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管道网络和压力损失

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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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