系统分析中的能量守恒方法

Mechanical Engineering

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Overview

资料来源: 里卡多梅希亚-阿尔瓦雷斯和 Hussam Hikmat, 密歇根州立大学机械工程系, 东兰辛, MI

本实验的目的是为了说明能量守恒方程的应用, 以确定流动系统的性能。为此, 将稳态、不可压缩流的能量方程应用于带有闸阀的短管中。闸板阀随后逐渐闭合, 其对流动条件的影响也得到了表征。此外, 通过系统曲线与风机特性曲线的比较, 研究了该流量系统与驱动气流的风扇之间的相互作用。

这个实验有助于了解如何利用能量耗散阀来限制流量。同样, 在同样的原理下, 这个实验提供了一个简单的方法来测量流量在一个尖锐的入口的压力变化。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 机械工程. 系统分析中的能量守恒方法. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

流体流动的分析往往是基于能量如何转化为流体流经一个系统。流动所携带的总能量包括动能、势能和热力学能量。这些形式的能量可以自由地相互转化, 在流动系统中的给定位置的流动中所包含的能量, 是总输入能量、增加能量和减去能量之间的平衡。这能量平衡可以用等式形式表达如下 [1, 2]:

(1)

在这里, subindices 1 和5分别提到了流量系统的入口和出口条件。图 2 (a) 显示了一个流动系统示意图: 空气通过一个流动调节系统, 或收缩, 称为充满 (它的放电如图 3 (a) 所示)。然后, 它过渡到一个短管与阀门在其末端 (见图 2 (B) 详细的管道/阀门系统, 和图 2 (a) 和 (b) 的图片)。空气从阀门排出到一个封闭的空间, 从外部被称为 "接收器" (参见图3以供参考)。如图3所示, 接收器足够大, 可以将数据采集系统和实验。最后, 流通过一个穿孔板, 作为流量调节的阻尼器退出接收机 (参见图 3 (C) 以供参考)。然后, 空气被一个离心风机所捕获, 然后释放回大气层。括号之间的术语表示每个端口的特定能量内容, 这是引力势能的总和, 动能的, 和热力学 (或压力势能) 的能量. 系数用于考虑速度剖面的形状. 对于当前实验, 因为流是湍流 [1, 2]. 因此, 等式 (1) 的左手边代表入口和出口口岸之间能量内容的变化。在没有外部工作或耗散效应的情况下, 这种差异是零。但是, 大多数涉及实际流的工程应用包括通过流机械、和耗散效应来增加或减法能量,.这两个效应包括在等式的右手边 (1)。

在这个实验中, 离心风机将被用来诱导流动, 即, 增加能量的流体。对于这种类型的机器, 术语是流速率的函数, 它称为特征曲线, 并通过实验确定:

(2)

这里, 和是局部条件下空气的密度和运动粘度, 是流系统的直径 (在本实验中为 mm). 方程 (2) 的形式是确保第一和第二个术语中的常数是无量纲的, 而第三个术语中的常数是以压力单位 (Pa) 来确保尺寸均匀性的。等式 (2) 是图1所示的 "风扇性能曲线"。

最后, 能量耗散与流动动能成正比:

(3)

请注意, 通过使用连续性等式 (, 其中是横截面积 [1, 2]), 也可以根据流速的计算来编写能量耗散,. 图1显示了这最后一种形式的方程式 (3) 为 "流系统曲线"。在方程 (3) 中, 比例系数称为损耗系数, 它是由于粘性相互作用而导致的流系统元素所引起的所有耗散效应的相加. 管道和管道的贡献取决于它们的粗糙度、长度和雷诺数, 而管件、入口和排放、膨胀、收缩、弯曲和阀门的贡献取决于其特定的几何形状。在本试验中, 整体损失系数是入口、阀门和放电的组合:

(4)

其中, 入口和排放的损耗系数的值分别为和 (请参见 [1、2] 以供参考). 阀门的损耗系数, 将在下一节中讨论.

Figure 1
图1。系统曲线和风扇性能曲线的示例. : 系统曲线; : 风扇性能曲线。蓝色圆圈突出显示两条曲线之间的交点, 即操作点.

