[发明专利]一种任意组合弯管阻力系数的计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及弯曲管道阻力系数的计算方法，具体地说是一种同一个平面内90°任意组合弯管阻力系数的计算方法。

背景技术

流体在弯管内的流动作为一种常见现象，广泛应用于如发动机系统、暖气装置、通风设备、煤气和天然气输送、热电厂及核电冷却水循环系统等工业设备中。阻力系数是管道设计中极为重要的水力参数，正确掌握其规律有助于提高设计的合理性。

由量纲分析原理可知，对圆截面管中的不可压缩流而言，形变件造成的流体阻力系数为：

ζ＝△P/(1/2ρ·V²)＝ζ(δ,R/D,Re) (1)

式中，△P为流体的总压压力降[Pa]；ρ为流体密度[kg/m³]；V为流体速度[m/s]；δ为转角[°]；R/D为相对曲率半径；R为弯管轴线的转弯半径[m]；D为管径[m]；Re为雷诺数，Re＝V·D·ρ/μ，μ为流体动力粘滞系数[Pa·s]。

已发表的文献主要针对单个弯管、S型弯管、U型弯管和一些几何参数确定的组合弯管阻力系数的研究，其中最为经典的研究结果来自前苏联学者Idelchik，《Handbook of hydraulic resistance(3rd Edition)》，2003，其认为弯管的总阻力系数由转弯区域内的摩擦阻力系数ζ_TP和局部阻力系数ζ_M之和来确定：

ζ＝ζ_TP+ζ_M (2)

式中，ζ_TP与直管段计算公式相同，为：ζ_TP＝λl/D，其中λ与Re和相对粗糙度有关，针对2×10⁴≤Re≤10⁵且管壁光滑的圆截面管子，λ值按下列公式计算：

紊流状态(4000<Re<10⁵)

见图1中的a图。

紊流状态(Re>10⁵)

见图1中的b图。

此外，λ值也可按照下表一选取

表一：稳定流动；管壁光滑的圆截面管子摩擦阻力系数表

l为弯管的轴线长度，l/D的值按下式计算：

因此：

针对不同弯管类型，局部阻力系数ζ_M的值不同，使得阻力系数ζ也不同：

1、单弯管阻力系数(图2)，光滑壁(△＝0)并且Re＝V·D·ρ/μ≥2×10⁵

式中

A₁——考虑弯管转角δ影响的系数；

B₁——考虑弯管相对曲率半径R/D影响的系数；

C₁——考虑弯管相对高宽比影响的系数。

A₁按照Nekrasov,Hydraulics,1954,290p的数据选取：

当δ＝90°时，A₁＝1；

当δ<70°时，A₁＝0.9sinδ；

当δ>100°时，

B₁按照近似公式选取：

当R/D<1时，B₁＝0.21/(R/D)^0.25；

当R/D≥1时，B₁＝0.21/(R/D)^0.5，

C₁可按照图表选取，本例中只考虑圆截面管子，因此C₁＝1。

此外，考虑到Re数的影响：

k_Re＝f(Re)，见图3或者下表二：

表二：弯管(0<δ≤180°；l₀/D≥10和任意R/D)k_Re值

2、S型弯管(图4)，流体在同一平面内流动，光顺的(R/D>1.0)：

式中ζ_M′为式(6)中单个弯管的ζ_M值；

λ见图1或者表一；当λ＝0.02时，

见图5或者下表三(当Re≥2×10⁴时适用)。