管流應(yīng)用

管流水力學(xué)中的管流

液體充滿管道內(nèi)部的流動(dòng)。設(shè)計(jì)管道或管系時(shí)必須進(jìn)行管流的水力計(jì)算。管流的主要問題是確定流量和水頭，計(jì)算沿管線各斷面的壓強(qiáng)。

管流按液體速度的恒定性可分為：速度隨時(shí)間變化的非恒定管流和速度不隨時(shí)間變化的恒定管流；按管道局部損失能否忽略分為：沿程損失占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)、局部損失可以忽略不計(jì)的長管和局部損失占相當(dāng)數(shù)量不能忽略不計(jì)的短管；按管道布置分為管徑及管道類型均不變化又無分支的簡單管道，以及由兩根以上管道組合成的復(fù)雜管道，如串聯(lián)、并聯(lián)管道、枝狀或環(huán)狀管網(wǎng)。水力計(jì)算，均以恒定流為基礎(chǔ)

管流園林設(shè)計(jì)中的管流

水從管狀物中流出稱為管流。這種人工水態(tài)主要構(gòu)思于自然鄉(xiāng)野的村落，常有以挖空中心的竹稈，引山泉之水，常年不斷地流入缸中，以作為生活用水的形式。早在唐代詩人白居易的草堂記中亦曾描寫過管流："……以剖竹架空，引崖上泉，脈分線懸，自檐柱砌，壘壘如貫珠，霏微如雨露，滴瀝飄灑，隨風(fēng)遠(yuǎn)去。"

近代園林中則以水泥管道，大者如糟，小者如管，組成豐富多樣的管流水景。返回自然已成為當(dāng)前園林設(shè)計(jì)的一種思潮，因而在借用農(nóng)村管流形式有同時(shí)，也將農(nóng)村的水車形式引入園林，甚至在僅有1m多寬在櫥窗中也設(shè)計(jì)這種水體，極大地豐富了城市環(huán)境的水景。

由于流動(dòng)流體被固體邊界所包圍，常稱為流動(dòng)的內(nèi)部問題。管道常用于輸送流體，又是構(gòu)成化工設(shè)備（如管殼式換熱器、列管式固定床反應(yīng)器等）的基本部件；加之管道幾何形狀簡單，便于理論研究，所得結(jié)果還可為了解其他流動(dòng)所借鑒。因此，研究管流在實(shí)踐上和理論上都是很重要的。

管流是管道中的流體運(yùn)動(dòng)。兩千多年前人類已能大規(guī)模利用管道系統(tǒng)供水?，F(xiàn)代更普遍使用管道輸送各種液體、氣體和復(fù)雜的混合物。根據(jù)管中流體的流動(dòng)狀態(tài)，管流可分為層性管流和湍性管流。

管流液體層性管流

當(dāng)雷諾數(shù)小于2000時(shí)，等截面直圓管中的液體流動(dòng)是層性管流（這里ρ為液體密度；U為等截面上的平均速度；分別為液體的動(dòng)力粘性系數(shù)和運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)；D為圓管內(nèi)徑），流動(dòng)呈層狀規(guī)則運(yùn)動(dòng)。

對(duì)于圓管中的液體層性管流，19世紀(jì)G.H.L.哈根和J.-L.-M.泊肅葉已從實(shí)驗(yàn)歸納出流動(dòng)規(guī)律，后來證實(shí)與精確解符合，故后人稱之為泊肅葉流動(dòng)。圓管截面上隨（圖1）的速度分布為繞中心線的旋轉(zhuǎn)拋物面，即

式中△p為管道長度L上的壓力降（或壓力損失）。因?yàn)閴毫ρ毓艿篱L度降低，△p為負(fù)，所以式中取負(fù)號(hào)。

流量Q以及壓力降△p的公式為

式中g(shù)為重力加速度。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。

管流液體湍性管流

一般來說，當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到2000～4000（臨界區(qū)）時(shí)，液體層性管流會(huì)變得不穩(wěn)定，并開始向湍性管流過渡。當(dāng)雷諾數(shù)大于4000時(shí)，一般工業(yè)管道內(nèi)的液體流動(dòng)為過渡流或完全湍流。這時(shí)流動(dòng)的能量損失和壁面摩擦阻力加大。由于湍性管流有相當(dāng)大的徑向動(dòng)量交換，湍性管流的速度分布比層性管流均勻得多（圖1）。

液體湍性管流沒有嚴(yán)格的理論分析方法，工程技術(shù)中通常采用半經(jīng)驗(yàn)半理論公式和圖表計(jì)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(dá)西-魏斯巴赫方程給出：

式中為h_f壓頭損失（米）；L為管道長度（米）；D為管道內(nèi)徑（米）；U為平均速度（米/秒）；g=9.81米/秒；f為摩擦系數(shù)（無量綱），它是雷諾數(shù)Re和管道內(nèi)壁相對(duì)粗糙度的函數(shù)，即

由上式看出，在完全湍流情況下摩擦系數(shù)僅與粗糙度有關(guān)，而同雷諾數(shù)無關(guān)。在層流區(qū)，

為了便于使用，L.F.穆迪將這些函數(shù)關(guān)系繪在一張以ε/D為參數(shù)，以f、Re為坐標(biāo)軸的曲線圖（稱為穆迪圖，見圖2）上。 圖中湍性管流摩擦