Figure 2
图2。实验设置。(A): 流动设施。流从左到右的移动; 它通过一个流量调节段进入全会, 然后流经管道和阀门, 在接收器内放电, 最后通过风扇退出系统。(B): 流动系统和数据采集设备的详细情况。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 3
图3。数据采集系统。(A) 这些数据获取设备的连接遵循图 2 (B) 中的图表。(B) 数据获取的虚拟接口 (用 LabView 编写).请单击此处查看此图的较大版本.

阀的耗散特性

由于阀门本质上是可变几何的设备, 它们的具体损耗系数是其轴 () 的旋转角度的函数.考虑到这一点, 根据以下关系打开或关闭阀门时变化:

(5)

在这里, 我们再次使用连续性方程来表达损耗系数, 从流量的角度。此外, 方程 (5) 建议, 我们可以确定的损失系数的阀门, 通过了解流量的价值和压力下降的阀门作为一个功能的开放角度和流量:.这也是图 2 (B) () 中点3和4之间的压力差.

操作点

如图1所示, 由流机驱动的流系统的工作点, 如本实验所介绍的那样, 是由风扇的特征曲线和流系统曲线的交点给出的。这一点可以用下面的能量方程式来描述: 如图 2 (A) 所示, 空气从一个大房间进入大气条件下的流动系统, 并在不发生任何高度变化的情况下出口到同一个房间。在结果中, 系统入口和出口处的压力、速度和高度条件 (分别为等式 (1) 中的和 subindices) 是相同的, 并相互抵消. 因此, 风机所增加的能量由流动系统耗散的能量来平衡。换句话说, 等式 (2) 和 (3) 形成了在简化后产生以下关系的等式:

(6)

这个等式的正根表达了操作点:

(7)

在这里, 子索引 "OP" 代表 "操作点"。方程 (7) 的损耗系数是入口、阀门和放电损耗系数的增加。从等式 (4) 和 (5):

(8)

流量测量

类似于所有以前的分析, 方程式 (1) 是应用之间的一个点, 并与尖口下游 (点2和3在图 2 (B)), 以恢复以下方程式:

(9)

在这里, 我们使用的事实是, 没有变化的高度之间的点2和 3, 和内部的速度是微不足道的。引入连续性方程 (和方程 (3), 我们得出以下关系的流速, 在压力差的压舱 (点2在图 2 (B)) 和静态压力上游的阀门 (点3在图 2 (B)):

(10)

在替换损耗系数和速度修正值 (和, 请参阅 [1, 2] 以供参考) 并将所有常量组合为一个时, 获得常数 0.878.

Procedure

1. 设置设施

  1. 确保风扇没有运行, 因此设备中没有流。
  2. 验证数据获取系统 (图 4(A)) 是否遵循图2B 中的示意图。
    1. 将压力传感器的正端口连接到阀门 () 的上游的压力开关 #1 (参考图 2B).
    2. 离开压力传感器的负端口 #1 打开到机房条件 (接收器:).因此, 该传感器的读数将直接.
    3. 将压力传感器的正端口连接 #2 (参见图 2B) 到压气室压力分路器 ().
    4. 将压力传感器的负端口连接 #2 (请参阅图2B 以供参考) 到阀门上游的压力水龙头 ().因此, 根据等式 (10) 的要求, 该传感器的读数将是直接.
  3. 确保数据获取系统中的虚拟通道 0 (图 4(B)) 对应于压力传感器 #1 (), 虚拟通道1对应于压力传感器 #2 ().
  4. 将数据采集系统设置为采样速率为100赫兹, 共500样本 (即5s 数据)。

表1。实验研究的基本参数。

参数

管道直径 (D) 50.8 毫米 (2 英寸)
传感器 #1 校准常数 (m_p1)
  1. Pa/V
传感器 #2 校准常数 (m_p2)
  1. Pa/V
局部气压 100474.15 Pa
局部温度 297.15 K
局部空气密度 1.186 公斤/米3

Figure 4
图 4.流动设施。(A): 在安装所要研究的阀门之前, 将阀腔内放电的观点放到接收器部分。(B): 接收器内有三种不同的阀门。从左至右: 闸阀、截止阀、蝶阀。(C): 从接收器退出端口。阀门在接收器内排出流量, 风扇通过图片中的穿孔板从接收器中吸取流量.请单击此处查看此图的较大版本.

