上个月，我们介绍了计算系统阻力曲线的前两部分，即总静压头和压头。整个方程的这两部分都与流量无关。这个月，我们将讨论第三个部分，也是更困难的部分，摩擦头曲线，它取决于流量。不要把因变量和自变量与变量和常数混为一谈。
对于我们的计算，我们将假设液体的性质是牛顿级的，这意味着粘度不会随着流速的变化而变化，并且我们只考虑圆形管道。
B计划
在我们开始之前，我不得不分享一些在线计算器和应用程序，可以帮助您计算系统阻力曲线。也有付费程序(商业软件)。当您遇到需要可变热平衡的分支电路、各种管道尺寸的电路、并联泵、喷嘴和大量组件(如热交换器)的复杂系统时，商业软件尤其有用。BETVICTOR体育官网这些应用程序和计算器通常是免费的，但也有限制，而且仅限于简单的系统。对于外行来说，商业项目的成本可能看起来很贵，但根据我的经验，它们值每一分钱。当您考虑高级计划的价格时，您还必须权衡风险和不正确执行的存在成本。不管价格如何，如果您打算使用任何应用程序或程序，了解基本流程背后的概念仍然很重要，本专栏可以帮助您确定流程是手动的还是计算机化的。
熵收费公路
当你强迫液体以指定的流速通过一段管道时，总是会产生摩擦(以液体英尺为单位)，必须克服这一摩擦才能完成这一过程。摩擦是由于液体中的粘性剪应力和管道内表面粗糙度造成的。把流动过程想象成一条收费公路，对于给定的管道直径和长度，在单位时间内泵出指定体积的液体需要相应的成本。这个系统的费用，就像任何税收一样，必须向科学和自然规律缴纳，而且没有办法规避费用。然而，有一些聪明的方法可以减少损失，比如选择合适的管径和建筑材料。另一种减少费用的方法是将系统设计为几何简单。在这条收费公路上，笔直的无阻碍管道是最接近快速车道的地方。管道系统中的所有组件都需要比管道更高的通行费。弯头、阀门、三通、过滤器、热交换器、减速器、喷嘴，甚至管道尺寸的变化都需要它们的会费。减少摩擦损耗只需要尽量减少总配件和/或选择更高效的组件。 An example of this could be long radius elbows versus short radius. There are also efficient component and piping geometry choices like wyes in lieu of tees and full ported valves where possible/practical.
方法有三种
有三种常用的方法来计算系统的摩擦曲线:
K因子(阻力系数)通常表示为K。
Cv(流量系数)
等效长度法。单位是英尺和符号= Le
在本专栏中，我们将重点介绍等效长度方法。这是最简单的方法，如果执行正确，将产生可靠的结果。注意:等效长度法有时会导致系统曲线在纸上看起来比实际更有限制，特别是当液体速度落在较低的层流区域时。因此，这种方法可能产生的泵的选择比必要的大。如果您了解风险，就可以减轻问题。
与等效长度法相比，K因子法将产生增量精度，但计算更繁琐。K因子法将是两种方法中更准确的;精确程度取决于系统设计和相应的液体速度范围。
我们不讨论Cv方法的任何细节，除了说明它是有用的确定压降组件，如过滤器，喷嘴和孔。我在2019年1月的专栏中简要解释了流量系数，您可以在本专栏末尾的参考文献中找到更多信息。
本专栏是101级的讨论，所以我们不会深入研究穆迪图、欧拉、科尔布鲁克、Navier-Stokes、雷诺兹数、Darcy-Weisbach或Hazen-Williams公式。你应该了解这些基本原理和公式。稍后，当您进入计算系统摩擦的更高级别时，全面理解将成为掌握这些过程的必要条件。
另外，请了解液体的粘度、管道的使用年限和管道内部表面的清洁度/粗糙度(想想腐蚀、污垢、污垢和海洋生长)都是会影响摩擦系数的因素。
摩擦损失公式
公式1
摩擦头= hf=f L/D2/ 2 g
在上面的摩擦公式中，hf表示摩擦头。
f =摩擦因数是一个无量纲数(穆迪或科尔布鲁克摩擦因数)
L =管子的长度，单位为英尺。
D=管子的直径。注意单位是英尺而不是英寸。
V =液体的平均速度，单位是英尺每秒
G =引力常数= 32.17405英尺每秒平方。
指出摩擦系数方程中明显的一点，你可以看到管道的长度与摩擦头有直接关系。管道越长，摩擦系数就越大。管径与管径成反比关系，即管径越小，摩擦力越大。液体的速度是一个平方函数，所以可以推测摩擦力随着流速呈指数增长，摩擦曲线将呈准抛物线形状(技术上是抛物线的一半)。在这个方程中，你会有困难的一个因素是确定摩擦因子f的值。
对于一个新的系统，理论上，你可以通过使用称为Darcy-Weisbach(又名Fanning公式)的摩擦公式在数学上确定整个摩擦曲线。如果知道公式中f因子的确切值，那么计算起来就简单而准确了。问题是，f因子值的精度很难确定，因为液体粘度、速度和管道内部表面(粗糙度因子的绕柱)不是恒定的因素。请注意，Darcy-Weisbach公式用于新管道，Williams和Hazen表基于10年或更早的管道。
