 《室外排水设计规范》（GB 50014-2006）
[2] 孙慧修. 排水工程（第三版）.中国建筑工业出版社，1996.
[3] 晶辰工作室. Excel2000公式和函数应用实例指南：电子工业出版社，2002