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。
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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)。
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)
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)管道网络通常存在于工程和自然系统中, 因为它们能够有效地传输、循环和分配流体。从水龙头里出来的水流经一个复杂的城市供水系统, 这是一个工程管道网络的极好例子。当流体通过管道网络循环时, 会遇到通道壁和管件的摩擦阻力, 流体流在克服这些流动阻力时会失去压力。对这些压力损失进行定性和理解, 对于在新设计中指定正确的元件和尺寸, 或在现有系统中诊断问题是必要的。在这个视频中, 我们将说明一个简单的方法来测量在管道网络中的压力下降, 并讨论一些标准模型预测损失和一些常见的几何。之后, 将这些方法用于实验测量压力损失, 与模型进行比较。最后, 我们将讨论一些管道网络和压力损失的其他应用。
当流体流经封闭通道时, 它会遇到来自通道壁的摩擦阻力。因此, 一小部分的流体的机械能转化为热量, 导致持续的压力损失的流向。这种压力损失可以在给定的系统中进行表征, 方法是测量沿通道的离散点的流体压力, 通常使用称为压力的简单液位装置进行。压力表是一个开放的垂直或倾斜的管连接到管道通道, 使其部分充满液体。液柱的高度与该点沿通道的液位成正比。因此, 两个点或三角洲 P 之间的压强差可以由两个压力之间的液体高度或三角洲 H 的变化来确定。不幸的是, 在建立系统以确保足够的流体流速之前, 直接测量和压力损失往往是不实际的。在这些情况下, 达西摩擦因数公式可用于预测摩擦压力损失。在这个等式, 三角洲 P 是压力损失在长度 L 为渠道与一个圆横断面和一个内径 D, 列是流体密度, 并且 U 是平均流速, 定义作为容量流速除以的横断面区域的 cha培训, f 是基于雷诺数和通道几何的不同经验和理论推导趋势的达西摩擦因数。请参阅用于直线圆形通道和螺旋线圈的模型的文本。管网中的各种通道部分由分立的接头连接, 如阀门、膨胀剂和弯曲, 也会造成压力损失。压力损失通过这些配件被称为小损失, 有时报告的长度相等的直通道所需产生相同的压力下降。这些损失仍以达西摩擦系数公式为模型, 利用连接通道的摩擦因数和流速, 以及拟合的内径大小的表值。管道系统中的总损失只是各部分和配件损失的总和。在下面的部分, 我们将测量这些损失在不同的代表性管道配置, 以确定的摩擦系数和当量长度。
在开始设置之前, 请确保您有一个清晰的工作区域和一个平整的曲面来组装组件。将蓄水池贴在水面上, 如有必要, 可在进水口和出水口以及水泵电源线上钻孔。在蓄水池里安装潜水泵。现在在水库附近附上一个小的垂直梁或 L 支架。将流量计流量计垂直安装在横梁上, 并使用一节管子将泵出口连接到流量计入口。流量计是一种仪器, 它根据小珠子的浮动水平来表示流体的容积流量。构造三管道测试部分, 如文中所述。当你完成后, 你应该有一个直节, 一个连续的部分, 和一个多肘弯的部分。仔细记录任何直线段的长度, 以及从线圈中央轴线到管子中点测量的管圈半径。用管夹将所有三节装入表面。调整两端的 T 形管接头, 使分支端端口指向, 然后在这些端口上安装清晰的脊管, 形成压力。使用一个水平, 以确保压力表管是垂直的。最后, 将管子的一部分连接到流量计的出口处, 然后再将第二根管子送回水库。这两个管子将连接到测试部分的输入和输出, 在实验中形成一个完整的回路。用清水填满水库, 准备完毕。
将管从流量计输出连接到直测部分的一端, 并将回流管连接到另一端。现在打开泵, 调整流量计阀, 使流量最大化。一旦所有的空气被挤出管道回路, 关闭泵。当流动回路填满后, 你可能需要向水库添加额外的水。一旦所有的空气被强制出管回路, 关闭泵和比较水的高度在两个压力, 测量从顶部的 T 拟合。如果两个高度不同, 则使用垫片来对测试表面进行级别, 直到测量高度相同。将泵重新打开, 等待一段时间后, 将流量和垂直水位记录在两个压力表管中。现在调整流量计阀, 以限制流量略有记录新的流量和压力计水平。重复此过程, 以六或七的流量为直线测试部分收集数据。完成后, 重复试验与其他两个测试部分, 包括调整的测试表面为每个新的部分, 如果必要的。
