配管ネットワークと圧力損失

配管ネットワークは、流体を効率的に輸送、循環、および分配できるため、設計された自然システムで一般的に見られます。あなたの家の蛇口から出てくる水は、設計された配管ネットワークの優れた例である複雑な都市給水システムを通過します。流体が配管ネットワークを循環すると、流体はチャネル壁と継手からの摩擦抵抗に遭遇し、流体の流れはこれらの流れ抵抗を克服するときに圧力を失います。これらの圧力損失を特徴付けて理解することは、新しい設計で正しいコンポーネントとサイズを指定したり、既存のシステムの問題を診断したりするために必要です。このビデオでは、パイプ ネットワーク内の圧力損失を測定するための簡単なアプローチを説明し、損失を予測するためのいくつかの標準モデルといくつかの一般的な形状について説明します。その後、これらの方法を使用して、モデルとの比較のために圧力損失を実験的に測定します。最後に、配管ネットワークと圧力損失の他のいくつかのアプリケーションについて説明します。

流体が閉じたチャネルを流れるたびに、チャネル壁からの摩擦抵抗が発生します。その結果、流体の機械的エネルギーの一部が熱に変換され、流れの方向に圧力が継続的に失われます。この圧力損失は、マノメーターと呼ばれる単純な液面装置を使用して、チャネルに沿った離散的なポイントで流体圧力を測定することにより、特定のシステムで特徴付けることができます。圧力計は、配管チャネルに接続されたチューブの開いた垂直または傾斜したセクションであり、部分的に液体で満たされます。液柱の高さは、チャネルに沿ったその点の液面に正比例します。したがって、2点間の圧力差またはデルタPは、2つの圧力計間の液体高さまたはデルタHの変化から決定できます。残念ながら、直接測定を行うことは必ずしも現実的ではなく、適切な流体流量を確保するためには、システムを構築する前に圧力損失を予測する必要があることがよくあります。このような状況では、Darcy Friction Factorの式を使用して摩擦圧力損失を予測できます。この式では、Delta Pは円形の断面と内径Dを持つチャネルの長さLにわたる圧力損失、rowは流体密度、Uは平均流速であり、体積流量をチャネルの断面積で割ったものとして定義され、fはレイノルズ数とチャネル形状に基づいて経験的および理論的に導出されたさまざまな傾向に従うダルシー摩擦係数です。直線の円形チャネルとヘリカルコイルに使用されるモデルについては、テキストを参照してください。パイプ ネットワーク内のさまざまなチャネル セクションは、バルブ、エキスパンダー、ベンドなどの個別の継手によって接続されており、これも圧力損失の原因となります。これらの継手による圧力損失は軽微損失と呼ばれ、同じ圧力損失を得るために必要な直線チャネルの等価長さとして報告されることがあります。これらの損失は、接続チャネルの摩擦係数と流速、およびフィッティングの内径でスケーリングされた等価長さの表形式の値を使用して、Darcy Friction Factorの式でモデル化されます。配管システムの総損失は、個々のセクションと継手からの損失をすべて合計したものです。次のセクションでは、さまざまな代表的なパイプ構成でこれらの損失を測定し、摩擦係数と等価長さを決定します。

セットアップを開始する前に、作業するスペースが空いており、コンポーネントを組み立てるための平らな面があることを確認してください。貯水池を表面に取り付け、必要に応じて、水の入口と出口、およびポンプの電源ケーブル用の穴を開けます。水中ポンプをリザーバーに取り付けます。次に、リザーバーの近くに小さな垂直ビームまたはLブラケットを取り付けます。回転計流量計をビームに垂直に取り付け、チューブの一部を使用してポンプ出口を回転計入口に接続します。ロータメータは、小さなビーズの浮遊レベルに基づいて流体の体積流量を示す機器です。本文で説明されているように、3 パイプのテスト セクションを構築します。終了すると、直線セクション、コイル状セクション、および複数のエルボーベンドがあるセクションが作成されます。直線部分の長さと、コイルの中心軸からチューブの中点まで測定したチューブコイルの半径を慎重に記録します。パイプクランプで3つのセクションすべてを表面に取り付けます。分岐側のポートが上を向くように端のTフィッティングを調整し、これらのポートに透明な隆起したチューブを取り付けて圧力計を形成します。レベルを使用して、圧力計チューブが垂直であることを確認します。最後に、チューブの1つのセクションをロータメーターの出口に接続し、リザーバーに戻る2番目のチューブを配置します。これらの2つのチューブは、テストセクションの入力と出力に接続して、実験中に完全なループを形成します。貯水池に水を入れれば、準備は完了です。

