管道网络和压力损失
Overview
资料来源: 贾斯汀, 宾夕法尼亚州立大学机械与核工程系, 大学公园, 宾夕法尼亚州
本实验介绍了管网和内流系统压力损失的测量和建模。在这种系统中, 通道壁、接头和障碍物的摩擦流阻力会使机械能以流体压力的形式转化为热能。需要对尺寸流硬件进行工程分析, 以确保可接受的摩擦压力损失, 并选择满足压降要求的泵。
在这个实验中, 一个管道网络是建立在共同的流动特点: 直长度的油管, 螺旋管线圈, 和弯头配件 (尖锐90°弯曲)。压力损失测量是收集在每组组件使用压力-简单的设备, 测量流体压力的液体水平在一个开放的垂直列。由此得出的压力损失曲线与内部流动模型的预测结果进行了比较。
Principles
当流体流经封闭通道 (如、管道、导管、血管) 时, 必须克服通道壁的摩擦阻力。当机械能被转换成热量时, 这会导致在流动方向上的压力持续的损失。本实验的重点是测量和建模的这种压力损失的内部流动系统。
本实验将采用静水压变化的原理来测量压降沿通道。在静止流体中, 压力只因流体重量而变化 (Eqn 1, 图 1a)。
(1)
这里和是两点的压力, ρ是流体密度, g是重力加速度, 而h1和
h2是深度 (以重力的方向测量) 点从参考级别。在典型的环境条件下, 水的密度为ρw = 998公斤 m-3 , 空气密度为ρ= 1.15 公斤 m-3。由于ρa < < ρw, 与液体静压变化相比, 空气的静水压变化可以忽略不计, 并且环境大气压可以被假定为均匀 (Patm ~ 101 人民军)。按照这一原则, 沿通道流量的压降可以通过连接到通道的垂直顶管中的流体水平差来测量: (图 1b). 
这种基于液位的压力测量装置称为压力。
通过达西摩擦因数公式 (Eqn 2) 可以预测沿通道长度的压力损失。在这里, 是沿长度 ( 
L) 的通道与内径D的压力损失。
U是平均通道速度, 定义为流体的体积流率 (例如, 在 m3 s-1中) 除以通道横截面区域 (如, 在 m2中, 用于循环通道的)。f是达西摩擦因数, 它遵循不同的通道几何图形和流速的不同趋势。在这项实验中, 摩擦因数将被测量为直和螺旋连续长度的管, 并与以前公布的公式进行比较。
(2)
通道流摩擦因数的变化趋势取决于雷诺数 (Re), 它测量的相对强度的影响, 从流体惯性的影响, 流体粘度 (摩擦效应)。
Re 被定义为, 其中是流体动态粘度 (0.001 
千克 m-1 -1 , 用于环境条件下的水)。在低 Re (2000 直通道) 中, 粘性效果足以使流中的漩涡受潮, 从而导致平滑的
层流流。在高 Re (2000) 中, 随机涡旋可以在流中形成, 导致湍流行为.
在 Eqn 3 中, 给出了常用的直圆沟道流的摩擦因数模型。
(3)
当流体流经螺旋管线圈时, 次级内涡形成 (图 1c)。因此, 摩擦因数也取决于院长编号, 这是由于管曲率的相对影响:. 
这里R是管线圈的半径, 从中心轴测量到导管的一半。的一个常见关联是:
(4)
管件、阀门、膨胀/收缩和其他障碍物也会造成压力损失。对这种小损失进行建模的一种方法是, 在产生相同的压力降 (Le/D) 所需的纯通道的等效长度方面。这里, 和是入口/出口通道长度中的摩擦因数和流速 (图 1d). 
(5)
通用管道组件 (鸡毛, [1]) 的手册中报告了具有代表性的等效通道长度表。本实验将测量夏普90°弯管接头 (弯头) 的当量长度。此类管接头的典型报告等效长度为Le/D 30。
Procedure
1. 管道系统的制作 (见示意图和照片, 图 2)
- 在工作表面粘贴 (胶带或胶水) 一个小型的塑料蓄水池。如果它是一个覆盖的容器, 钻孔在盖子为入口和出口水线和泵浦电源线。
- 在水库中安装小型潜水泵。
- 在工作区垂直安装流量计 (水流流量计)。它可以帮助把流量计带到一个小的垂直梁或 L 型托架, 以保持直立。将流管从泵出口连接到流量计入口 (下端)。
- 将塑料压缩接头三通连接到刚性塑料管段的两端 (推荐长度为L ~ 0.3 米, 内径为D ~ 6.4 mm)。在管夹上安装三通。将橡胶管从一个三通 (进口) 连接到流量计出口。将橡胶管从其他三通 (出口) 连接到蓄水池。
- 用两个安装的三通装置构造第二个组件。缠绕在一个圆柱形的核心 (推荐纸板管, R 〜30毫米和〜5油管包装) 的软塑料油管长缠绕螺旋。拉链或夹子可以帮助保持油管盘绕。将油管的两个自由端安装到三通接头上。
- 用两个安装的三通装置建造第三个组件。连接四 (或更多) 肘部与短长度的刚性塑料管之间的三通。采用多弯头放大压降读数, 提高测量精度。
- 在六三通接头上的开放端口上安装透明的刚性塑料管 (0.6 米)。使用一个水平, 以确保管是垂直的。这些管子将是压力 (压力测量装置)。
- 把水库灌满水。
2. 操作
- 直管:打开泵, 调整流量计阀, 以改变水流速率。每种情况下, 记录每个压力管的水流流速和垂直水位。根据压力计水平的差异记录压降 (Eqn 1)。
