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阀门-管内流体流动的阻力论文

作者: 来源: 发布时间:2014/2/13 0:00:00  点击数:1582

关键词】阀门

摘要】流体本身具有粘性,流体流动时因产生内摩擦力而消耗能量,是流体阻力损失产生的根本原因。而管道的大小、内壁的形状、粗糙度等又影响着流体流动的状况,是流体阻力产生的外部条件。关于粘性、流速等流体的物理性质,前面已讨论,本节介绍管路与系统的管、管件、阀门开始,进而讨论流体的流动形态和管内流体流动阻力的定量计算。


(一)世界造纸工业基本情况与发展趋势

    1、世界造纸产品和纸浆生产情况

    2005年世界造纸工业的纸及纸板产量为3.67亿吨,比2000年增长13.3%,年均增长2.5%。2005年纸和纸板产量位居前10位的国家是美国、中国、日本、德国、加拿大、芬兰、瑞典、韩国、法国和意大利,产量合计占世界总产量的72.4%。2005年世界纸浆产量为1.89亿吨,比2000年增长1.0%,年均递增0.2%。其中化学浆占纸浆产量的67.1%,机械浆占18.9%。2005年纸浆产量位居前10位的国家有美国、加拿大、中国、瑞典、芬兰、日本、巴西、俄罗斯、印尼和印度,产量合计占世界总产量82.3%。

    2、世界造纸产品和纸浆消费情况

    2005年世界纸和纸板消费量为3.66亿吨,比2000年增长12.9%,年均递增2.5%。人均纸及纸板年消费量为56.3千克,其中以北美人均消费水平最高,为293.0千克,亚洲和非洲最低,分别为35.3千克和6.8千克。2005年世界纸浆消费量为1.88亿吨,比2000年下降0.2个百分点。纸浆消费格局:北美洲占35.6%;欧洲占29.1%;亚洲占28.1%;拉丁美洲占4.7%;大洋洲占1.3%;非洲占1.2%。亚洲已成为世界最大的商品纸浆输入地区。

    3、世界造纸工业贸易趋势

    商品纸浆出口量较大的国家有加拿大、巴西、瑞典、智利、芬兰,2005年上述五国纸浆净出口量约占世界商品纸浆总产量的51.0%。2005年纸浆进口较多的国家有中国、德国、意大利、韩国和日本,净进口量约占世界商品纸浆总产量的42.0%。中国属净进口国,2005年纸浆进口量约占世界商品纸浆总产量的16%。在废纸贸易中,世界废纸进口量4156万吨,出口量3990万吨,净出口量2796万吨。美国是世界最大的废纸供应国,2005年美国净出口量1411万吨。2005年中国进口废纸1703万吨,为世界第1位,占世界废纸出口量的42.7%,占净出口量的61%。随着世界各国越来越重视本国资源的回收利用,预计全球废纸的贸易量将有减少的趋势。

    4、世界造纸产品和纸浆需求趋势

    根据世界经济发展趋势,“十一五”期间世界纸浆、纸及纸板需求总体仍呈增长趋势,预计纸浆年均递增2~2.5%,纸及纸板年均递增2.5~3.0%,到2010年世界纸浆需求量将由2005年的1.88亿吨增至2.08~2.13亿吨。世界纸及纸板需求量将由2005年3.66亿吨增至4.15~4.25亿吨。从长期看,商品纸浆供应趋势在国际贸易中将是短线产品。从纸及纸板供应趋势来看,在国际贸易中需求增长较快的主要品种将是未涂布的化浆纸、涂布与未涂布的含机浆纸以及特种纸。

    5、世界造纸工业的发展特点

    近年来,世界造纸工业技术进步发展迅速,由于受到资源、环境、效益等方面的约束,造纸企业立足在节能降耗、保护环境、提高产品质量、提高经济效益等方面加大力度,正朝着高效率、高质量、高效益、低消耗、低排放的现代化大工业方向持续发展,呈现出企业规模化、技术集成化、产品多样化、功能化、生产清洁化、资源节约化、林纸一体化和产业全球化发展的突出特点。

