管道网络和压力损失

管道网络常见于工程和自然系统中，因为它们可以有效地运输、循环和分配流体。从您家的水龙头流出的水流经复杂的城市供水系统，这是工程管道网络的一个很好的例子。当流体在管道网络中循环时，它会遇到来自通道壁和配件的摩擦阻力，并且流体流在克服这些流动阻力时会失去压力。表征和了解这些压力损失对于在新设计中指定正确的组件和尺寸或诊断现有系统中的问题是必要的。在本视频中，我们将演示一种测量管网内压降的简单方法，并讨论一些用于预测损耗的标准模型和一些常见的几何形状。之后，将采用这些方法进行实验测量压力损失，以便与模型进行比较。最后，我们将讨论管道网络和压力损失的其他一些应用。

每当流体流经封闭通道时，它都会遇到来自通道壁的一些摩擦阻力。因此，流体的一小部分机械能被转化为热量，导致流动方向上的压力持续损失。在给定的系统中，可以通过测量通道上离散点的流体压力来表征这种压力损失，这通常使用称为压力计的简单液位设备来完成。压力计是连接到管道通道的开放垂直或倾斜的管子部分，因此它部分充满液体。液柱的高度与沿通道该点的液位成正比。因此，两点之间的压力差或 Delta P 可以通过两个压力计之间的液体高度或 Delta H 的变化来确定。遗憾的是，直接测量并不总是可行的，而且在构建系统之前，通常必须预测压力损失，以确保足够的流体流速。在这些情况下，达西摩擦系数公式可用于预测摩擦压力损失。在这个方程中，Delta P 是具有圆形横截面和内径 D 的通道在长度 L 上的压力损失，row 是流体密度，U 是平均流速，定义为体积流速除以通道的横截面积，f 是达西摩擦系数，它遵循基于雷诺数和通道几何形状的不同经验和理论推导的趋势。有关用于直圆形通道和螺旋线圈的模型，请参阅文本。管网中的各个渠道部分由离散的配件（如阀门、膨胀管和弯头）连接，这些配件也会导致压力损失。通过这些接头的压力损失称为微小损失，有时以产生相同压降所需的直通道的等效长度来报告。这些损失仍然使用达西摩擦系数公式进行建模，该公式使用连接通道的摩擦系数和流速以及按管件内径缩放的等效长度的表格值。管道系统中的总损耗只是各个部分和配件的所有损耗的总和。在下一节中，我们将测量不同代表性管道配置中的这些损失，以确定摩擦系数和等效长度。

在开始设置之前，请确保您有一个空旷的工作区和一个用于组装组件的平坦表面。将储水器固定在表面，必要时为进水和出水口以及泵电源线钻孔。将潜水泵安装在储液罐中。现在在储液罐附近安装一个小的垂直梁或 L 形支架。将转子流量计垂直安装在横梁上，并使用一段管子将泵出口连接到转子流量计入口。转子流量计是一种根据小珠子的浮动液位指示流体体积流量的仪器。按照文本中的描述构建三管测试部分。完成后，您应该有一个直截面、一个盘绕截面和一个具有多个弯头弯曲的截面。仔细记录任何直线段的长度以及从线圈中心轴到管材中点测量的线圈半径。使用管夹将所有三个部分安装到表面。调整两端的 T 接头，使分支侧端口朝上，然后在这些端口上安装透明的脊管以形成压力计。使用水平仪确保压力计管垂直。最后，将管子的一部分连接到转子流量计的出口，并将第二根管子返回储液罐。这两个管子将连接到测试部分的输入和输出，以在实验过程中形成一个完整的回路。将水箱装满水，准备工作完成。

