汽车-流体管路优化设计

第八讲管路计算Chapter8CalculationofFluidFlowinPipes作业：练习题8-1，8-3计算依据：1.连续性方程；2.伯努利方程3.阻力损失计算式简单管路：没有分支与汇合复杂管路：有分支与汇合一.概述对于一般的管路设计，管径要根据流量大小而确定，管径的确定是一个优化问题。一般情况下，液体流速取1～3m/s，气体流速取10～30m/s。费用uuopt操作费设备费总费用二.简单管路特点：1.流经各管段的质量流量相同，若流体不可压缩，则各管段的体积流量也相同。ms0ms1ms2210sssmmm若ρ一定，则：210sssVVV2.整个管路的阻力损失为各管段损失之和。iffffhhhh21常见问题：1.操作型问题：2.设计型问题：已知管径、管长(含管件的当量长度)和流量，求输送所需总压头或输送机械的功率。已知输送系统可提供的总压头，求已定管路的输送量，或输送一定流量的管径。自来水塔将水送至车间，输送管路采用Ф114×4mm的钢管，管路总长为190m(包括管件与阀门的当量长度，但不包括进、出口损失)。水塔内水面维持恒定，并高于出水口15m。设水温为12℃，试求管路的出水量(m3/h)。15m1122例题：解：选取塔内水面为1－1截面，出口内侧为2－2截面。以管路出口中心为基准面。列伯努利方程有：fhZgugpZgugp2222121122gugudllhef22222215m112215m1122其中：mZ15102Z01uappp215.0代入数据并整理，有：5.117923.2945.1106.01901581.921212dllZgue式中，),(),(2deudfdeRfe上面两式中，含有两个未知数λ和u2，由于λ的求解依赖于Re，而Re又是u2的函数，故需采用试差求解。此题中，原始数据为：水的密度和粘度分别为：3/1000mkgsPa310236.1管壁的绝对粗糙度为：mme2.031089.11062.0de进行试算，有：λ0u2Ree/dλ1第一次0.022.812.4×1051.89×10-30.024第二次0.0242.582.2×1051.89×10-30.024由于两次计算的λ值基本相同，故u2＝2.58m/s。于是，输水量为：hmsmduV/9.81/0228.043322例题：15℃的水以0.0567m3/s的流率流过一根当量长度为122m的光滑水平管道。已知总压降为1.03×105Pa，试求管道的直径。解：在管的进、出口截面间列伯努利方程，有：fhZgugpZgugp2222121122由于管道水平，有：21ZZ21uugpphf21因此，有：又有：5422220324.082dgdVdllgudllheef55210324.081.910001003.1dgpphf9.3235d由于)(')(dfRfe因此需要进行试差求解。其步骤为：1.设定一个λ的初值λ0；2.将此λ0值代入上式求出管路直径d；3.用此d值计算雷诺数Re；4.用Re和相对粗糙度e/d(此题中为0)，求出λ；5.重复以上步骤，直至所设初值和计算值相等。经过以上计算步骤，有：管道直径d＝0.13m，摩擦因数λ＝0.012。三.复杂管路12ABAOBC并联管路分支管路特点：并联管路和分支管路中各支管的流率彼此影响，相互制约；其流动规律仍然满足连续性方程和能量守恒原理。1.操作型问题：常见问题：2.设计型问题：已知管路布置和流量，求输送所需总压头或输送机械的功率。已知管路布置和输送系统可提供的总压头，求流量的分配，或已知流量分配求管径的大小。特点：1.总管流量等于各支管流量之和。2.对于任一支管，分支前及汇合后的总压头皆相等。据此可建立支管间的机械能衡算式，从而定出各支管的流量分配。（一）.并联管路12AB对于支管1，有：1,2222fBBBAAAhZgugpZgugp2,2222fBBBAAAhZgugpZgugp对于支管2，有：对于A、B两截面，有：BAfBBBAAAhZgugpZgugp,222212AB比较以上三式，有：BAfffhhh,2,1,另外，根据流体的连续性方程，有：2,1,sssmmm2,1,sssVVV若ρ一定，则：例题：右图中的支管1和支管2的总长度(包括当量长度)如附表所示。各管均为光滑管，两管进出口的高度相等。管内输送20℃的水，总管流率为60m3/h，求各支管流率。12ABd/mL+Le/m支管10.05330支管20.080550解：20℃水的物性为：ρ＝998.2kg/m3,μ=1.005×10-3Paּs设支管1内的流速为u1，支管2内的流速为u2，则依据连续性方程，有：2212)0805.0(4)053.0(4360060uu即：56.731.221uu又根据各支管内阻力相等，有：gudLLgudLLee2)(2)(2222221111即：2222116.310283uu由于摩擦因数与速度有关，初设：02.021将两式联立求解，有：smusmu/25.2/35.221下面对假定的摩擦因数值进行检验：511110237.1udRe查莫狄图，有：017.01522210799.1udRe0154.02由于检验值和设定值有差别，故需再次试算，把上步结果作为假定值，计算得：smusmu/28.2/29.221由于两次计算求得的流速数据接近，可停止跌代。求得的各支管流率为：hmVhmV/81.41/19.183231（二）.分支管路AOBC特点：1.总管流量等于各支管流量之和。2.对于任一支管，可分别建立总管截面和支管截面间的机械能衡算式，从而定出各支管的流量分配。对于支管AOB，有：AOBfBBBAAAhZgugpZgugp,2222AOCfCCCAAAhZgugpZgugp,2222对于支管AOC，有：OBfAOfBBBhhZgugp,,22OCfAOfCCChhZgugp,,22OCfCCCOBfBBBhZgugphZgugp,2,222对于B、C截面，有：本讲小结简单管路，又称串联管路，其特点为：1.各管段中流体的质量流量均相同。2.管路的总阻力等于各管段阻力之和。1.总管的质量流量为各分支管路质量流量之和。2.并联管路的各支管阻力均相等，并联部分总阻力等于各支管的阻力。3.对于分支管路，可以在总管和各支管之间列伯努利方程。复杂管路分为分支管路和并联管路，其特点为：