    (二)我国造纸工业面临的形势

    1、我国造纸工业仍将保持较快增长

    我国造纸工业发展与国民经济及社会发展密切相关,经济的发展将为我国造纸工业发展提供有力支撑,根据纸及纸板消费量指数与GDP指数的相关性分析,并综合考虑影响国民经济发展的有关不确定因素和相关产业的发展前景,“十一五”期间,我国造纸工业仍将处于发展增长期,预计2005年至2010年纸及纸板消费量的年均增长速度为7.5%,2010年纸及纸板的消费量将从2005年的5930万吨增长到8500万吨左右,国内自给率保持在90.0%以上,人均消费量由45千克增至62千克。

    2、我国造纸工业资源短缺和环保约束压力增强

    造纸工业的产业链条长、涉及面广,涉及水资源、水环境、林业、农业、能源、土地资源等诸多方面。面对我国资源短缺、环境问题日益突出的形势,造纸工业将按照科学发展观和循环经济的原则,创新发展模式,提高发展质量,在坚持发展的前提下,把“节水、节能、降耗、减污、增效”作为主攻目标,通过实施清洁生产、技术进步,使资源高效利用和循环利用,促进造纸工业实现可持续发展。

    3、造纸纤维原料供应矛盾日益突出

    我国是世界最大的原生纸浆和废纸进口国,2005年纸浆进口量约占世界商品纸浆总产量的16%,废纸进口量占全球废纸净出口总量的61.0%。我国造纸工业未来的发展仍将很大程度依赖进口纤维原料,世界纤维原料的供应量和供应价格必将在相当程度上影响我国造纸工业的发展,切实保障纤维原料供应是我国造纸工业持续高速发展的关键。因此,积极推进林纸一体化,提高国内废纸回收率和科学合理利用非木材纤维,力争大幅度提高纤维原料的自给水平,是我国造纸工业发展面临的迫切任务。


  1. 管、管件及阀门简介

(1)      管

管子的种类繁多。化工生产中广泛使用的有铸铁管、钢管、特殊钢管、有色金属管、塑料管及橡胶管等。钢管又分有缝钢管和无缝钢管,前者多用低碳钢制成;后者的材料有普通碳钢、优质碳钢以及不锈钢等。铸铁管常用于埋在地下的给水总管、煤气管及污水管等。

   实际上,即使是同样材料制造的管道,由于使用时间的长短、腐蚀及沾污程度的不同,管壁的粗糙度会产生很大的差异。管壁粗糙面凸出部分的平均高度,称为绝对粗糙度,以ε表示。绝对粗糙度ε与管内径d的比值 /d,称为相对粗糙度。表3—1列出了某些工业管道的绝对粗糙度。

阀门安装于管道中用以切断流动或调节流量。常用的阀门有截止阀、闸阀和止逆阀等。

①       截止阀截止阀构造,它是依靠阀杆的上升或下降,以改变阀盘与阀座的距离,从而达到切断流动或调节流量的目的。截止阀构造比较复杂,在阀体部分流体的流动方向经数次改变,流动阻力较大。但这种阀门严密可靠,且可较精密地调节流量,故常用于水蒸气、压缩空气及液体输送管道。

   ②闸阀闸阀又称为闸板阀。闸阀是利用间板的上升或下降来调节管路中流体的流量。闸阀的结构简单,流体阻力小,且不易为悬浮物所堵塞,所以常用于大直径管道。其缺点是闸阀阀体高,制造和检修较困难。

    ③止逆阀止逆阀又称为单向阀。它只允许流体单向流动。如图3—17所示。当流体自左向右流动时,阀自动开启;如流体反向流动时,阀自动关闭。止逆阀只在单向开关的特殊情况下使用。

