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        布水器多孔散流管流動(dòng)機(jī)理研究

        2018-04-17 06:53:00趙昕波吳考陽(yáng)矯東柯鮮沐希
        關(guān)鍵詞:流管管長(zhǎng)摩擦阻力

        趙昕波 吳考陽(yáng) 矯東柯 鮮沐希

        河北建筑工程學(xué)院 河北 張家口 075000

        一、理論模型

        典型的多孔散流管結(jié)構(gòu)是一根開有一排徑向孔的等截面長(zhǎng)管,一端封閉。以管軸線方向?yàn)閤軸建立坐標(biāo)系。在研究前,我們先做出假設(shè)[1]:

        (1)散流器的多孔管水平放置的;

        (2)小孔外的環(huán)境壓力小于管內(nèi)靜壓,且保持不變;

        (3)小孔沿x軸方向上等距分布,且尺寸一致 ;

        (4)流體的流速在入口段最大,封閉端為零。

        對(duì)多孔出流管內(nèi)的變質(zhì)量流動(dòng),可在多孔管上取一微元控制體,。沿坐標(biāo)軸取微元間dx,dx包含若干個(gè)孔距,由此,我們可對(duì)此微元體建立連續(xù)性方程和動(dòng)量方程

        由動(dòng)量定理:物體動(dòng)量變化等于作用于該物體的沖量之和即

        A-多孔管的截面積,且

        此式為理想流體多孔管一維流動(dòng)的動(dòng)量守恒微分方程,而對(duì)于實(shí)際流動(dòng)必須考慮摩擦阻力則變?yōu)?/p>

        由于主流體流過(guò)小孔時(shí),流速發(fā)生相應(yīng)的改變,屬于變質(zhì)量流動(dòng),同時(shí)為避免流動(dòng)的細(xì)節(jié),流道結(jié)構(gòu),開孔形式等的影響,引入動(dòng)量交換系數(shù)k進(jìn)行修正。

        二、動(dòng)量交換系數(shù)k的確定

        前人實(shí)驗(yàn)表明,動(dòng)量交換系數(shù)與多孔管的橫截面積形狀、開孔位置無(wú)關(guān),與多孔管的長(zhǎng)徑比有關(guān)。對(duì)于定長(zhǎng)徑比的多孔管來(lái)說(shuō),動(dòng)量交換系數(shù)k與管內(nèi)的雷諾數(shù)無(wú)關(guān),只與通過(guò)小孔前后主流流道內(nèi)流體的相對(duì)動(dòng)能差,并且是線性函數(shù)

        動(dòng)量交換系數(shù)k是對(duì)孔口出流流體軸向分量對(duì)主流體的影響進(jìn)行修正,即小孔前后主流體的速度變化是由孔口出流帶走的軸向分量引起的,小孔出流的軸向分量可以用主流流體的動(dòng)能的變化率來(lái)表示,同時(shí)也要考慮可能存在的渦流和摩擦的損失,要給主流流體的動(dòng)能的變化率添加一個(gè)修正系數(shù),并且考慮動(dòng)量交換系數(shù)的初始變化量,我們將k寫成以下形式:

        對(duì)于長(zhǎng)徑比為30-80的多孔管,Haerter[2]等人應(yīng)用的表達(dá)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得,即動(dòng)量交換系數(shù)

        ??

        式一并不能直接用于理論計(jì)算,僅僅表示動(dòng)量交換系數(shù)值是側(cè)孔前后主管道內(nèi)流體相對(duì)動(dòng)能差的線性函數(shù)

        三、摩擦阻力系數(shù)λ的確定

        通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出當(dāng)小孔間距s與小孔直徑的比大于4-8時(shí),小孔造成摩擦阻力的增加占整個(gè)壁面的比例很小,可以忽略不計(jì),多孔管的摩擦系數(shù)可以認(rèn)為與不開孔的管相同。對(duì)于蓄熱水箱中散流器所用的多孔散流管,開孔范圍在20-60mm,開孔間距在200-300mm,因此所用摩擦阻力系數(shù)可以按正常管進(jìn)行計(jì)算[3]。

        多孔散流管中,各管段流量均不相同,應(yīng)首先判斷各管段的流態(tài)Re值,然后根據(jù)值選用適當(dāng)?shù)挠?jì)算公式,這樣做工作量非常大且很不方便。

        對(duì)于多孔散流管管內(nèi)的Re,按蓄熱進(jìn)水溫度60℃計(jì)算,水的運(yùn)動(dòng)粘度為0.326*10-6m/s2,散流管進(jìn)口端主流體的速度一般在0.3m/s左右,散流管的管徑一般在20-200mm,由此可得散流管Re在104-106之間事實(shí)上,多孔散流管進(jìn)口流態(tài)一般為紊流流態(tài),末端管段處于層流流態(tài) ,而且,多孔散流管末端總是存在層流段。但前人的試驗(yàn)和分析表明, 多孔散流管的流態(tài)一般為光滑管紊流,管道末端層流的影響可以忽略[4]。因此,管段中的流動(dòng)狀態(tài),幾乎都處于紊流流態(tài)內(nèi)。

        四、變質(zhì)量流動(dòng)動(dòng)量方程求解

        在理論模型建立和推導(dǎo)過(guò)程中,方程一式含有兩個(gè)變參數(shù)k和λ。前面導(dǎo)出了k和λ的函數(shù)關(guān)系式,因此,可以進(jìn)行變參數(shù)下變質(zhì)量動(dòng)量方程的求解[5]

        五、計(jì)算結(jié)果與討論

        當(dāng)Re取中間值105,管壁的當(dāng)量絕對(duì)粗糙度采用0.05mm,分別取管長(zhǎng)L=1000mm,L=2000mm,L=3000mm,L=4000mm時(shí),對(duì)應(yīng)不同的管徑,計(jì)算靜壓分布。當(dāng)管長(zhǎng)L=1000mm時(shí),d=10-15mm左右時(shí),靜壓差變化較小。當(dāng)管長(zhǎng)L=2000時(shí),d=25~30mm時(shí),靜壓差變化較小。當(dāng)管長(zhǎng)L=3000mm時(shí),d=40~45mm時(shí),靜壓差變化較小。當(dāng)L=4000mm時(shí),d=55~60mm時(shí)靜壓差變化較小。即多孔散流管的長(zhǎng)徑比在65~100時(shí),靜壓變化較小。

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