파이프 네트워크 및 압력 손실

유체가 폐쇄 된 채널(예 :파이프, 튜브, 혈관)을 통해 흐르면 채널 벽에서 마찰 저항을 극복해야합니다. 이로 인해 기계 에너지가 열로 변환됨에 따라 유동 방향에서 압력이 지속적으로 손실됩니다. 이 실험은 내부 흐름 시스템에서 이러한 압력 손실을 측정하고 모델링하는 데 중점을 둡니다.

채널을 따라 압력 강하를 측정하기 위해 이 실험에서는 정압 변이 원리를 사용합니다. 고정된 유체에서 압력은 유체 중량(Eqn. 1, 도 1a)으로 인한 깊이에 따라 달라집니다.

(1)

여기서 두 지점에서의 압력은 유체 밀도이고, g는 중력 가속이고, h₁ 및 h _2는 기준 수준에서 점의 깊이(중력 방향으로 측정)이다. 일반적인 주변 조건에서, 물의 밀도는 998kg m -3= 998kg^m-3이며 공기밀도는 ₌ 1.15 kg^m-3이다. << 때문에,공기의 정압 변동은 액체 정압 변동에 비해 소홀히 할 수 있으며, 주변 대기압은 균일하다고 가정할 수있다(P_atm ~ 101 kPa). 이 원리에 따라, 채널 흐름을 따라 압력 강하는 채널에 연결된 수직 오픈 탑 튜브의 유체 레벨의 차이에 의해 측정될 수 있다: (도 1b). 이러한 액체 수준 기반 압력 측정 장치는 기압계라고합니다.

채널 의 길이를 따라 압력 손실은 Darcy 마찰 계수 공식 (Eqn. 2)으로 예측 될 수있다. 여기서, 내부 직경 D를가진 채널의 길이(L)를 따라 압력 손실이다. U는 유체의 체적 유량(예를 들어, m3^s-1)으로정의된 평균 채널 속도(예를들어,^m2, 원형 채널용)로 나눈다. f는 서로 다른 채널 형상 및 유량에 대한 다른 추세를 따르는 Darcy 마찰 계수입니다. 이 실험에서 마찰 인자는 튜브의 직선 및 헬이드 길이를 위해 실험적으로 측정되며 이전에 발표된 수식과 비교됩니다.

(2)

채널 흐름 마찰 계수 동향은 유체 점도(마찰 효과)의 효과에 유체 관성에서 효과의 상대적 강도를 측정하는 레이놀즈 수(Re)에 의존합니다. 재는 유체 동적 점도(주변 조건에서 물의 경우 ~0.001 kg m^{-1 s-1)로} 정의됩니다. 낮은 Re (2000 직선 채널)에서 점성 효과는 흐름에서 에디를 축축하기에 충분히 강하여 매끄러운 라미나르 흐름으로 이어집니다. 더 높은 Re (2000)에서 임의의 에디는 흐름에서 형성되어 난류 동작으로 이어질 수 있습니다. 직선 원형 채널 흐름에 일반적으로 사용되는 마찰 계수 모델은 Eqn. 3에 제시됩니다.

(3)

유체가 헬리칼 튜브 코일을 통해 흐르면, 이차 내부 vortices 형태 (도 1c). 그 결과 마찰 계수는 튜브 곡률의 상대적 영향을 차지하는 딘 수에 따라 달라집니다. 여기서 R은 튜브로 중간축으로 중앙 축에서 측정된 튜브 코일의 반지름입니다. 일반적인 상관 관계는 다음과 입니다.

(4)

파이프 피팅, 밸브, 팽창/수축 및 기타 장애물도 압력 손실을 유발합니다. 이러한 사소한 손실을 모델링하는 한 가지 방법은 동일한 압력 강하(Le/D)를 산출하는 데 필요한 일반 채널의 동등한 길이의 관점에서 볼 수 있습니다. 여기서, 유입구/출구 채널 길이(도 1d)에서 마찰 계수 및 유량 속도이다.

(5)

대표적인 동등한 채널 길이의 테이블은 일반적인 배관 구성요소(c.f.[ [1])에 대한 핸드북에 보고됩니다. 이 실험은 날카로운 90°벤드 피팅(팔꿈치)에 해당하는 길이를 측정합니다. 이러한 피팅에 대한 일반적인 보고된 동등한 길이는 L_e/D~ 30입니다.