2. 测量

  1. 记录连接到阀门的管道的直径, 并计算其横截面积。
  2. 确定将阀门从完全闭合位置移至完全打开位置所需的手柄的最大旋转数。如果此数字不是整数, 则排除最后的小数旋转以简化此分析。对于当前的实验, 最大转数是12。
  3. 完全关闭阀门。
  4. 旋转阀门的手柄, 直到它完全打开, 同时计算满回合的次数。为简单起见, 只使用一个整数的轮数的实验。例如, 它需要大约12回合和1/3 的一个回合来完全打开这个实验中使用的阀门。因此, 我们将把这个阀门的手柄从完全闭合的位置转到12个完全旋转, 并将其定义为初始位置 ().
  5. 打开流设备。
  6. 使用数据采集系统记录和的读数.
  7. 在表2中输入与数据获取系统一起获得的和的平均值.
  8. 关闭阀门1.5 回合。
  9. 重复步骤2.6 到 2.8, 直到表2完全填充。
  10. 关闭流设备。

3. 数据分析

  1. 使用等式 (5) 确定每个角位置的阀门损耗系数。在表2中输入这些值。
  2. 使用方程式 (10) 确定阀门各角位置的流速。在表2中输入这些值。
  3. 使用等式 (7) 确定操作点。在表2中输入这些值。
  4. 计算测量流量与操作点之间的相对差
  5. 使用公式 (3) 为的所有值生成系统曲线的图形. 请将总损失系数视为.
  6. 使用等式 (2) 将风扇的特征曲线添加到同一图中。

表2。代表性的结果。压力差的测量和流速和损耗系数的估计。

[P_pl-P_a]pa) [P_a-P_r]pa) Q(m3/秒) k Q_OP(m3/秒) ε (%)
246.75 54.00 0.0327 0.450 0.0316 -3.16
208.62 114.22 0.0301 0.976 0.0293 -2.51
156.19 204.80 0.0260 2.198 0.0254 -2.30
109.30 281.69 0.0218 4.224 0.0214 -1.53
71.82 348.38 0.0176 7.863 0.0174 -1.26
38.72 408.60 0.0129 16.989 0.0128 -0.90
15.00 452.39 0.0081 48.359 0.0080 -0.32
2.51 482.50 0.0033 307.799 0.0033 -0.18

能量守恒是一项很好的物理原理, 在机械系统的设计和分析中经常被应用。由于能量是守恒的, 仔细核算它是如何被添加和从系统中消散的, 以及对各种形式的内部转换, 可以产生有关操作条件的重要细节。这种方法的优点是它经常允许忽略系统的许多细节。因此, 可以大大简化分析。这段视频将说明能量守恒在具有闸阀的流量系统中的应用。并说明了该方法可用于确定系统的工作点以及阀的损耗系数。

考虑此示意图中显示的流程设施。空气从大气状态被吸引入充满, 并且流动入接收器房间通过一个短的管子部分与锋利的入口、闸阀门和开放放电。在返回大气状态之前, 空气通过孔板和离心风机流动。流动所携带的总能量是动能、势能和热力学成分的组合, 如在流动点的特定能量方程中所示。这些组件可以通过系统从一种类型自由转换为另一种。请注意, alpha 是一个修正因子, 它考虑到流速在流剖面上不是恒定的。对于湍流, α通常被视为一个。而对于层流, 则明显较大。在中等雷诺数的管流中, α是大约1.1。由于能量守恒, 在流动的两点之间的特定能量的任何区别都必须是流体或耗散的外部工作的结果。此外, 如果分析仅限于同一高度的点, 那么引力势也不会造成差异。这是系统的能量方程。现在考虑系统损失。最重要的损失将发生在管道入口, 阀门和排放。这些损失与流动的动能成正比, 并可与流动率使用连续性相关。结果表明, 入口和流量的损耗系数分别为二分之一和1。考虑当空气从压舱流入管道部分时会发生什么。没有能量添加, 但在入口处有一些耗散。此外, 由于在管腔内的流速与管段内的速度相比是微不足道的, 因此可以忽略不计。其余的条款可以重新安排, 以产生流量的压力差, 从这些点之间。现在考虑的压力下降从管道部分上游的阀门到接收器。再次, 没有能源增加和损失将发生在阀门和放电。与管道断面相比, 接收器中的流速可忽略不计, 因此该方程再次简化。在这种情况下, 阀门的损耗是一个流量的函数, 压力差可以确定。最后, 考虑整个系统。流体以相同的压力和速度进入和退出系统。因此, 轴增加的工作必须等于系统中的总损失。如果已知风扇的性能曲线, 则可以对给定的总损耗因数预测系统的工作点或预期流量。通过用系统性能曲线绘制风扇性能曲线, 可以以图形方式确定操作点。在给定的流速下, 风扇曲线表示在压力跃迁方面增加的特定能量, 而系统曲线代表特定的能量损耗。在稳定的状态下, 这两个贡献必须是平等的。现在, 您已经了解了如何使用能量守恒来分析系统, 让我们使用此技术来校准阀门并确定操作点。

