Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
ソース: アレクサンダー S ラトナー、機械、原子力工学、ペンシルバニアの州立大学、大学公園、PA
この実験では、測定と配管ネットワークの内部流れの圧力損失のモデル化を導入されています。このようなシステムでは、チャネルの壁から摩擦抵抗の妨害および付属品、機械的エネルギーを熱に変換する流体圧力の形が発生します。許容摩擦圧力損失を確認し圧力ドロップ要件に合ったポンプを選択サイズフロー ハードウェア工学解析が必要です。
一般的なフロー機能で配管ネットワークを構築するこの実験: チューブ、コイル チューブ コイル、エルボ継手 (鋭い 90 ° 屈曲) のまっすぐな長さ。圧力損失の測定は、圧力計 - 開いている縦の列内の液体のレベルによって流体の圧力を測定する簡単な装置を使用して、コンポーネントの各セットにまたがって収集されます。結果として得られる圧力損失曲線は内部流れモデルからの予測と比較されます。
1. 配管システム (参照してください図と写真、図 2) の作製
2. 操作
3. 分析
、
圧力計レベルの不確実性は、)、eUは平均通信速度 (浮子式流量計データ シート、典型的な不確実性の範囲の 3-5%) からの不確実性と。常温 (22 ° C) ρ水の 998 kg m-3 、 μ = = 0.001 kg m-1の-1。
(6)
。同等の長さと各肘の不確かさを評価します。ここでは、 Neはパイプ肘の数です。
(7)配管ネットワークは、輸送、循環、および流体を配布を効率的にできるのでよく設計され、自然のシステムで発見されます。設計された配管ネットワークの優秀な例である複雑な都市の水供給システムのあなたのホーム通過で蛇口から出てくる水。液は循環配管ネットワーク、チャネルの壁から摩擦抵抗が発生した、付属品および流体ストリームは、それはこれらの流れの抵抗を克服よう圧力を失います。特性とこれらの圧力損失を理解することは、新しい設計に適切なコンポーネントおよびサイズを指定したり、既存のシステムの問題を診断する必要です。このビデオでは、パイプ ネットワーク内の圧力降下を測定するための単純なアプローチを示して、損失といくつかの一般的な形状を予測するためのいくつかの標準的なモデルを説明します。その後、実験的モデルとの比較のための圧力損失を測定するこれらの方法が用いられます。最後に、圧力損失と配管ネットワークの他のいくつかのアプリケーションを説明します。
いつ閉じたチャネルを流れる流体ではチャネルの壁からいくつかの摩擦抵抗が発生します。結果として、流体の力学的エネルギーの一部は熱、圧力の流れの方向の連続的な損失の結果に変換されます。特定のシステムで頻繁に行われているチャネルに沿って離散点での流体の圧力を測定することによって特徴付けられるこの圧力損失圧力計と呼ばれる液体レベルの単純なデバイスを使用します。圧力計は、部分的に液体でいっぱいになるよう配管チャネルに接続されているチューブの開いている垂直又は傾斜セクションです。液体のコラムの高さ、チャネルに沿ってその時点で流体のレベルに正比例します。したがって、2 つの点またはデルタ P 間の圧力の相違は液高さのデルタの H 2 圧力計間の変化から判断できます。残念ながら、直接測定を行う実用的常にではありません、十分な流体流量を確保するシステムを構築する前に、圧力損失を予測多くの場合する必要があります。これらの状況では、摩擦圧力損失を予測する Darcy 摩擦係数の数式を使用できます。この方程式のデルタ P 圧力損失円形断面と内部の直径 D チャネルの長さ L を行は流体の密度は、平均流速、体積流量、茶の断面積で割った値として定義されています。nnel、f は経験的に異なる続くダーシー摩擦係数とレイノルズ数およびチャネルの幾何学に基づいて理論的に導出傾向です。まっすぐな円のチャネルおよびヘリカル コイルの使用モデルのテキストを参照してください。パイプ ネットワークのさまざまなチャネル セクションは、バルブ、エクスパンダ、圧力損失に貢献も曲がりなど離散継手によって接続されます。これらの継手により圧力損失はマイナーな損失として知られているし、同じ圧力に屈する必要な直線チャネルの同等の長さの面で時々 報告されています。これらの損失はまだ摩擦係数を用いたダーシー摩擦係数の数式モデル化され、流れの接続チャネルの速度と継手の内径に合わせてスケーリングの同等の長さの集計値。配管系の損失の合計は、単に個々 のセクションおよび付属品のすべての損失の合計です。次のセクションでは、摩擦係数と同等の長さを決定する別の代表的なパイプ構成でこれらの損失を測定します。