측정된 마찰 계수 및 이와 동등한 길이 데이터는 도 3a-c에 제시된다. 직선 튜브 섹션의 경우 D = 6.4mm 및 L = 284mm가 있는 명확한 PVC 튜브가 사용됩니다. 측정된 유량(0.75 - 2.10 l min^-1)은난류 조건에 해당합니다(Re = 2600 - 7300). 마찰 계수는 분석 모델의 예측과 실험적 불확실성 내의 예측과 일치합니다. 상대적으로 높은 f 불확실성은 선택된(저가) 유량계(± 0.15 lmin^-1)의제한된 정확도로 인해 낮은 유량에서 발견된다.

튜브 코일 케이스에 대한 마찰 계수 결과는 또한 실험적 불확실성 내에서 제공된 상관관계(Eqn. 4)와 일치한다(도 3b). 반경 R = 튜브 내지름 D = 6.4mm의 코일 루프 5개가 사용된다. 여기서 딘 번호는 500 -5600이며, 이는 Eqn. 4의 라미나르 부분에 해당합니다. 측정된 마찰 계수는 동일한 유량의 직선 단면보다 상당히 높습니다. 이는 코일 튜브 지오메트리의 안정화 효과에서 비롯되어 난기류로의 전환을 높은 Re로 지연시합니다.

팔꿈치 케이스의 경우 4개의 팔꿈치 피팅(재료 목록의 부품 번호)이 사용되며, 짧은 길이의 D = 6.4mm 튜브로 연결됩니다. 각 팔꿈치 피팅 접근법(L e/D)의 동등한 마찰 길이(Le/D)~ 30 -40 에서 높은 Re (도 3c). 이는 일반적으로 보고된 값 30과 유사합니다. 실제 마찰 저항은 피팅 형상에 국한되며 보고된 Le/D 값은 지침으로만 간주되어야 합니다.

그림 1: . 유체의 고정 된 체체에서 유압 변이의 회로도. b. 오픈 탑 기마계로 측정된 튜브의 직선 길이를 따라 압력 변경. c. 코일 튜브의 회로도, 내부 vortices는 단면 보기에 표시.

도 2: (a)회로도 및(b)압력 낙하 측정 시설의 사진. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 마찰 계수 및 동등한 길이 측정 및 모델 예측 :직선 튜브, b. Coiled 튜브, c.팔꿈치 피팅.

요약

이 실험에서는 내부 흐름 네트워크에서 압력 강하 마찰 계수와 동일한 길이를 측정하는 방법을 보여 줍니다. 모델링 방법은 직선 튜브, 코일 튜브 및 파이프 피팅을 포함한 일반적인 흐름 구성에 대해 제공됩니다. 이러한 실험 및 분석 기술은 유체 흐름 시스템 설계를 위한 핵심 엔지니어링 도구입니다.

응용 프로그램

내부 유량 망은 발전 플랜트, 화학 처리, 열교환기 내부의 흐름 분배, 유기체의 혈액 순환 등 다양한 응용 분야에서 발생합니다. 모든 경우에 압력 손실 및 펌핑 요구 사항을 예측하고 모델링할 수 있어야 합니다. 이러한 흐름 시스템은 피팅 또는 접합부로 연결된 직선 및 곡선 채널의 섹션으로 분해될 수 있습니다. 이러한 구성 요소에 마찰 계수 및 사소한 손실 모델을 적용하여 전체 네트워크 설명을 공식화할 수 있습니다.

재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	코멘트
설비
잠수정 워터 펌프	유니라이프	B018726M9K
덮여 플라스틱 용기			이 연구에 사용되는 물 저수지, 플라스틱 식품 용기.
물 흐름 계측기	UX셀	LZM-15	로타미터, 0.5 – 4.0 l 분-1
경질 클리어 PVC 튜브	맥매스터	53945K13	테스트 섹션 및 기마계, 1/4"ID, 3/8" OD
유연한 소프트 PVC 튜빙	맥매스터	5233K63 5233K56	튜브 연결 및 코일 테스트 섹션용
플라스틱 튜브 피팅 티	맥매스터	5016K744	테스트 섹션 입구 및 콘센트 연결/기마계용
플라스틱 튜브 피팅 팔꿈치	맥매스터	5016K133	팔꿈치가 있는 테스트 섹션의 경우