在开始安装之前, 请先熟悉设施的布局和安全程序。检查风扇是否未运行, 并且没有流经测试区域的流量。现在设置数据获取系统, 如图中所示的文本。将压力表连接到压力传感器的正端口2。然后将阀门上游的压力标签连接到换能器的负极, 以及换能器的正极端口。将换能器的负端口开到房间条件。数据采集软件确保虚拟通道零和一个对应的压力传感器一和两个分别。最后, 将采样率设置为100赫兹, 样本总数为500。建立数据采集系统后, 测量测试管道的内径, 计算其横截面积。接下来, 顺时针旋转阀门手柄, 直到阀门完全关闭。然后打开阀门的一个完整的手柄, 同时保持计数的整个回合的数量需要完全打开阀门。如果仍有局部转弯, 则将手柄返回到最近的完全转弯。根据刚盘点的转弯次数选择方便的增量。例如, 如果轮数为 12, 则增量为1.5 个回合会使八测试点从完全开放到几乎完全闭合。将阀门放在完全开启的位置, 并打开流量装置。现在, 使用数据采集系统来确定这个阀门位置上的两个传感器测量的平均压力差, 并记录这些值。按一个增量关闭阀门, 然后重复测量。继续关闭阀门的增量和测量, 直到阀门几乎完全关闭。收集所有数据后, 关闭流设备。

在每一个阀门的位置测量的旋转的数量从完全打开的位置, 你有一个测量的压力差异之间的阀门和管道部分上游的阀和测量的压力差之间的管道阀门和接收器的上游部分。对阀门的每个位置执行以下计算。首先用推导出的方程计算了压降与上游管段之间的流量。一旦已知流速, 阀的损耗系数可以从上游管段和接收器之间的压降计算出来。使用损耗系数来确定这个阀门位置上的操作点或预期的气流。最后, 通过计算两者的相对差异, 将操作点与实验流量进行比较。现在看看你的结果。

绘制风扇文本中描述的特征曲线, 然后在阀门的每个位置添加系统曲线以使总损耗增加。系统曲线的斜率和阀的损耗系数都增加了阀门的闭合性, 表明随着流量的限制, 能量耗散增加。从概念上讲, 当 KV 接近无穷大时, 所有的能量都在阀门中消散。在观察到的流速范围内, 百分比误差是低的, 但总是被低估。此外, 当阀门关闭时, 错误也会减小。这一行为是预期的, 因为修正因子α随雷诺数的增加略有提高。

能量守恒常用于分析复杂的工程系统。风力所携带的动能可以通过风力涡轮机获得, 从而产生电力。通过比较上游与下游的水流条件, 能量方程可以用来评估有多少能源已被排除在风。所获得的能量的大小将被震惊的工作给出。变化是重力势能可以用来评估溢洪道的水流流速。这与质量守恒方程相结合, 通过测量溢洪道的上游和下游的深度来完成。

你刚才看了朱庇特的节能分析介绍。现在, 您应该了解如何将能量方程应用于流系统, 校准损耗系数, 并确定操作点。谢谢收看

Results

图 5显示当前测量的结果。在这里, 黑实线是由方程 (2) 和每条红线与方程 (3) 的不同值的阀门的损耗系数产生的。从图中可见, 当阀门关闭时, 系统曲线会增加其斜率。换言之, 这一实验表明, 阀门运行的原理是增加能量耗散来限制流量。另一方面, 从方程 (5) 可以推断, 当阀门完全闭合时, 的值变为无穷大. 从概念上说, 这种情况意味着所有的能量都被消散, 因此完全阻碍了流经阀门的流动。

Figure 5
图 5.代表结果. : 系统曲线。每个曲线在这个家庭是不同程度的阀门开放的结果。当阀门闭合时, 曲线的斜率增加。每条曲线都有相应的损失系数供参考; : 风扇性能曲线.请单击此处查看此图的较大版本.