首先, 看看你的数据的直测试部分。在每个流量, 你有测量的水高度在每个压力表。使用压力表高度的差异来确定测试部分的总压降。然后通过管的横截面积除以流量计测量的流速, 确定管内的平均流速。接下来, 计算这个流量的雷诺数。结合你的结果与达西摩擦系数公式和你的测试部分的测量, 以解决摩擦因数。对于长度为284毫米和内径为6.4 毫米的直截面, 测量的流速从三个季度到2升每分钟对应于湍流条件。传播不确定性, 以确定在雷诺数和摩擦因数的总不确定度在文本中描述, 然后绘制结果与模型预测的一个直剖面。在实验不确定条件下, 摩擦因数与模型的预测相匹配。在较低的流速下, 摩擦因数的不确定度相对较高, 是由于流量计的精度有限。现在看看你的数据的连续测试部分。与以往一样, 确定总压降、平均流速和雷诺数在每个流速的速度。本部分的总压降是从直线部分和连续部分的下落的总和, 因此使用达西摩擦因数公式和直通道模型来估计直线部分的贡献, 并从总.使用剩余的压降和线圈半径的测量来确定盘绕部分的摩擦因数。再一次传播雷诺数和摩擦因数的不确定性, 假设从直线段的修正中可忽略不计的不确定性。将这些结果与连续截面的模型预测一起绘制。雷诺数在1700和5200之间对应于院长数字在500和1600之间与指定管直径和线圈半径。这些值是在线圈摩擦因数公式的层流部分。这些测量的摩擦因数也与模型在实验中的不确定度相匹配, 并且给定的流速比直截面上的流率明显高。这增加由于连续的管几何的稳定的作用延迟转折到更高的雷诺数, 大约9900为这几何。现在来看一下第三个测试部分的数据。再次, 确定总的压力下降, 平均流速, 和雷诺数在每个流量的速度。这部分的总压降是由于直线节的总和和每个 N 肘的小损失。再利用达西摩擦因数公式和直线通道模型对直线段的贡献进行估计和减去。其余的压力下降是由于在测试部分的 N 肘配件。使用此压降与摩擦因数和直截面的直径来计算单个弯头管件的等效长度。传播雷诺数和等效长度的不确定性, 并绘制结果。随着雷诺数的增加, 当量长度与内管径的比值接近于从表格值中预期的30。请注意, 实际的摩擦力是特定于拟合几何的, 因此这些表值只应视为准则。
现在您更熟悉管道网络和压力损失, 让我们来看一下这些概念的实际应用。热交换器通常由两个单独的管道网络组成, 它们使热和冷流体在近热接触中不允许混合。在设计换热器时, 必须进行压降分析, 以确保泵能提供足够的流体流速并达到预期的传热速率。动脉中的斑块堆积会降低血液流动的有效直径。因此, 心脏必须更加努力, 以弥补额外的压力损失。在极端情况下, 积聚增加了总堵塞动脉或心力衰竭的风险。在血管成形术过程中, 插入支架以重新扩张动脉并恢复正常血流。
你刚刚看了朱庇特的管道网络和压力损失的介绍。您现在应该了解如何使用达西摩擦因数公式来确定管网中的压力损失, 包括离散管接头的小损耗。最后, 你已经看到了如何通过实验来确定压力损失通过一个通道管。谢谢收看
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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
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Applications 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 |
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment | |||
| Submersible water pump | Uniclife | B018726M9K | |
| Covered plastic container | Water reservoir, plastic food container used in this study. | ||
| Water flow meter | UXCell | LZM-15 | Rotameter, 0.5 – 4.0 l min-1 |
| Rigid clear PVC tube | McMaster | 53945K13 | For test sections and manometers, 1/4” ID, 3/8” OD |
| Flexible soft PVC tubing | McMaster | 5233K63 5233K56 |
For tubing connections and coil test section |
| Plastic tube fitting tee | McMaster | 5016K744 | For test sections inlet and outlet connections/manometers |
| Plastic tube fitting elbow | McMaster | 5016K133 | For test section with elbows |
References
- Perry, D.W. Green, J.O. Maloney, Perry's Chemical Engineers' Handbook, 6th Editio, McGraw-Hill, New York, NY, 1984.
