什么是头部损失 - 压力损失 - 定义

头部损耗或压力损失代表摩擦力阻力。来自摩擦的头部损失与液体平方的速度能量有关。优德app热工程学

水头损失-压力损失

在管道系统的实际分析中,最重要的是数量粘性效应造成的压力损失沿着系统的长度,以及额外的压力损失因其他技术设备比如阀门,弯头,管道入口,配件和三通。
首先,一个扩展Bernoulli的等式必须介绍。该方程允许以经验方式包含粘度,并通过称为已知为的物理参数来计算这一点头部损失
扩展Bernoulli方程式

扩展的伯努利方程
有两个主要的假设的推导过程简化的伯努利方程
  • 伯努利方程的第一个限制条件是不允许工作在流体上或通过流体完成。这是一个显着的限制,因为大多数液压系统(特别是在核工程)包括泵。如果在流体中的两个点之间存在泵,则这种限制可以防止对这两个点进行分析。
  • 简化伯努利方程的第二个限制是没有流体摩擦在解决液压问题时是允许的。在现实中,摩擦发挥着至关重要的作用。流体所拥有的总水头不能完全无损地从一点转移到另一点。实际上,在液压系统中加入泵的一个目的是克服由于摩擦而产生的压力损失。

由于这些限制的大部分实际应用的简化伯努利方程对于真正的液压系统非常有限。为了处理头部损失和泵工作,简化必须修改Bernoulli的等式

可以对伯努利方程进行修正,将其考虑在内得失人头。得到的方程,称为扩展Bernoulli的等式,在解决大多数流体流动问题方面非常有用。以下等式是扩展Bernoulli等式的一种形式。

扩展Bernoulli方程式

地点:
h =基准面以上高度(m)
v =流体平均速度(m/s)
p =流体压力(Pa)
H=泵加水头(m)
H摩擦=由于流体摩擦而导致的头部损失(m)
g =重力加速度(m/s)2)

的压头损失(或压力损失)由于流体摩擦(H.摩擦)表示克服由管壁引起的摩擦所使用的能量。在管道中发生的水头损失取决于流速,管径长度和一个摩擦系数根据管道的粗糙度和雷诺数流的。包含许多管件和接头、管的收敛、发散、转弯、表面粗糙度等物理特性的管道系统也会增加液压系统的水头损失。

虽然头部损失代表了能量的损失,它不代表总能量的损失吗液体。流体节省的总能量是由于能量保护规律。实际上,由于摩擦导致的头部损失导致等同物热力学能的增加液体(温度升高)。

大多数评估摩擦导致的水头损失的方法几乎都是基于实验证据。这将在以下几节中讨论。

液压头
一般来说,液压头或者总部是一个衡量标准潜在的在测量点处的液体。它可用于确定两个或多个点之间的液压梯度。
Bernoulli定理 - 方程式

在流体优德体育w88官网手机版动力学,头是一个概念,联系的能量在不可压缩流体等效静态柱的高度那种液体。所有不同形式的能量的单位88top优德官网中文版 也可以测量单位的距离因此,这些术语有时被称为“头部”(压头,速度头和高度头)。头部也被定义为泵。这个头通常被称为静态头,代表了最大高度(压力)。因此,所有泵的特性通常都可以从其读取Q-H曲线(流量 - 高度)。

有四种类型的潜力(头):

  • 压力电位-压力头:压力头表示其重量相当于流体压力的液体的流动能量。压头ρw:假定的水密度与压力无关
  • 仰角电位-仰角头:升降头代表由于其高于参考水平的升高而流体的潜在能量。海拔的头
  • 动力学潜力 - 动力学头:动能头表示流体的动能。它是指流体在柱中所上升的高度,即流体的全部动能都转化为势能时所上升的高度(英尺)。动力学头

流体的高度水头、运动水头和压力水头的总和称为压力水头总压头。因此,伯努利的公式指出,流体的总头是恒定的。

总水头

考虑一种含有理想流体的管道。如果该管道经历直径逐渐膨胀,则连续性方程式告诉我们管道直径增加,流速一定会减小为了保持相同的质量流速。由于出口速度小于入口速度,因此流动的动力学头必须从入口到出口的入口减小。如果高度头部没有变化(管道呈水平),则必须通过增加压头的增加来补偿动力学头的减小。

的压头损失(或压力损失)表示流体流经液压系统时总水头或压力(高度水头、速度水头和压力水头之和)的减少。的压头损失也代表了克服管壁和其他技术设备产生的摩擦所消耗的能量。在实际流动流体中,水头损失是不可避免的。它的存在是由于相邻流体颗粒相对移动时(特别是在湍流中)的摩擦。