セットアップを開始する前に、仕事とコンポーネントを組み立てるために平らな面に明確な領域があることを確認します。表面に水の貯水池を添付し、必要に応じて、水入口、出口、ポンプ電源ケーブル用の穴をドリルします。貯留層の水中ポンプをマウントします。今小さな垂直ビームまたは貯水池近くの L ブラケットを取り付けます。ビームの垂直方向に浮子式流量計フロー メーターをマウントし、浮子式流量計の入口にポンプのコンセントを接続する管のセクションを使用してください。浮子式流量計は、小さなビーズのフローティングのレベルに基づいて流体の体積流量を示す手段です。テキストで説明するよう、3 管のテスト セクションを構築します。完了したら、直線部、コイルのセクション、および複数の肘屈曲でセクションが必要です。任意の直線部分の長さだけでなく、チューブの中間位置にコイルの中心軸から測定管コイルの半径を慎重に記録します。パイプ ・ クランプによって表面にすべての 3 つのセクションをマウントします。分岐側のポート ポイントし、圧力計を形成するこれらのポートに明確な隆起のチューブをインストールよう、両端の T 継ぎ手を調整します。レベルを使用すると、圧力計の管の垂直方向を確実にします。最後に、管の 1 つのセクションを浮子式流量計のコンセントに接続し、貯水池に戻って 2 番目の管を配置します。これらの 2 つの管は、実験中に完全なループを形成するためのテスト セクションの入出力に接続します。水でタンクを埋めるし、準備は完了です。
ストレート テスト セクションの 1 つの端に浮子式流量計の出力からチューブとリターン チューブをもう一方の端に接続します。今ポンプをオンにし、流量を最大化する浮子式流量計のバルブを調整します。全ての空気がパイプのループから強制的に、ポンプをオフにします。流れループを入力したら貯水池に水を追加する必要があります。全ての空気がパイプのループから強制的に、一度ポンプをオフにして 2 つの圧力計、T 継手の上から測定中の水の高さを比較します。2 つの高さが異なる場合は、測定の高さが同じになるまでテスト表面のレベルにシムを使用します。待機した後、解決への流れの瞬間と垂直の水位と流量の記録両方圧力計チューブとポンプを入れます。少し流れを制限し、新しい流れの速度と圧力計のレベルを記録する浮子式流量計のバルブを調整します。ストレート テスト セクションの 6 または 7 のフロー レートでデータを収集するためにこの手順を繰り返します。完了したら、必要に応じて新しいセクションごとに試験面の区画整理を含む他の 2 つのテストのセクションで実験を繰り返します。
まず、ストレート テスト セクションのデータを見てください。各流量で各圧力計に水の高さの測定があります。テスト セクションの合計圧力損失を決定するための圧力計の高さの違いを使用します。管の断面積によって浮子式流量計の測定流量を割って、管内平均流速度を決定します。次に、この流量で流れのレイノルズ数を計算します。Darcy の摩擦要因方式と摩擦係数を解決するためには、テスト セクションの測定結果を組み合わせます。直線部の長さ 284 ミリ、内径 6.4 ミリメートルの 4 分の 3 から測定流量を毎分 2 リットルの乱流の条件に対応します。テキストで説明するように、摩擦係数とレイノルズ数の合計の不確実性を決定しと一緒にストレート セクションのモデル予測結果をプロットの不確実性を反映します。実験的不確実性の内では、摩擦係数は、モデルの予測を一致します。低流量域における摩擦係数の比較的高い不確実性は、流量計の精度によるものです。今コイル テスト セクションのデータを見てください。以前のように、合計圧力損失、平均流速、および各流量で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、ストレートの部分とコイル部分からドロップの合計だから直線のセクションからの寄与を推定し、合計からこれを引いて Darcy の摩擦要因方式と直線チャネル モデルを使用.