将转子流量计输出端的管子连接到直线测试段的一端，并将回流管连接到另一端。现在打开泵并调整转子流量阀以最大限度地提高流速。一旦所有空气都从管道回路中挤出，关闭泵。一旦流动回路充满，您可能需要向水箱中添加额外的水。一旦所有空气都从管道回路中挤出，关闭泵并比较两个压力计中的水高度，从 T 接头的顶部开始测量。如果两个高度不同，请使用垫片调平测试表面，直到测量的高度相同。重新打开泵，等待片刻让流量稳定后，记录两个压力计管中的流速和垂直水位。现在调整转子流量阀以略微限制流量并记录新的流量和压力计液位。重复此过程，以 6 或 7 个流速收集直线测试部分的数据。完成后，对其他两个测试部分重复实验，包括根据需要重新调整每个新部分的测试表面。

首先，查看 straight test 部分的数据。在每个流速下，您都可以测量每个压力计中的水高。使用压力计高度的差异来确定测试部分的总压降。然后，通过将从转子流量计测得的流速除以管的横截面积来确定管中的平均流速。接下来，计算此流速动的雷诺数。将结果与达西摩擦系数公式和测试截面的测量值相结合，以求解摩擦系数。对于长度为 284 毫米、内径为 6.4 毫米的直线段，测得的流量从每分钟四分之三升到每分钟两升，对应于湍流条件。传播不确定性以确定雷诺数和摩擦系数的总不确定性，如文中所述，然后将结果与直线截面的模型预测一起绘制。在实验不确定性内，摩擦因子与模型的预测相匹配。在低流速下，摩擦系数的不确定性相对较高是由于流量计的精度有限。现在查看盘绕测试部分的数据。和以前一样，确定每个流速下的总压降、平均流速和雷诺数。该截面中的总压降是直线部分和盘绕部分的压降之和，因此请使用达西摩擦系数公式和直线通道模型来估计直线截面的贡献，并从总数中减去。使用剩余压降和线圈半径的测量值来确定盘绕部分的摩擦系数。再次传播雷诺数和摩擦系数的不确定性，假设直线截面的校正不确定性可以忽略不计。绘制这些结果以及卷绕截面的模型预测。雷诺数介于 1,700 和 5,200 之间，对应于给定管径和线圈半径的 500 到 1,600 之间的迪恩数。这些值位于线圈摩擦系数公式的层流部分内。这些测得的摩擦系数在实验不确定度内也与模型相匹配，并且对于给定的流速，它们明显高于直线截面中的摩擦系数。由于盘管几何形状的稳定作用，它延迟了向湍流到更高雷诺数的过渡，该几何形状约为 9,900，因此这种情况会增加。现在看一下第三个测试部分的数据。再次确定每个流速下的总压降、平均流速和雷诺数。该部分的总压降是由于每个 N 弯头的直线部分和少量损失之和。再次使用 Darcy Friction Factor 公式和直线通道模型来估计和减去直线截面的贡献。剩余的压降是由于测试部分的 N 弯头配件造成的。将此压降与直线截面的摩擦系数和直径一起使用，以计算单个弯头配件的等效长度。传播 Reynolds 数和等效长度的不确定性并绘制结果。随着雷诺数的增加，等效长度与管道内径的比率接近 30，正如表格值所预期的那样。请注意，实际的摩擦阻力特定于配合几何形状，因此这些表格值仅应作为指导值。

现在您已经更熟悉了管网和压力损失，让我们看看这些概念的一些实际应用。热交换器通常由两个独立的管道网络组成，它们使热流体和冷流体紧密热接触，不允许它们混合。在设计换热器时，必须进行压降分析，以确保泵能够提供足够的流体流速并达到所需的传热速率。动脉中的斑块积聚会降低血液流动的有效直径。因此，心脏必须更加努力地工作以补偿额外的压力损失。在极端情况下，积聚会增加动脉完全阻塞或心力衰竭的风险。在血管成形术中，医生会插入支架以重新扩张动脉并恢复正常血流。

您刚刚观看了 Jove 对管道网络和压力损失的介绍。现在，您应该了解如何使用达西摩擦系数公式（包括离散管件的微小损失）确定管网中的压力损失。最后，您已经了解了如何使用压力计管通过实验确定通过通道的压力损失。感谢观看。