在管道中发生的水头损失取决于流速,管径长度和一个摩擦系数根据管道的粗糙度和雷诺数流的。虽然头部损失代表了能量的损失, 它不代表总能量的损失吗液体。流体节省的总能量是由于能量保护规律。实际上,由于摩擦导致的头部损失导致等同物热力学能的增加液体(温度升高)。

大多数用于评估由于摩擦引起的头部损失的方法几乎完全基于实验证据。这将在以下几节中讨论。

示例:摩擦头部损失
20°C的水通过光滑的12厘米直径的管道泵送10公里长,流量75米3./H。入口由绝对压力为的泵提供2.4 MPA
出口是标准的大气压力(101 KPA)是200米高

计算摩擦水头损失f,并将其与速度头流量v2/(2g)。

解决方案:

由于管道直径是恒定的,因此到处都是相同的速度和速度头:

v=Q / A.= 75 [m3.[s/h] / 0.0113 [m2] =1.84米/秒

速度头:

速度头= V.2/ (2 g) = 1.842/ 2 * 9.81 =0.173米

为了找到摩擦头部损失,我们必须使用扩展的Bernoulli等式:

扩展Bernoulli方程式

头部损失:

2 400 000 [Pa] / 1000 [kg/m3.] * 9.81 [m / s2+ 0.173 [m] + 0 [m] = 101 000 [Pa] / 1000 [kg/m3.] * 9.81 [m / s2[m]: [m]: [m]: [m]f

Hf= 244.6 - 10.3 - 200 =34.3米

头部损失分类

的压头损失对于一个管,管或管道系统,它与直管或管道中产生的相同,直管或管道的长度等于原始系统中的管道加上系统中所有部件的等效长度之和。

可以看出,管道系统的水头损失主要分为两大类,重大损失“与每段管道的能量损失有关,以及”轻微的损失“与弯曲,配件,阀门等相关

水头损失可以表示为:

h损失=Σhmajor_losses+Σhminor_losses.

概括:

  • 压头损失或者压力损失是减少的总压头(的总和潜在的头,速度头, 和压头是由…引起的摩擦存在于流体的运动中。
  • 头部损失和压力损失代表同样的现象-摩擦损失在液压元件中的管道和损失中,但它们被表达不同的单位
  • 液压系统的水头损失分为两个主要类别:
    • 主要头部损失-由于摩擦在直管
    • 轻微的头部损失- 由于阀门的组件,弯曲......
  • 达西的等式可用于计算重大损失
  • 一个达西方程的特殊形式可用于计算轻微的损失
  • 摩擦系数对于流体流量可以使用穆迪图表

为什么头部损失非常重要?

从图中可以看出,水头损失是多种形式的关键特征任何液压系统。在系统中,必须保持一定的流量(例如,提供足够的冷却或从aw88优德备用网址 微博反应堆堆芯),均衡头部损失头补充说由泵决定通过系统的流量。

离心泵和管道的Q-H特征图
离心泵和管道的Q-H特征图
液压头 - 液压等级线
具有摩擦力的定径管道的液压级管线和总压头管线。在实际的管道中,由于摩擦会造成能量损失,因此必须将其考虑在内。

主要头部损失 - 摩擦损失

也可以看看:主要水头损失-摩擦损失

重大损失,它们与摩擦能量损失每根管子的长度取决于流速、管道长度、管径和摩擦因数基于管道的粗糙度,以及流量是否是或者动荡不安的(即,雷诺数流动)。

虽然头部损失代表了能量的损失, 它不代表总能量的损失吗液体。流体节省的总能量是由于能量保护规律。实际上,由于摩擦导致的头部损失导致等同物热力学能的增加液体(温度升高)。

通过观察,主要水头损失大致与流量的平方成正比在大多数工程流中(充分发展的,紊流管)。

用于计算管或管道中主要头部损耗的最常见的等式是达西 - 威斯巴赫方程式(水头损失形式)。

主要头部损失 - 头部表格

地点:

  • Δh =摩擦水头损失(m)
  • fD=达西摩擦因子(无单位)
  • L =管道长度m
  • D =管道D(m)的液压直径
  • G =重力常数(m/s2)
  • V =平均流速V (m/s)
压力损失形式
压力损失表格中的Darcy-Weisbach方程可以写入:
主要水头损失-压力损失形式

地点:

