管道中的流體運動。兩千多年前人類已能大規模利用管道系統供水。現代更普遍使用管道輸送各種液體、氣體和複雜的混合物。根據管中流體的流動狀態,管流可分為層性管流和湍性管流。

  液體層性管流 當雷諾數

小於2000時,等截面直圓管中的液體流動是層性管流(這裏 ρ為液體密度; U為等截面上的平均速度; μν分別為液體的動力粘性系數和運動粘性系數; D為圓管內徑),流動呈層狀規則運動。

  對於圓管中的液體層性管流,19世紀G.H.L.哈根和J.-L.-M.泊肅葉已從實驗歸納出流動規律,後來證實與精確解符合,故後人稱之為泊肅葉流動。圓管截面上隨r(圖1)的速度分佈為繞中心線的旋轉拋物面,即

式中Δ p為管道長度 L上的壓力降(或壓力損失)。因為壓力沿管道長度降低,Δ p為負,所以式中取負號。

  流量Q的公式為:

  壓力降Δp的公式為:

由流量公式可看出,在其他條件不變情況下,壓力降增大一倍,流量也增大一倍;反之亦然。

  液體湍性管流 一般來說,當雷諾數達到2000~4000(臨界區)時,液體層性管流會變得不穩定,並開始向湍性管流過渡。當雷諾數大於4000時,一般工業管道內的液體流動為過渡流或完全湍流。這時流動的能量損失和壁面摩擦阻力加大。由於湍性管流有相當大的徑向動量交換,湍性管流的速度分佈比層性管流均勻得多(圖1)。

  液體湍性管流沒有嚴格的理論分析方法,工程技術中通常采用半經驗半理論公式和圖表計算壓頭損失(能量損失)或流量。

  液體湍性管流的壓頭損失由達西-魏斯巴赫方程給出:

式中 h f為壓頭損失(米); L為管道長度(米); D為管道內徑(米); U為平均速度(米/秒); g=9.81米/秒 2f為摩擦系數(無量綱),它是雷諾數 Re和管道內壁相對粗糙度 ε/ D的函數,即

              ff(Reε/D),

式中ε為管道內壁的絕對粗糙度(米);ReUD/ν(ν的單位為米2/秒)。這些函數關系由以下經驗公式給出:

  在過渡區,

  在完全湍流區,

由上式看出,在完全湍流情況下摩擦系數僅與粗糙度有關,而同雷諾數無關。

  在層流區,

         f=64/Re

  為瞭便於使用,L.F.穆迪將這些函數關系繪在一張以ε/D為參數,以fRe為坐標軸的曲線圖(稱為穆迪圖,見圖2)上。

  圖中湍性管流摩擦系數f的下限為最下面的一條光滑管曲線,虛曲線為過渡區和完全湍流區的分界線。

  上述經驗公式和穆迪圖適用於各種工業管道中的液體流動。新的工業管道內壁的有效粗糙度見表。

工業管道的粗糙度

  應用時,如果給定管道流量求壓頭損失,可以按如下步驟進行計算。首先通過水力試驗測定管道內壁的有效粗糙度,算出雷諾數,根據穆迪圖查出摩擦系數f,然後用達西-魏斯巴赫方程算出壓頭損失。由於尚缺乏測量管道粗糙度的滿意方法,對粗糙管的摩擦系數的知識也不完善,這樣的計算誤差約±10%。

  管道截面的變化,閥門調節,管道方向變化和分支,都會引起壓頭的局部損失。但是,這些損失是次要的。工程計算中可將等效管道長度Le加到實際管道長度中加以考慮。

  最近實驗發現,可溶性高分子聚合物具有很強的減阻作用。例如,在純溶劑中加百萬分之幾(重量)的這種聚合物,可以使液體湍性管流的摩擦阻力降到純溶劑摩擦阻力的四分之一。一般說來,任何具有線形結構的高分子物質(其分子量大於50000),都可使任何流體溶劑的湍流摩擦阻力降低。高分子減阻具有廣泛的應用前景。

  氣體湍性管流 對於氣體(或蒸汽)湍性管流,如果壓力降較小,氣體密度變化可以忽略,其計算方法同液體湍性管流情形完全一樣。如果氣流的壓力降大於10%初始壓力,計算中則須考慮氣體的密度變化、速度變化、密度同壓力的狀態方程或其他熱力學關系式。

  在等溫情形中,根據微分形式的達西-魏斯巴赫方程,可以導出如下壓力公式:

式中 p 1為初始絕對壓力(千克力/米 2,1千克力=9.8牛頓); p 2為最終絕對壓力(千克力/米 2); Q為重量流量(千克力/秒); R為氣體常數; T為熱力學溫度(開); A為圓管橫截面積(米 2)。摩擦系數 f仍根據雷諾數 Re和管道內壁相對粗糙度 ε/ D從穆迪圖查出。在等溫情形中,雷諾數沿管道長度不變。絕熱條件下氣體湍性管流的壓力損失計算方法有所不同。

  在實際技術問題中,經常遇到管道中的多相流動,即流動介質包括氣體、液體或固體中二相或二相以上的混合物。這些復雜管流主要依靠經驗公式進行計算。

  

參考書目

 孫成彥編:《管渠水利計算概論》,中國建築工業出版社,北京,1978。

 R.P.Benedict,Fundamentals of Pipe Flow,John Wiley &Sons,New York,1980.