如表2所示, 在所研究的流速范围内, 在操作点 (方程式 (7)) 和实测流速 (方程式 (10)) 之间的估计误差保持在3.2% 以下。虽然这是一个令人满意的结果, 由于小百分比误差, 估计的流量在操作点总是被低估, 并遵循下降的趋势, 随着阀门逐渐关闭。这种趋势提供了一些洞察流系统的行为, 特别是因为速度非均匀性的修正因子的值与雷诺数略有增加. 因此, 误差随流速的增大而增加并不奇怪。

Applications and Summary

本实验探讨了能量方程在管流中的作用。实验表明, 该阀通过增加能量耗散来诱导水流阻力。考虑到流动系统的压降与流量的平方成正比, 能量耗散效应被比例系数的大小所俘获。这个系数是增加的损失系数的所有元素的流动系统, 包括阀门。阀的损耗系数随着阀门的逐渐闭合而单调增加。这种效应增加了系统曲线的斜率, 从而在阀门完全闭合时达到无穷大的值。

上述行为与驱动流动的离心风机的性能曲线进行了对比。通过对系统曲线与风机性能曲线相交时的流量进行了直接测量, 通过比较, 证明了该交会点定义了流量和压力需求的运行条件。

本实验的目的是展示节能的原理, 以描述一些不同的工程应用: 阀门操作, 流量测量, 和流动系统的操作条件。能量守恒基本上可以用来描述任何流动系统, 这两个例子都是能量方程的应用:

风力所携带的动能可以通过风力涡轮机获得, 从而产生电力。通过比较上游与下游的水流条件, 能量方程可以用来评估有多少能源已被排除在风。所回收的能量的大小将由轴工作,, 在等式 (1) 中给出.

重力势能的变化可以用来评估溢洪道的水流流速。这与质量守恒方程相结合, 通过测量溢洪道的上游和下游的深度来完成。对于紊流, 下面的方程式将是一个很好的近似的流速在溢洪道:

(11)

这里, 是通道的宽度, 和分别是上游和下游的深度.

References

  1. White, F. M. Fluid Mechanics, 7th ed., McGraw-Hill, 2009.
  2. Munson, B.R., D.F. Young, T.H. Okiishi. Fundamentals of Fluid Mechanics. 5th ed., Wiley, 2006.

1. 设置设施

  1. 确保风扇没有运行, 因此设备中没有流。
  2. 验证数据获取系统 (图 4(A)) 是否遵循图2B 中的示意图。
    1. 将压力传感器的正端口连接到阀门 () 的上游的压力开关 #1 (参考图 2B).
    2. 离开压力传感器的负端口 #1 打开到机房条件 (接收器:).因此, 该传感器的读数将直接.
    3. 将压力传感器的正端口连接 #2 (参见图 2B) 到压气室压力分路器 ().
    4. 将压力传感器的负端口连接 #2 (请参阅图2B 以供参考) 到阀门上游的压力水龙头 ().因此, 根据等式 (10) 的要求, 该传感器的读数将是直接.
  3. 确保数据获取系统中的虚拟通道 0 (图 4(B)) 对应于压力传感器 #1 (), 虚拟通道1对应于压力传感器 #2 ().
  4. 将数据采集系统设置为采样速率为100赫兹, 共500样本 (即5s 数据)。

表1。实验研究的基本参数。

参数

管道直径 (D) 50.8 毫米 (2 英寸)
传感器 #1 校准常数 (m_p1)
  1. Pa/V
传感器 #2 校准常数 (m_p2)
  1. Pa/V
局部气压 100474.15 Pa
局部温度 297.15 K
局部空气密度 1.186 公斤/米3

Figure 4
图 4.流动设施。(A): 在安装所要研究的阀门之前, 将阀腔内放电的观点放到接收器部分。(B): 接收器内有三种不同的阀门。从左至右: 闸阀、截止阀、蝶阀。(C): 从接收器退出端口。阀门在接收器内排出流量, 风扇通过图片中的穿孔板从接收器中吸取流量.请单击此处查看此图的较大版本.