- 连续管:将连续的试验段入口连接到流量计出口, 并将测试段出口到储油层。如步骤2.1 所示, 记录水流流速和压力下降的一些流量。
- 弯头接头:将弯头试件连接到流量计和油藏。收集一组流量和压力测量, 如步骤2.2 所示。
3. 分析
- 对于直管的情况, 评估雷诺数和摩擦因数f (Eqn. 2)。评价雷诺数和摩擦因数不确定度 (Eqn. 6)。这里
ep是压力测量的不确定度 (, 是压计水平的不确定性), 而 e
U是平均通道速度的不确定性 (从流量计数据表中, 典型的不确定性为 3-5% 的范围)。对于室温下的水 (°), ρ = 998 公斤 m-3和µ = 0.001 公斤 m-1 s-1。
(6) - 将步骤3.1 中的摩擦因数结果与分析模型 (Eqn. 3) 进行比较。
- 对连续管壳重复步骤3.1。此时, 从ΔP中减去测试部分的直线部分的预测压降 (Eqns. 2-3)。在这里, 我们假设的不确定性在直长压力校正是微不足道的。将测量的摩擦系数与相关值进行比较 (Eqn. 4)。
- 对肘管接头情况重复步骤3.2。减去在弯头管件之间的直管长度的预测压力降, 以获得更正的压力损失.
评估每个弯头的等效长度和不确定度。在这里, Ne是管道弯头的数量。
(7) - 将等效长度结果 (Le/D) 与典型的报告值进行比较 (~ 30)。
Results
在图3中, 给出了测量的摩擦因数和等效长度数据。对于直管部分, 使用D = 6.4 mm 和L = 284 mm 的透明 PVC 管。测量的流速 (0.75-2.10 升 min-1) 对应于湍流条件 (Re = 2600-7300)。摩擦因数将分析模型中的预测与实验不确定度相匹配。由于所选 (低成本) 流量计 (±0.15 升 min-1) 的精确度有限, 在低流速下发现了相对较高的f不确定性。
在实验不确定度 (图 3b) 中, 管线圈壳的摩擦因数结果也与所提供的相关 (Eqn. 4) 相匹配。五圈半径为R = 33 mm 带管内径D = 6.4 mm 使用。这里, 院长编号是 500-5600, 对应于 Eqn 的层流部分. 4。在等流速下, 测量的摩擦因数明显高于直断面。这源于线圈管几何的稳定效应, 从而延缓了湍流向高 Re 的过渡。
为手肘案件, 4 手肘配件 (零件号在材料名单) 使用, 由短的长度连接的D = 6.4 毫米管材。每个弯头拟合方法的等效摩擦长度 (Le/D) ~ 30-40 在高 Re (图 3c)。这类似于通常报告的值30。请注意, 实际的摩擦阻力特定于管接头几何, 并且报告的Le/D值只应视为准则。
图 1:a. 静止流体静压变化的示意图。b. 沿直管长度的压力变化, 用开顶压力测量。c. 连续管的示意图, 在剖面视图中显示内涡。
图 2:(a) 压降测量装置的示意图和 (b) 照片。请单击此处查看此图的较大版本.
图 3:摩擦因数和等效长度测量和模型预测: a. 直管, b. 盘绕管, c. 弯头配件
Application and Summary
摘要
本实验演示了测量内流网络中压降摩擦因数和当量长度的方法。提出了常见的流动配置, 包括直管、连续管和管件的建模方法。这些实验和分析技术是流体流动系统设计的关键工程工具。
应用程序
内部流动网络在许多应用中出现, 包括发电厂、化学处理、换热器内部的流动分布和生物体内的血液循环。在所有情况下, 关键是能够预测和模型压力损失和抽水要求。这样的流系统可以分解成直线和弯曲通道的部分, 由连接件或接头相连。通过将摩擦因数和小损耗模型应用于这些元件, 可以对整个网络描述进行表述。
材料列表
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
| 设备 | |||
| 潜水水泵 | Uniclife | B018726M9K | |
| 覆盖塑料容器 | 水水库、塑料食品容器在本研究中的应用。 | ||
| 水流流量计 | UXCell | LZM-15 | 流量计, 0.5 – 4.0 l 分钟-1 |
| 刚性透明聚氯乙烯管 | 麦克马斯特 | 53945K13 | 对于测试节和压力, 1/4 ID, 3/8 " OD |
| 柔性软聚氯乙烯管材 | 麦克马斯特 | 5233K63
5233K56 |
用于油管连接和线圈试验段 |
| 塑料管接头三通 | 麦克马斯特 | 5016K744 | 用于测试部分入口和出口连接/压力 |
| 塑料管配件弯头 | 麦克马斯特 | 5016K133 | 带弯头的试验段 |
References
- Perry, D.W. Green, J.O. Maloney, Perry's Chemical Engineers' Handbook, 6th Editio, McGraw-Hill, New York, NY, 1984.
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