  • Δp =摩擦压力损失(Pa)
  • fD=达西摩擦因子(无单位)
  • L =管道长度m
  • D =管道D(m)的液压直径
  • G =重力常数(m/s2)
  • V =平均流速V (m/s)

___________

评估这一点达西-韦史巴赫方程洞察影响管道水头损失的因素。
  • 考虑到这一点管道长度或通道翻了一倍,由此产生的摩擦水头损失将加倍
  • 在恒定流速和管道长度下,水头损失与直径的四次方成反比(对于层流程),从而将管道直径减少一半将头部损耗增加了16倍。这是头部损耗的非常显着的增加,并表示较大直径的管道导致更小的泵送功率要求。
  • 由于水头损失大致与流量的平方成正比,那么如果流量增加了一倍,头部损失增加了四倍
  • 头部损失减少了一半(用于层流)时流体的粘度减少了一半
资料来源:donebysecondlaw在英文维基百科,CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4681366
来源:donebysecondlaw在英文维基百科,CC BY-SA 3.0,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4681366

除了达西摩擦因素,每一项(流速,水力直径(管子的长度)可以很容易测量。达西摩擦系数考虑了流体的密度和粘度特性,以及管道粗糙度。可以通过使用各种经验关系来评估该因素,或者可以从已发布的图表读取(例如,穆迪图表)。

层流的达西摩擦系数
为了实际目的,如果雷诺数是小于2000,流量是多少。给出了圆管内流动的公认过渡雷诺数d,暴击= 2300。对于层流,水头损失与速度成正比而不是速度的平方,因此摩擦系数与速度成反比

达西摩擦因素因为层流(慢流)是…的结果泊肃叶定律这是通过以下等式给出的:

达西摩擦因子的层流

过渡流达西摩擦系数
在雷诺数之间关于2000年和4000年由于湍流的开始,流动是不稳定的。这些流动有时被称为过渡流动。达西摩擦系数含有很大的不确定性在这种流动状态下,并没有很好地理解。
湍流的达西摩擦系数
如果是雷诺数大于3500时,流量是多少动荡不安的。核设施中的大多数流体系统都是用湍流。在这方面流态流动的抵抗遵循达西 - 威斯巴赫方程式:与平均流速的平方成正比。达西摩擦系数很大程度上取决于相对粗糙度管子的内表面。

确定湍流摩擦系数最常用的方法是使用穆迪图表。穆迪图(也被称为穆迪图)是一个对数对数图的胚胎相关达西摩擦系数、雷诺数和在圆形管道中充分发展流动的相对粗糙度之间的关系。Colebrook-White方程:

湍流流动的达西摩擦因素

它也被称为科尔布鲁克公式,表达达西摩擦因素f作为一个函数管相对粗糙度ε/Dh和雷诺数。

1939年,Colebrook通过拟合光滑管和粗糙管中湍流实验研究的数据,发现了圆管中摩擦因子的隐式相关性。

适用于液压光滑管和紊流(Re < 105)的摩擦因数可近似为Blasius公式:

f =(100.re)-

达西摩擦因数-相对粗糙度必须指出,在非常大的雷诺数,摩擦因子与雷诺数无关。这是因为层状子层(粘性子层)的厚度随着雷诺数的增加而降低。对于非常大的雷诺数,层状子层的厚度与表面粗糙度相当,并且它直接影响流动。层状子层变得如此薄的是表面粗糙度突出到流动中。这种情况下的摩擦损失在主要由突出的粗糙度元件主要由突出的粗糙度元件的主流中产生,并且层叠板的贡献可忽略不计。

轻微水头损失-局部压力损失

也可以看看:轻微水头损失-局部压力损失

在工业中,任何管道系统都含有不同的技术元素作为弯曲,配件,阀门或者加热渠道。这些额外的组件增加了系统的总水头损失。这种损失通常被称为小损失,尽管它们往往占水头损失的主要部分。对于相对较短的管道系统,具有相对较多的弯管和连接件,小的损失很容易超过大的损失(特别是对于部分关闭的阀门,可能会造成严重的损失更大的压力损失比长管,实际上当阀门关闭或接近关闭时,小损失是无限的)。

小损失通常是被测量的实验。这些数据,特别是阀门的数据,在某种程度上取决于特定制造商的设计。

通常,工业中使用的大多数方法都定义了一个系数K作为某一技术部件的价值。

小水头损失-方程

就像管道摩擦一样较小的损失大致与流量的平方成正比因此它们可以很容易地被整合到达西-韦史巴赫方程。K是管道长度内所有损失系数的总和,每个损失系数都对总水头损失有贡献。