系數(shù)f的下限為最下面的一條光滑管曲線，虛曲線為過渡區(qū)和完全湍流區(qū)的分界線。

上述經(jīng)驗(yàn)公式和穆迪圖適用于各種工業(yè)管道中的液體流動(dòng)。新的工業(yè)管道內(nèi)壁的有效粗糙度見上頁表。

應(yīng)用時(shí)，如果給定管道流量求壓頭損失，可以按如下步驟進(jìn)行計(jì)算。

首先通過水力試驗(yàn)測定管道內(nèi)壁的有效粗糙度，算出雷諾數(shù)，根據(jù)穆迪圖查出摩擦系數(shù)f，然后用

達(dá)西-魏斯巴赫方程算出壓頭損失。由于尚缺乏測量管道粗糙度的滿意方法，對(duì)粗糙

管的摩擦系數(shù)的知識(shí)也不完善，這樣的計(jì)算誤差約±10%。

管道截面的變化，閥門調(diào)節(jié)，管道方向變化和分支，都會(huì)引起壓頭的局部損失。但是，這些損失。但是，這些損失是次要的。工程計(jì)算中可將等效管道長度L₀加到實(shí)際管道長度中加以考慮。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，可溶性高分子聚合物具有很強(qiáng)的減阻作用。例如，在純?nèi)軇┲屑影偃f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?nèi)軇┠Σ磷枇Φ乃姆种?。一般來說，任何具有線形結(jié)構(gòu)的高分子物質(zhì)（其分子量大于50 000），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(yīng)用前景。

管流氣體湍性管流

對(duì)于氣體（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(jì)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于10%初始?jí)毫?，?jì)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(tài)方程或其他熱力學(xué)關(guān)系式。

在等溫情形中，根據(jù)微分形式的達(dá)西-魏斯巴赫方程，可以導(dǎo)出如下壓力公式：

式中為P1初始絕對(duì)壓力（千克力/米，1千克力=9.8牛頓）；P2為最終絕對(duì)壓力（千克力/米）；Q為重量流量（千克力/秒）；R為氣體常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度（開）；A為圓管橫截面積（米）。摩擦系數(shù)f仍根據(jù)雷諾數(shù)Re和管道內(nèi)壁相對(duì)粗糙度ε/D從穆迪圖查出。在等溫情形中，雷諾數(shù)沿管道長度不變。絕熱條件下氣體湍性管流的壓力損失計(jì)算方法有所不同。

在實(shí)際技術(shù)問題中，經(jīng)常遇到管道中的多相流動(dòng)，即流動(dòng)介質(zhì)包括氣體、液體或固體中二相或二相以上的混合物。這些復(fù)雜管流主要依靠經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。

1.孫成彥編：《管渠水利計(jì)算概論》，中國建筑工業(yè)出版社，北京，1978。

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

3.詞條作者：晏名文《中國大百科全書》74卷（第一版）力學(xué) 詞條：流體力學(xué) 中國大百科全書出版社 ，1987 ：191頁

輸送流體管執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：GB/T8163-2008（輸送流體用無縫鋼管）

物流管-柔性管-防靜電復(fù)合管產(chǎn)品的特點(diǎn)：

1、簡易性：物流管使用的是最簡單的生產(chǎn)概念，物流管工位器具除了負(fù)載方面的說明外，不用去考慮其他的精確數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)規(guī)劃，工人可以根據(jù)自己的工位狀況自行設(shè)計(jì)和制造線棒產(chǎn)品。

2、柔性化：物流管工位柔性系統(tǒng)具有良好的工作彈性，通過簡單的設(shè)計(jì)，允許你跟據(jù)自己的特殊需要、加上自己的構(gòu)思和創(chuàng)意來設(shè)計(jì)、搭建和調(diào)整。

3、靈活多變：由于現(xiàn)代生產(chǎn)產(chǎn)品的多樣化，需要不斷的改變工位器具，并在生產(chǎn)過程中不斷調(diào)整。物流管工位柔性系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)式組件構(gòu)成，拆裝非常方便，使得物流管組成的工位器具的修改變得十分容易，可適應(yīng)現(xiàn)場不斷變化的工藝。

4、符合JIT生產(chǎn)方式：物流管制成的工位柔性系統(tǒng)可以幫助你提高工作效率，有效節(jié)省空間，減少操作步驟，符合精益生產(chǎn)中的先進(jìn)先出的原則。

5、改善工作環(huán)境：物流管工位柔性系統(tǒng)除了方便取放零件和工具外，還可以幫助你降低在工作場所受傷的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樽钔鈱邮撬芰蠘渲瑢印?

6、可擴(kuò)展性：物流管工位柔性系統(tǒng)可針對(duì)不同產(chǎn)品的生產(chǎn)需要，設(shè)計(jì)出新的結(jié)構(gòu)，與原有的工位器具配合、增加不同的生產(chǎn)方式和不同工位的用途。

7、可重復(fù)使用：物流管的配件是可重復(fù)循環(huán)使用的，當(dāng)一個(gè)產(chǎn)品或者一道工序的生命周期結(jié)束時(shí)，可重新設(shè)計(jì)線棒產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，用原有的配件重新組裝去適應(yīng)新的要求。

8、符合人體工程學(xué)：由于柔性系統(tǒng)的簡單可調(diào)性，可方便調(diào)整工位器具的取放高度，使每一個(gè)操作者處于最佳的工作位置上。

9、持續(xù)改進(jìn)：物流管柔性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制作與改進(jìn)，能夠引發(fā)廣大員工的革新和創(chuàng)新意識(shí)，其最好的結(jié)果是使產(chǎn)品和工序得到持續(xù)的改善。

10、可隨意組裝；精益管表層為覆塑層，不易損傷零部件表面。

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水力學(xué)定義：水沿管道滿管流動(dòng)的水力現(xiàn)象稱為有壓管流。一般表現(xiàn)為壓強(qiáng)高于大氣壓。2100433B