2. 测量

  1. 记录连接到阀门的管道的直径, 并计算其横截面积。
  2. 确定将阀门从完全闭合位置移至完全打开位置所需的手柄的最大旋转数。如果此数字不是整数, 则排除最后的小数旋转以简化此分析。对于当前的实验, 最大转数是12。
  3. 完全关闭阀门。
  4. 旋转阀门的手柄, 直到它完全打开, 同时计算满回合的次数。为简单起见, 只使用一个整数的轮数的实验。例如, 它需要大约12回合和1/3 的一个回合来完全打开这个实验中使用的阀门。因此, 我们将把这个阀门的手柄从完全闭合的位置转到12个完全旋转, 并将其定义为初始位置 ().
  5. 打开流设备。
  6. 使用数据采集系统记录和的读数.
  7. 在表2中输入与数据获取系统一起获得的和的平均值.
  8. 关闭阀门1.5 回合。
  9. 重复步骤2.6 到 2.8, 直到表2完全填充。
  10. 关闭流设备。

3. 数据分析

  1. 使用等式 (5) 确定每个角位置的阀门损耗系数。在表2中输入这些值。
  2. 使用方程式 (10) 确定阀门各角位置的流速。在表2中输入这些值。
  3. 使用等式 (7) 确定操作点。在表2中输入这些值。
  4. 计算测量流量与操作点之间的相对差
  5. 使用公式 (3) 为的所有值生成系统曲线的图形. 请将总损失系数视为.
  6. 使用等式 (2) 将风扇的特征曲线添加到同一图中。

表2。代表性的结果。压力差的测量和流速和损耗系数的估计。

[P_pl-P_a]pa) [P_a-P_r]pa) Q(m3/秒) k Q_OP(m3/秒) ε (%)
246.75 54.00 0.0327 0.450 0.0316 -3.16
208.62 114.22 0.0301 0.976 0.0293 -2.51
156.19 204.80 0.0260 2.198 0.0254 -2.30
109.30 281.69 0.0218 4.224 0.0214 -1.53
71.82 348.38 0.0176 7.863 0.0174 -1.26
38.72 408.60 0.0129 16.989 0.0128 -0.90
15.00 452.39 0.0081 48.359 0.0080 -0.32
2.51 482.50 0.0033 307.799 0.0033 -0.18

能量守恒是一项很好的物理原理, 在机械系统的设计和分析中经常被应用。由于能量是守恒的, 仔细核算它是如何被添加和从系统中消散的, 以及对各种形式的内部转换, 可以产生有关操作条件的重要细节。这种方法的优点是它经常允许忽略系统的许多细节。因此, 可以大大简化分析。这段视频将说明能量守恒在具有闸阀的流量系统中的应用。并说明了该方法可用于确定系统的工作点以及阀的损耗系数。