以下方法在局部压力损失计算中具有实际重要性:

  • 等效长度的方法
  • k法-阻力系数法
  • 2 k法
  • 3 k法

参见:小水头损失-局部压力损失

例:主管道一个回路的压头损失
典型的一次电路pwr分为4个独立环(管道直径约为700mm),每个环包括一个蒸汽发生器和一个主冷却剂泵

假设(此数据不代表任何反应堆设计):

  • 在初级管道内部在恒定温度下流动水290°C(⍴~ 720kg /m3.)。
  • 运动粘度290°C的水等于0.12 x 10-62/ s.
  • 主管道流速可约为17米/秒
  • 一个回路的主管道大约是20米长
  • 雷诺数主管道内部等于:ReD= 17 [m/s] x 0.7 [m] / 0.12×10-6[m2/ s] =99 000 000
  • 达西摩擦因素等于fD= 0.01

计算头部损失用于主管道的一个回路(没有配件、弯头、泵等)。

解决方案:

既然我们知道所有输入达西-韦史巴赫方程,我们可以直接计算头部损失:

水头损失形式:

Δh= 0.01x½x1/ 9.81 x 20 x 172/ 0.7 =4.2米

压力损失形式:

Δp= 0.01 x 1 / 2 x 720 x 20 x 172/ 0.7 = 29 725 Pa≈0.03 MPa

例如:由于粘度降低而引起的水头损失的变化。
在完全开发中层流在圆形管道中,水头损失为:
主要头部损失 - 头部表格地点:

达西摩擦因子 - 层流

自从此以来雷诺数与粘度成反比,那么由此产生的水头损失与粘度成正比。因此,当流体粘度降低一半时,当流量和平均速度保持不变时,水头损失就减少一半。

压力降-燃料组件
一般来说,总计燃料组件 压降是由燃料束摩擦下降形成的(取决于相对粗糙度燃料棒,Reynolds号码,水力直径等)和其他结构元件(顶部和底部喷管、间距栅格或混合栅格)的压降。

通常,计算燃料组件中的压降(特别是间距网格)并不是那么简单,并且它属于键技术某些燃料制造商。大多数情况下,测量压降实验液压回路,而不是计算。

工程师使用压力损失系数,PLC.。它被指出k或ξ“兮”(发音)。这个系数特征压力损失指某一液压系统或液压系统的一部分。它可以很容易地测量液压回路。压力损失系数可以定义或测量直管,特别是直管当地(未成年人)损失

PLC -压力损失系数-方程

使用下面提到的示例中的数据压力损失系数(仅来自直管的摩擦力)等于ξ= F.DL / DH= 4.9。但总体压力损失系数(包括格栅间距、顶部和底部喷嘴等)通常要高3倍左右。这个公司(ξ= 4.9)导致压降是(使用先前输入)的顺序Δp摩擦= 4.9 x 714 x 52/ 2 =43.7 KPA.(不间距网格,顶部和底部喷嘴)。真正的PLC大约三倍意味着大约需要三倍Δp燃料将。

整体反应堆压力损失,Δp反应堆必须包括:

  • 降水管和反应堆底部
  • 降低支撑板
  • 燃料组件包括间距网格、顶部和底部喷管等结构部件Δp燃料
  • 上部导向结构组件

结果整体反应器压力损失 -Δp反应堆设计参数通常为数百kPa(假设300 - 400 kPa)量级。

压力损耗系数 - PLC
有时,工程师使用压力损失系数,PLC.。注意到K或ξ(发音为“xi”)。该系数表征某一液压系统的压力损失或液压系统的一部分。它可以很容易地测量液压回路。压力损失系数可以定义或测量直管,特别是直管当地(未成年人)损失

PLC -压力损失系数-方程

例子——压力损失系数

双相流体流量的头部损失

也可以看看:两相压降

与单相压降相比,两相压降的计算和预测更复杂的问题,并且前导方法显着不同。实验数据表明两相流摩擦压降(例如,在沸腾通道中)是更高的与相同长度和质量流量的单相流相比。其原因包括由于受热表面上气泡的形成和流速的增加,表面粗糙度明显增加。

引用:
反应堆物理和热水力学:
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  8. Kleinstreuer C.现代流体动力学。优德体育w88官网手机版Springer,2010,ISBN 978-1-4020-8670-0。
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  10. 《流体力学》,第7版,2010年2月,ISBN: 978-0077422417

也可以看看:

伯努利定律

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