2. 流动的形态

(1)两种流动形态

为了解流体在管内流动状况及其影响因素,雷诺设计的实验可直接观察到两种不同的流动形态。雷诺实验装置,水箱2内有溢流装置,以维持实验过程中液面的恒定。在水箱的底部安装一段入口呈喇叭状等径的水平玻璃管4,管出口处装有调节阀门5调节出水流量。水箱正上方装有带阀门的盛有红色墨水的玻璃瓶1,红墨水由导管经过安置在水平玻璃管中心位置的细针头3流入管内。

    当阀门5稍开,水在玻璃管中的流速不大时,从针头引到水流中心的红色墨水呈一条直线,平稳地流过整根玻璃管,,这表明水的质点是彼此平行的沿着管轴的方向作直线运动,质点与质点之间互不混合。充满玻璃管内的水流如同一层层平行于管壁的圆筒形薄层,各层以不同的流速向前运动,这种流动形态称为滞流或层流。

    当开大阀门5使水的流速逐渐加大到一定数值时,会观察到红色墨水的细线开始出现波动,若使流速继续增大,当达到某一临界值时,细线便完全消失,红墨水流出针头后随即散开,与水完全混合,使整根玻璃管中水流呈现均匀的红色,表明水的质点除了沿着管道向前流动以外,各质点还作不规则的紊乱运动,且彼此相互碰撞,互相混合,水流质点除了沿管轴方向流动外,还有径向的复杂运动,这种流动形态称为湍流或紊流。

(2)流动形态的判据

    通过不同流体和不同管径进行的大量实验表明,影响流体流动的因素除了流速u外,还有流体流过的通道管径d的大小,以及流体的物理性质如粘度 和密度 。雷诺将上述四个因素归纳为一个特征数,称为雷诺数

    可见,雷诺数是量纲为一的数群,是一个特征数,计算时注意式中各个物理量必须采用统一的单位制。

   实验发现,流体在直管中流动时,当Re<2 000,流体流动形态为滞流;当 Re≥4 000时,流体流动形态为湍流;而当2000<Re<4000时,流体的流动则认为处于一种过渡状态,可以是滞流,也可以是湍流,取决于流动的外部条件。如在管道的入口处、管道直径或方向改变或外来的轻微扰动,都易促成湍流的产生,这种情况下在相关问题的处理时为留有余量,往往将过渡状态当湍流对待。滞流和湍流是两种本质不同的流动形态,两者在一定条件下可以相互转化。流体流动阻力的大小与雷诺数有直接联系,流体流动的雷诺数越大,流体的湍动程度越大,流动阻力也愈大。

      工业生产中的流体流动大多数是以湍流形态进行的。

  段距离后,边界层扩大到管中心,在会合时,若边界层内流动是滞流,则以后管路中的流动为滞流。若在会合点之前边界层内流动已发展为湍流,则以后管路中的流动为湍流。在入口段L0内,速度分布沿管长不断变化,至会合处速度分布才发展为定态流动时管流的速度分布。L0的大小与管的形状、粗糙度、流动形态等因素有关。例如,当管流雷诺数等于9×105时,入口管长度约为40倍管直径。入口段中因未形成确定的速度分布,若进行传质。传热等传递过程,其规律与一般定态管流有所不同。

流体流过较大曲率的物体时,还会发生边界层分离现象。流体流过圆柱体时,在圆柱表面ABC处逐步形成边界层,并因流动截面受阻而在B处流速最大。B点以后,流道扩大,流速下降,静压力也升高,以致在C点处局部流体产生逆向流动或旋涡,使边界层从壁面分离。流体流经管件、阀门、管束或异形壁面时,产生边界层分离,会导致流体流动阻力的增大。

②湍流时的摩擦阻力系数湍流时,流体质点是不规则的紊乱运动,质点间互相碰撞激烈,瞬间改变方向和大小,流动状况比滞流要激烈得多。滞流时,流体层掩盖了管道的粗糙面,管壁的粗糙度并未改变其速度分布和内摩擦力的规律,因此对滞流的流体阻力或摩擦阻力系数没有影响。强烈湍流时,由于滞流底层很薄,不足以掩盖壁面的凹凸表面,凹凸部分露出在湍流主体与流体质点发生碰撞,使流体阻力或摩擦阻力系数增大。Re越大,滞流底层越薄,管壁粗糙度。对湍流阻力的影响越大。因而,湍流的流体阻力或摩擦阻力系数还与管壁粗糙度有关。

