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管流介绍

2022/07/16279 作者:佚名
导读:由于流动流体被固体边界所包围,常称为流动的内部问题。管道常用于输送流体,又是构成化工设备(如管壳式换热器、列管式固定床反应器等)的基本部件;加之管道几何形状简单,便于理论研究,所得结果还可为了解其他流动所借鉴。因此,研究管流在实践上和理论上都是很重要的。 管流是管道中的流体运动。两千多年前人类已能大规模利用管道系统供水。现代更普遍使用管道输送各种液体、气体和复杂的混合物。根据管中流体的流动状态,管

由于流动流体被固体边界所包围,常称为流动的内部问题。管道常用于输送流体,又是构成化工设备(如管壳式换热器、列管式固定床反应器等)的基本部件;加之管道几何形状简单,便于理论研究,所得结果还可为了解其他流动所借鉴。因此,研究管流在实践上和理论上都是很重要的。

管流是管道中的流体运动。两千多年前人类已能大规模利用管道系统供水。现代更普遍使用管道输送各种液体、气体和复杂的混合物。根据管中流体的流动状态,管流可分为层性管流和湍性管流。

管流液体层性管流

当雷诺数小于2000时,等截面直圆管中的液体流动是层性管流(这里ρ为液体密度;U为等截面上的平均速度;分别为液体的动力粘性系数和运动粘性系数;D为圆管内径),流动呈层状规则运动。

对于圆管中的液体层性管流,19世纪G.H.L.哈根和J.-L.-M.泊肃叶已从实验归纳出流动规律,后来证实与精确解符合,故后人称之为泊肃叶流动。圆管截面上随(图1)的速度分布为绕中心线的旋转抛物面,即

式中△p为管道长度L上的压力降(或压力损失)。因为压力沿管道长度降低,△p为负,所以式中取负号。

流量Q以及压力降△p的公式为

式中g为重力加速度。由流量公式可看出,在其他条件不变情况下,压力降增大一倍,流量也增大一倍;反之亦然。

管流液体湍性管流

一般来说,当雷诺数达到2000~4000(临界区)时,液体层性管流会变得不稳定,并开始向湍性管流过渡。当雷诺数大于4000时,一般工业管道内的液体流动为过渡流或完全湍流。这时流动的能量损失和壁面摩擦阻力加大。由于湍性管流有相当大的径向动量交换,湍性管流的速度分布比层性管流均匀得多(图1)。

液体湍性管流没有严格的理论分析方法,工程技术中通常采用半经验半理论公式和图表计算压头损失(能量损失)或流量。

液体湍性管流的压头损失由达西-魏斯巴赫方程给出:

式中为hf压头损失(米);L为管道长度(米);D为管道内径(米);U为平均速度(米/秒);g=9.81米/秒;f为摩擦系数(无量纲),它是雷诺数Re和管道内壁相对粗糙度的函数,即

,式中ε为管道内壁的绝对粗糙度(米);
,(v的单位为米/秒)。这些函数关系由以下经验公式给出:

由上式看出,在完全湍流情况下摩擦系数仅与粗糙度有关,而同雷诺数无关。在层流区,

为了便于使用,L.F.穆迪将这些函数关系绘在一张以ε/D为参数,以f、Re为坐标轴的曲线图(称为穆迪图,见图2)上。 图中湍性管流摩擦

系数f的下限为最下面的一条光滑管曲线,虚曲线为过渡区和完全湍流区的分界线。

上述经验公式和穆迪图适用于各种工业管道中的液体流动。新的工业管道内壁的有效粗糙度见上页表。

应用时,如果给定管道流量求压头损失,可以按如下步骤进行计算。

首先通过水力试验测定管道内壁的有效粗糙度,算出雷诺数,根据穆迪图查出摩擦系数f,然后用

达西-魏斯巴赫方程算出压头损失。由于尚缺乏测量管道粗糙度的满意方法,对粗糙

管的摩擦系数的知识也不完善,这样的计算误差约±10%。

管道截面的变化,阀门调节,管道方向变化和分支,都会引起压头的局部损失。但是,这些损失。但是,这些损失是次要的。工程计算中可将等效管道长度L0加到实际管道长度中加以考虑。

实验发现,可溶性高分子聚合物具有很强的减阻作用。例如,在纯溶剂中加百万分之几(重量)的这种聚合物,可以使液体湍性管流的摩擦阻力降到纯溶剂摩擦阻力的四分之一。一般来说,任何具有线形结构的高分子物质(其分子量大于50 000),都可使任何流体溶剂的湍流摩擦阻力降低。高分子减阻具有广泛的应用前景。

管流气体湍性管流

对于气体(或蒸汽)湍性管流,如果压力降较小,气体密度变化可以忽略,其计算方法同液体湍性管流情形完全一样。如果气流的压力降大于10%初始压力,计算中则须考虑气体的密度变化、速度变化、密度同压力的状态方程或其他热力学关系式。

在等温情形中,根据微分形式的达西-魏斯巴赫方程,可以导出如下压力公式:

式中为P1初始绝对压力(千克力/米,1千克力=9.8牛顿);P2为最终绝对压力(千克力/米);Q为重量流量(千克力/秒);R为气体常数;T为热力学温度(开);A为圆管横截面积(米)。摩擦系数f仍根据雷诺数Re和管道内壁相对粗糙度ε/D从穆迪图查出。在等温情形中,雷诺数沿管道长度不变。绝热条件下气体湍性管流的压力损失计算方法有所不同。

在实际技术问题中,经常遇到管道中的多相流动,即流动介质包括气体、液体或固体中二相或二相以上的混合物。这些复杂管流主要依靠经验公式进行计算。

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