雷诺数
雷诺数(Re)是液体的惯性力与粘性力的比值。注意Re也适用于气体。因为它是一个比率，它是无量纲的，没有单位。雷诺数的计算有助于预测流体流动模式，告诉你流动将是层流，过渡或湍流。在计算一个系统的摩擦头时，能够预测从层流到湍流的转变发生在哪里，可以在精度上产生很大的差异。
公式2
层流摩擦系数:f=64/Re=64/ 2000 =0.032
简化例:摩擦系数可简化为64除以雷诺数(式中记为Re)。对于典型的层流，雷诺数为2000。0.032的结果大约是中等范围，如果您感到困惑或猜测，在找到更好的信息之前，这是一个不错的选择。
穆迪图表/图
如果知道液体速度、管道尺寸和内表面粗糙度，就可以估计出流动是层流还是湍流。穆迪图说明了摩擦系数、雷诺数和内管表面粗糙度之间的关系。穆迪图表便于摩擦计算和预测管道中的压降或流速，但需要适度的训练。
速度和摩擦力
你可以用公式来计算管子里的液体速度。或者，对于大多数应用来说，最简单的方法是在“管道摩擦表”搜索下查找在线参考图表/表格，或者使用我喜欢的来源，即卡梅隆液压数据手册(CHDB)和Crane的技术出版物410 (TP410)(流体通过阀门，配件和管道的流动)。
等效长度(L)e）
一旦有了流量范围以及所有管道和部件信息(材料、长度和直径)，就有了计算摩擦头的基础。此外，所有的组件
阀门也可以被分配一个等效的长度。
不要被所有的公式和计算吓倒。您可以使用这些参考文献中发布的信息图表来简化摩擦曲线的创建，而不是通过前面提到的方程和计算。如果管道大小正确，使用这种技术可以达到相当大的精度，并且可以使用液体速度作为指导来做出决定。根据一般经验，如果速度超过每秒20英尺，精度就会下降，你应该使用另一种方法或摩擦计算器程序。
根据摩擦表，如果你知道流量、管道材料和尺寸，你可以得到每100英尺管道的水头损失。扬程损失通常表示为每100英尺管道的线性英尺损失量X。
示例:从摩擦图中，我们看到400加仑每分钟的水通过一根新的4英寸排布40钢管，每100英尺的管道将造成8.51英尺的水头损失。利用这些信息，在一个500英尺长的管道的例子中，管道造成的摩擦损失将是8.51 x 500/100=42.55英尺。
意识到任何组件，如阀门，三通和通眼，必须单独计算摩擦损失，然后添加，这是下一步。
管道系统组件，如阀门和配件，有K和Cv编号，但它们也有等效的长度值(单位为线性英尺)，您可以在参考文献中的表格/图表中查找。在我们的例子中，让我们假设所有的配件都是4英寸。对于给定类型和尺寸的部件，有以直管等效长度和单位英尺表示的水头损失。例如，一个完全打开的4英寸闸阀的典型损失相当于2.6线性英尺的4英寸管道。您可以继续查找系统中所有其他4英寸组件，并记录它们的等效长度。随后，将所有组件的等效长度相加，得到总数。现在，有了组件的总数，你可以把这个值加到管道的总长度上，之前说的是500英尺。
目前我们不知道的是实际的流量范围，但我们知道的是，从数学上讲，至少需要三个点来确定一条曲线。我喜欢有三个以上的点，4到5个点就足够了因为我们已经知道曲线的形状近似抛物线。第一个流量，也就是第一个曲线点，将在死头处，所以它是零流量，对应于没有摩擦损失。第二点应在预期流量的30%左右，第三点为70%，第四点为110%。
例子
对于500英尺长的4英寸钢管的简单系统示例，我们还应该假设有两个完全打开的闸阀，4个长半径弯头的数量和一个打开的旋启式止回阀。所有组件端口直径均为4英寸。从技术上讲，您应该始终使用管道或组件的实际内径。我们只是在解这一点的摩擦曲线。我们还将假设并添加一个50英尺的静态头和零压力头。给定系统的摩擦损失取决于流量。使用的摩擦损失来自表格(Page 3-134 CHDB)
管道:给定500英尺的4英寸规格40钢。
闸阀(4英寸)(数量2个)每个2.6英尺，总长度5.2英尺
旋转式止回阀(4英寸)(数量1)33英尺。
长半径90度肘部(4英寸)(数量4)在4英尺每个是16英尺。
总等效长度为:500 + 5.2 + 33 +16 = 554.2英尺≈555英尺。
假设预期流量(加仑/分钟)为0,180,300,420,600和650。
在excel工作表中输入数据，或者简单地做数学计算，得出每个流量的摩擦头。
最后，我们可以把这六个点画出来。请注意，已经有50英尺的静态头，所以摩擦曲线开始于50英尺和零流量。见图1。
本专栏的目的是帮助您了解泵在系统曲线上的运行位置。如果有疑问，请向知识渊博、合格和有经验的工程师或技术人员寻求帮助。
参考文献
起重机技术出版物410;流体流动…
卡梅隆水力资料手册(第二十版)
水泵手册(第四版)
液压研究所;工程资料册