    实验研究的步骤和方法如下。

    a.析因实验对所研究的过程作理论分析和探索实验,寻找影响过程的主要因素。

    对于湍流的直管阻力损失,经分析和初步实验,影响的诸因素为:

    b规划实验要确定所研究的物理量与各影响因素的具体关系,需要在其它变量不变下,多次改变一个变量的数值,着自变量个数较多,实验工作量将很大,同时要把过程结果关联成一个形式简单、便于应用的公式往往是困难的。因此,在实验前,要进行实验规划。采用正交实验法、量纲分析法等可以简化实验。

    量纲分析法是通过把变量组合成量纲为一数群,减少了实验变量个数,从而相应减少了实验次数。该方法在工程上被广泛应用。

    量纲分析法的基础是量纲一致性原则。即任何物理方程的等式两边不仅数值相等,而且应具有相同的量纲。基于该原则,任何物理方程都可以转化为量纲为一形式。

        c.实验数据处理获得量纲为一数群后,它们之间的具体关系还需通过实验,并将实验数据进行处理,用适当方式表达出来。

      湍流的摩擦系数关联式,由不同的研究者在各自的实验条件下得出,有各种不同的形式,这些经验关联式都有具体的使用条件,选用时要注意其适用性。

   适用于湍流区的整个范围。

    经验公式都比较复杂,使用不方便。工程上,经常用共线图将 与Re和 /d的关系形象化,即将经验关系式转换成图线,该图为双对数坐标,为统一起见,将滞流时的关系式 =64/Re亦绘于图上。图中依 Re的范围可分为四个区域。

a.滞流区 Re≤2 000, =64/Re,与 /d无关。

b.过渡区   2 000<Re<4000,流形为非定态 易波动。工程上为留有余量,常作湍流处理。

c.湍流区 Re>4 000以及虚线以下区域, 与 Re和 /d均有关。该区域内对于不同 /d标出一系列曲线,其中最下面的一条曲线为光滑管 与 Re的关系,与式(3-48)表示的关系一致,hf∝u1.75,但将Re范围扩宽至107。其余曲线与式(3—49)表示的关系一致,此区域 随 Re数的增大而减小,随 /d增加而增大。

d. 完全湍流区   Re足够大(虚线以上区域)时, 与 Re无关,仅与 /d有关。此区域, /d一定, 为常数,当l/d一定时,由hf= (l/d)[u2/2g]]知,hf∝u2,所以又称阻力平方区。该区域的曲线与式(3-49)表示的关系也是一致的,此时式(3—49)中括号内的第二项可以略去。

           (2)局部阻力的计算

          a.突然扩大与突然收缩流体流过的管道直径突然扩大或突然收缩时,局部阻力系数可根据小管与大管的截面积之比S1/S2。从图3—26中的曲线上查得。应注意的是,按(3一50)计算时,u均取小管中的流速值。

    b.进口和出口当流体从容器进入管内时,可看作从很大截面 S1突然流入很小截面S2,即S1/S2≈0,从图3-26b的曲线可查得 =0.5。若进管口圆滑或呈喇叭状,则局部阻力损失减少, =0.25~0.05。当流体从管子进入容器或从管子直接排放时,管出口内侧截面上的压力可取与管外相同。必须注意,出口截面上的动能应与出口阻力损失项一致,若截面处在管出口的内侧,则表示此时流体仍未离开管路,截面上仍具有动能,此时出口损失不应计入系统的总能量损失( f)内,即 =0。若截面取在管子出口的外侧,则表示流体已离开管路,截面上的动能为零,此时出口损失应计入系统的总能量损失内.即 =1.

    ②当量长度法将局部阻力损失折算成相当长度的直管的阻力损失,此相当的管长度称为当量长度le,其值由实验确定。在湍流条件下,当量长度折算关系如图3—27所示。


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