コイル部分の摩擦係数を決定するのに残りの圧力損失とコイルの半径の測定を使用します。直線部の補正からごくわずかな不確実性を仮定してもう一度、レイノルズ数と摩擦係数の不確実性を反映します。コイル セクションのモデル予測と共にこれらの結果をプロットします。レイノルズ数は 1,700、5,200 間 500 と与えられた管の直径とコイルの半径と 1,600 ディーン番号に対応します。これらの値は、コイル摩擦係数式の層流部分内にあります。これらはまた実験的不確実性の内で、指定された流量のモデルは直線部で見つけられるそれらよりも有意に高い一致の摩擦係数を測定しました。これは高いレイノルズ数、約 9,900 このジオメトリに乱流への移行を遅延コイル管形状の安定化効果により増加します。今 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、合計圧力損失、平均流速、および各流量で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、直線部と各 N 肘のマイナーな損失の和によるものです。推定直線部分からの貢献を減算し再びダーシー摩擦係数式と直線チャネル モデルを使用します。残りの圧力降下は、テスト セクション内の N のエルボ継手によるものです。摩擦係数と直線部分の直径個々 エルボ継ぎ手の相当長を計算するのにこの圧力降下を使用します。レイノルズ数と同等の長さのための不確実性を反映し、あなたの結果をプロットします。レイノルズ数が増加するにつれて内部パイプの直径に相当する長さの比は床板の値から予想されるように 30 を近づきます。実際の摩擦抵抗、継ぎ手ジオメトリに固有の値は、ガイドラインとしてだけ見なす必要がありますので、これらが集計に注意してください。
パイプ ネットワークおよび圧力損失をより使い慣れて、今では、これらの概念のいくつかの実世界のアプリケーションを見てみましょう。熱交換器は、通常、それらを混在させることを許可することがなく熱の密接な接触でホットとコールドの流体をもたらす 2 つの独立した配管ネットワークの構成します。ポンプが十分な流体を提供できるように設計熱交換器流量し、熱伝達の所望の速度を達成するため、圧力ドロップ分析を実行する必要があります。動脈内のプラーク蓄積血液を流れ有効径が減少します。その結果、中心は付加的な圧力損失を補うために一生懸命に。極端な場合、蓄積合計閉塞動脈や心臓障害のリスクが高まります。中に血管形成術、動脈を再展開し、通常の血流を回復するステントが挿入されます。
配管ネットワークと圧力損失のゼウスの概要を見てきただけ。今離散継手からのマイナーな損失を含む Darcy 摩擦係数の数式を使用して、パイプ ネットワークでの圧力損失を決定する方法を理解する必要があります。最後に、実験的圧力計チューブを使用してチャネルを通じての圧力損失を決定する方法を見てきました。見ていただきありがとうございます。
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。
11:30
Mechanical Engineering
30.9K 閲覧数
13:10
Mechanical Engineering
24.2K 閲覧数
10:50
Mechanical Engineering
22.6K 閲覧数
10:57
Mechanical Engineering
8.5K 閲覧数
09:15
Mechanical Engineering
42.0K 閲覧数
11:38
Mechanical Engineering
28.9K 閲覧数
12:09
Mechanical Engineering
26.2K 閲覧数
09:17
Mechanical Engineering
16.6K 閲覧数
10:05
Mechanical Engineering
14.0K 閲覧数
10:32
Mechanical Engineering
13.1K 閲覧数
13:29
Mechanical Engineering
11.3K 閲覧数
10:16
Mechanical Engineering
7.8K 閲覧数
13:35
Mechanical Engineering
23.6K 閲覧数
11:31
Mechanical Engineering
26.4K 閲覧数