ロータメータ出力からのチューブをストレートテストセクションの一方の端に接続し、リターンチューブをもう一方の端に接続します。次に、ポンプをオンにし、回転計バルブを調整して流量を最大化します。すべての空気がパイプループから押し出されたら、ポンプをオフにしてください。フローループが満たされたら、貯水池に追加の水を追加する必要がある場合があります。すべての空気がパイプループから押し出されたら、ポンプをオフにし、Tフィッティングの上部から測定して、2つの圧力計の水の高さを比較します。2つの高さが異なる場合は、シムを使用して、測定された高さが同じになるまで試験面を水平にします。ポンプを再びオンにし、流れが落ち着くのをしばらく待った後、両方の圧力計チューブの流量と垂直水位を記録します。次に、回転計バルブを調整して流れをわずかに制限し、新しい流量と圧力計のレベルを記録します。この手順を繰り返して、ストレートテストセクションの6つまたは7つの流量でデータを収集します。終了したら、他の 2 つの試験セクションで実験を繰り返します。これには、必要に応じて新しいセクションごとに試験面を再調整します。

まず、ストレートテストセクションのデータを確認します。各流量で、各圧力計の水位の測定値があります。圧力計の高さの違いを使用して、テストセクション内の全圧力損失を決定します。次に、回転計から測定された流量をチューブの断面積で割ることにより、チューブ内の平均流速を決定します。次に、この流量でのフローのレイノルズ数を計算します。結果をDarcy Friction Factorの式と試験セクションの測定値と組み合わせて、摩擦係数を解きます。長さ284mm、内径6.4mmの直線部分の場合、測定された流量は毎分4分の3リットルから2リットルまで、乱流条件に対応します。不確実性を伝播して、テキストで説明されているレイノルズ数と摩擦係数の合計不確実性を決定し、その結果を直線セクションのモデル予測と共にプロットします。実験の不確実性内では、摩擦係数はモデルの予測と一致しました。低流量での摩擦係数の不確実性が比較的高いのは、流量計の精度が限られているためです。次に、コイル状のテストセクションのデータを確認します。前回と同様に、各流量での全圧力損失、平均流速、およびレイノルズ数を決定します。このセクションの合計圧力損失は、直線部分とコイル部分からの降下の合計であるため、ダーシー摩擦係数の式と直線チャネルモデルを使用して、直線セクションからの寄与を推定し、これを合計から差し引きます。残りの圧力損失とコイル半径の測定値を使用して、コイル部分の摩擦係数を決定します。レイノルズ数と摩擦係数の不確実性をもう一度伝播します。これは、直線セクションの補正による不確実性が無視できると仮定します。これらの結果を、コイル状の断面のモデル予測と共にプロットします。レイノルズ数は1,700〜5,200で、これは500〜1,600のディーン数に対応し、指定されたチューブの直径とコイル半径に対応します。これらの値は、コイル摩擦係数の式の層流部分内にあります。これらの測定された摩擦係数は、実験の不確かさ内でもモデルと一致し、特定の流量について、直線セクションで見つかったものよりも大幅に高くなります。これは、コイル状のチューブ形状の安定化効果により、乱流への移行がより高いレイノルズ数(この形状では約9,900)に遅れるため、増加します。次に、3 番目のテスト セクションのデータを見てみましょう。もう一度、各流量での全圧力損失、平均流速、およびレイノルズ数を決定します。このセクションの全圧力損失は、直線セクションの合計と各Nエルボからのわずかな損失によるものです。Darcy Friction Factor の式と直線チャネル モデルを再度使用して、直線断面からの寄与を推定し、減算します。残りの圧力降下は、試験セクションのNエルボフィッティングによるものです。この圧力降下を直線断面の摩擦係数と直径と共に使用して、個々のエルボ継手の等価な長さを計算します。レイノルズ数と等価な長さの不確実性を伝播し、結果をプロットします。レイノルズ数が増加すると、表の値から予想されるように、等価長さとパイプの内部直径の比率は 30 に近づきます。実際の摩擦抵抗はフィッティング形状に固有であるため、これらの表形式の値はガイドラインとしてのみ考慮する必要があります。

パイプネットワークと圧力損失について理解を深めたところで、これらの概念の実際のアプリケーションをいくつか見てみましょう。熱交換器は通常、2つの別々の配管ネットワークで構成されており、高温の流体と低温の流体を混合せずに密接な熱接触で運びます。熱交換器を設計する際には、ポンプが十分な流体流量を提供し、必要な熱伝達速度を達成できるように、圧力損失解析を実行する必要があります。動脈にプラークが蓄積すると、血液が流れるための有効直径が減少します。その結果、心臓は追加の圧力損失を補うために一生懸命働かなければなりません。極端な場合、蓄積により動脈が完全に閉塞したり、心不全になったりするリスクが高まります。血管形成術の施術では、動脈を再拡張して正常な血流を回復するためにステントが挿入されます。

Joveの配管ネットワークと圧力損失の紹介をご覧になりました。これで、ディスクリート継手からの小さな損失を含むダルシー摩擦係数の式を使用して、パイプ ネットワークの圧力損失を決定する方法を理解できたはずです。最後に、圧力計チューブを使用してチャネルを通る圧力損失を実験的に決定する方法を見てきました。ご覧いただきありがとうございます。