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配管ネットワークと圧力損失

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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。

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