考虑此示意图中显示的流程设施。空气从大气状态被吸引入充满, 并且流动入接收器房间通过一个短的管子部分与锋利的入口、闸阀门和开放放电。在返回大气状态之前, 空气通过孔板和离心风机流动。流动所携带的总能量是动能、势能和热力学成分的组合, 如在流动点的特定能量方程中所示。这些组件可以通过系统从一种类型自由转换为另一种。请注意, alpha 是一个修正因子, 它考虑到流速在流剖面上不是恒定的。对于湍流, α通常被视为一个。而对于层流, 则明显较大。在中等雷诺数的管流中, α是大约1.1。由于能量守恒, 在流动的两点之间的特定能量的任何区别都必须是流体或耗散的外部工作的结果。此外, 如果分析仅限于同一高度的点, 那么引力势也不会造成差异。这是系统的能量方程。现在考虑系统损失。最重要的损失将发生在管道入口, 阀门和排放。这些损失与流动的动能成正比, 并可与流动率使用连续性相关。结果表明, 入口和流量的损耗系数分别为二分之一和1。考虑当空气从压舱流入管道部分时会发生什么。没有能量添加, 但在入口处有一些耗散。此外, 由于在管腔内的流速与管段内的速度相比是微不足道的, 因此可以忽略不计。其余的条款可以重新安排, 以产生流量的压力差, 从这些点之间。现在考虑的压力下降从管道部分上游的阀门到接收器。再次, 没有能源增加和损失将发生在阀门和放电。与管道断面相比, 接收器中的流速可忽略不计, 因此该方程再次简化。在这种情况下, 阀门的损耗是一个流量的函数, 压力差可以确定。最后, 考虑整个系统。流体以相同的压力和速度进入和退出系统。因此, 轴增加的工作必须等于系统中的总损失。如果已知风扇的性能曲线, 则可以对给定的总损耗因数预测系统的工作点或预期流量。通过用系统性能曲线绘制风扇性能曲线, 可以以图形方式确定操作点。在给定的流速下, 风扇曲线表示在压力跃迁方面增加的特定能量, 而系统曲线代表特定的能量损耗。在稳定的状态下, 这两个贡献必须是平等的。现在, 您已经了解了如何使用能量守恒来分析系统, 让我们使用此技术来校准阀门并确定操作点。

在开始安装之前, 请先熟悉设施的布局和安全程序。检查风扇是否未运行, 并且没有流经测试区域的流量。现在设置数据获取系统, 如图中所示的文本。将压力表连接到压力传感器的正端口2。然后将阀门上游的压力标签连接到换能器的负极, 以及换能器的正极端口。将换能器的负端口开到房间条件。数据采集软件确保虚拟通道零和一个对应的压力传感器一和两个分别。最后, 将采样率设置为100赫兹, 样本总数为500。建立数据采集系统后, 测量测试管道的内径, 计算其横截面积。接下来, 顺时针旋转阀门手柄, 直到阀门完全关闭。然后打开阀门的一个完整的手柄, 同时保持计数的整个回合的数量需要完全打开阀门。如果仍有局部转弯, 则将手柄返回到最近的完全转弯。根据刚盘点的转弯次数选择方便的增量。例如, 如果轮数为 12, 则增量为1.5 个回合会使八测试点从完全开放到几乎完全闭合。将阀门放在完全开启的位置, 并打开流量装置。现在, 使用数据采集系统来确定这个阀门位置上的两个传感器测量的平均压力差, 并记录这些值。按一个增量关闭阀门, 然后重复测量。继续关闭阀门的增量和测量, 直到阀门几乎完全关闭。收集所有数据后, 关闭流设备。

在每一个阀门的位置测量的旋转的数量从完全打开的位置, 你有一个测量的压力差异之间的阀门和管道部分上游的阀和测量的压力差之间的管道阀门和接收器的上游部分。对阀门的每个位置执行以下计算。首先用推导出的方程计算了压降与上游管段之间的流量。一旦已知流速, 阀的损耗系数可以从上游管段和接收器之间的压降计算出来。使用损耗系数来确定这个阀门位置上的操作点或预期的气流。最后, 通过计算两者的相对差异, 将操作点与实验流量进行比较。现在看看你的结果。

绘制风扇文本中描述的特征曲线, 然后在阀门的每个位置添加系统曲线以使总损耗增加。系统曲线的斜率和阀的损耗系数都增加了阀门的闭合性, 表明随着流量的限制, 能量耗散增加。从概念上讲, 当 KV 接近无穷大时, 所有的能量都在阀门中消散。在观察到的流速范围内, 百分比误差是低的, 但总是被低估。此外, 当阀门关闭时, 错误也会减小。这一行为是预期的, 因为修正因子α随雷诺数的增加略有提高。

能量守恒常用于分析复杂的工程系统。风力所携带的动能可以通过风力涡轮机获得, 从而产生电力。通过比较上游与下游的水流条件, 能量方程可以用来评估有多少能源已被排除在风。所获得的能量的大小将被震惊的工作给出。变化是重力势能可以用来评估溢洪道的水流流速。这与质量守恒方程相结合, 通过测量溢洪道的上游和下游的深度来完成。

你刚才看了朱庇特的节能分析介绍。现在, 您应该了解如何将能量方程应用于流系统, 校准损耗系数, 并确定操作点。谢谢收看

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