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管道阻力對揚程的影響究竟有多大?(附:管損原因分析、計算全過程)

2023-12-1 09:22胡曉紅


管道阻力對揚程的影響有多大?

有些用戶經過測量,雖然蓄水池或水塔到水源水面的垂直距離還略小于水泵揚程,但還是提水量小或提不上水。其原因常是管道太長、水管彎道多,水流在管道中阻力損失過大。一般情況下90度彎管比120度彎管阻力大,每一90度彎管揚程損失約0.5-1米,每20米管道的阻力可使揚程損失約1米。此外,有部分用戶還隨意更改水泵進、出管的管徑,這些對揚程也有一定的影響。那管道阻力對揚程的影響究竟有多大呢?

下面,我們來看下方表格:

你是否清楚管道水流產生

水力損失的原因?

一、是管壁粗糙的阻滯作用。

二、是水流各流層間的相對運動。

三、是管件內水流局部急劇變化形成的漩渦。管路(網)水力損失由沿程和局部兩部分組成。在工程上,我們必須要計算知道它的數量多少,才能正確地選用水泵,確定所需要的水泵揚程。

管路沿程損失是發生在水流的全部流程上的摩擦阻力,它與管壁粗糙度、管長、管徑、流速等有關,根據水力學原理,可以建立它的關系式。

沿程損失與管壁粗糙度有關的沿程摩擦系數成正比關系,不同的管材其粗糙度不同,鑄鐵管比較粗糙,沿程摩擦系數就大些;塑料管比較光滑,沿程摩擦系數就小些。與管子長度成正比關系;與管徑成反比關系,就是說,當流量一定時,管徑小、流速快,則沿程損失大;還與流速的平方值成正比關系。當然計算比較繁瑣,簡單的方法可以估算。

管路局部損失是水流在管道中流過底閥、閥門、彎頭、異徑管等配件過程中,由于局部裝置使流型變化;流速方向和大小都改變,而且在流動中出現漩渦,使水流互相碰撞、沖擊。這種局部阻力而引起的水力損失叫做局部損失。

局部損失的大小與流過管道配件處的水流速度平方值成正比,同時,也與配件的形狀和數量有關。配件斷面形狀變化大,數量多,則局部損失就愈大。當管路布置方案確定以后,一般都要經過計算方法求得管路損失揚程,然后確定水泵站的設計揚程,才能進行水泵選型。但是計算程序比較復雜,為了簡便起見,計算資料可以編制成表格,以便查表求得。另外,也可以進行粗略估算:損失揚程相當于實際地形揚水高度(測量得知)30%~50%,管徑小、管路短取大值;管徑大、管路長取小值。

可利用現有軟件, 計算出管路沿程損失和管路局部損失, 如義維開發的的選型軟件系統, 以方便計算。


液體在直管中流動時的壓力損失

液體在直管中流動時的壓力損失是由液體流動時的摩擦引起的,稱之為沿程壓力損失,它主要取決于管路的長度、內徑、液體的流速和粘度等。液體的流態不同,沿程壓力損失也不同。液體在圓管中層流流動在液壓傳動中最為常見,因此,在設計液壓系統時,常希望管道中的液流保持層流流動的狀態。

流體在管道內流動的沿程  壓力損失

一.層流

層流時的壓力損失
在液壓傳動中,液體的流動狀態多數是層流流動,在這種狀態下液體流經直管的壓力損失可以通過理論計算求得。

圓管中的層流

(1)液體在流通截面上的速度分布規律。
如上圖所示,液體在直徑d的圓管中作層流運動,圓管水平放置,在管內取一段與管軸線重合的小圓柱體,設其半徑為r,長度為l。在這一小圓柱體上沿管軸方向的作用力有:左端壓力p1,右端壓力p2,圓柱面上的摩擦力為Ff。則其受力平衡方程式為:

由式(2-6)可知:

式中:μ為動力粘度。
因為速度增量du與半徑增量dr符號相反,則在式中加一負號。
另外,Δp=p1- p2
把Δp、式(2-45)代入式(2-44),則得:

對式積分得:

當r=R時,u=0,代入(2-47)式得:


由式可知管內流速u沿半徑方向按拋物線規律分布,最大流速在軸線上,其值為:


(2) 管路中的流量。

圖(b)所示拋物體體積,是液體單位時間內流過通流截面的體積即流量。為計算其體積,可在半徑為r處取一層厚度為dr的微小圓環面積,通過此環形面積的流量為:

對式積分,即可得流量q:

(3)平均流速。設管內平均流速為υ

對比可得平均流速與最大流速的關系:

(4)沿程壓力損失。層流狀態時,液體流經直管的沿程壓力損失可從式求得:

由式可看出,層流狀態時,液體流經直管的壓力損失與動力粘度、管長、流速成正比,與管徑平方成反比。

在實際計算壓力損失時,為了簡化計算,得μ=υdρ/Re,并把μ=υdρ/Re代入,且分子分母同乘以2g得:

式中:λ為沿程阻力系數。它的理論值為λ=64/Re,而實際由于各種因素的影響,對光滑金屬管取λ=75/Re,對橡膠管取λ=80/Re。

紊流時的壓力損失層流流動中各質點有沿軸向的規則運動。而無橫向運動。

紊流的重要特性之一是液體各質點不再是有規則的軸向運動,而是在運動過程中互相滲混和脈動。這種極不規則的運動,引起質點間的碰撞,并形成旋渦,使紊流能量損失比層流大得多。

由于紊流流動現象的復雜性,完全用理論方法加以研究至今,尚未獲得令人滿意的成果,故仍用實驗的方法加以研究,再輔以理論解釋,因而紊流狀態下液體流動的壓力損失仍用式來計算,式中的λ值不僅與雷諾數Re有關,而且與管壁表面粗糙度有關。

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