本帖最后由 子子61961 于 2020-4-15 23:49 編輯 3 F# B4 T5 W- Y+ F$ ^
5 E% G& D: N! [7 Q在日本做機(jī)械設(shè)計(jì)的感受48:管道流動的計(jì)算* B5 L5 ]% z/ D
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Chapter 1.; a5 q, V$ Z% q( t0 t, s$ E. E/ O
有一天,我旁邊的同事問我有沒有時間,說有個事情要問一下我。這個同事在公司時間比我長,一般都是我向他請教,我在想這次他問我的會是什么事情。他拿出兩張A4紙來。我掃了一眼,看到頁面上方是手繪的管道三次元圖形,下方是手寫的計(jì)算過程,原來是流體計(jì)算的問題。雖然我當(dāng)時手頭有些事情要做,但我一看到那個管道圖,就知道,這種計(jì)算問題是我所感興趣的,于是我就答應(yīng)他,讓他詳細(xì)介紹一下。
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關(guān)于題目,將實(shí)際工況寫出來不太合適,所以我將參數(shù)重新設(shè)定,而計(jì)算原理是相同的。3 r0 m# l) ~ n* Q
題目是,潤滑油以一定的流速流入上部的油槽,然后自由流動,經(jīng)過管道以及彎頭,最后返回下面的油箱。需要計(jì)算的是,某一管徑,是否夠大,能夠使油流下,上面油槽不溢出。
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" ~, g/ V1 A; p5 H配管內(nèi)徑40mm,總長度22米,落差6米,直角彎頭6個,$ l( L: q9 x/ O/ K* Q9 _
上部油槽注入流量60L/min,油粘度66號。6 O" C$ }1 ?; c8 C$ d3 d# V
(4月13日發(fā)帖時流量有誤,已修改,感謝網(wǎng)友指正)
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他的計(jì)算結(jié)果是這個管道直徑足夠?qū)⑦@些油流出。
+ R# Z6 B- m% n; v; N- g! a/ N+ ^但是當(dāng)時實(shí)驗(yàn)中,出現(xiàn)了上部油槽溢出的結(jié)果,也就是管道流量不夠。, k% t, ~* }* X
計(jì)算結(jié)果與實(shí)際不符,這是比較麻煩的,他擔(dān)心自己計(jì)算方法有問題。
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$ \; w- W; \* _ ?! |在公司里,一般是機(jī)械計(jì)算的問題會多一些,這種流體計(jì)算的問題比較少見。大部分同事都是機(jī)械專業(yè)出身,也許機(jī)械的課程不會有這部分內(nèi)容。我在大學(xué)時候的專業(yè)是化學(xué)工程,在化工原理的課程里,接觸到了這類知識,所以我覺得自己有獨(dú)特的發(fā)揮作用的地方。同事愛自己也說,他以前沒做過這種計(jì)算,這次是在網(wǎng)上臨時找了一些參考資料,來計(jì)算的,自己計(jì)算的方法是否正確,他沒有足夠的信心。因?yàn)槲移綍r說我數(shù)學(xué)是強(qiáng)項(xiàng),所以他想讓我?guī)兔匆幌隆?font class="jammer">( _+ N( V3 t, }2 x. A' I
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我對他說,這個問題我看一看,今天不一定有時間,如果不急的話,后天周五下班前會給他回復(fù)。當(dāng)然,我沒有夸口說我是學(xué)這個專業(yè)的,如果我先吹牛,結(jié)果卻也看不出來問題,那就不好了。
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Chapter 2.2 s; @. ^# f) i3 z
在這里將計(jì)算的原理稍微展開,解說一下。# i3 z) N9 n/ E" \2 S2 H
如果讀者對工程計(jì)算不感興趣也可以跳過這里,到下一章去看繼續(xù)的進(jìn)展。/ x2 G, x; {- | p f% H
' S% B' p& }: _1 y D) W這個問題的計(jì)算思路如下:
, _% O! X2 ?( T: V流體流過直管的時候,流體和管壁摩擦?xí)辛鲃訐p失,
4 p# a; m4 _* s% z8 e在這里,這個流動損失的計(jì)算結(jié)果,用“壓頭”來表示,單位是米。# X0 Y9 H4 \8 H8 ^5 X# W$ P# C# \
這個計(jì)算的原理涉及到伯努利方程,簡化之后的形式比較簡單。/ @2 I) B. P7 ?* m/ A; z
損失壓頭的計(jì)算公式為:h = λ*(L/d)*u*u /2g
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針對這個公式,需要的各個參數(shù)說明如下:
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% r; `$ i p+ }- } M1.其中λ是摩擦系數(shù),想要計(jì)算它,就需要先求出雷諾數(shù)Re。) x; i$ `5 h. D8 ?4 f
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雷諾數(shù)Re =d uρ/μ。式中:d 管內(nèi)徑,u 流速m/s,μ流體粘度,ρ流體密度。
$ R# { U8 L7 [7 p4 Q Q$ k) T6 a% ^如果不熟悉,那么知道它是一個和流動有關(guān)的參數(shù)就好。* D* u4 p, A% P, |
它的數(shù)值在幾百至幾萬,通過它的數(shù)值可以判斷流動特性,也可以計(jì)算其他參數(shù)。
6 A4 [& d2 i$ F7 f, X2 k. d它的計(jì)算結(jié)果沒有米之類的單位,各個參數(shù)的單位在計(jì)算中抵消了,它是一個無量綱數(shù)。: N% c" S7 T9 h D7 D* ~
* I: v4 K: x) g6 b) G S- u& V知道雷諾數(shù)Re之后,一方面可以判斷是層流還是湍流,一方面可以用Re來計(jì)算λ。$ T3 X8 T2 Y3 V
對于油來說,一般容易被查到的是它的動粘度,μ/ρ,可以代入計(jì)算。
# n" T; B4 U) I$ r! b5 N1 F本次計(jì)算得到Re小于2000,判定流動形式屬于層流。# T1 c3 h, A1 W& i
層流的摩擦系數(shù)計(jì)算公式:λ=64/Re
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2.其中u表示流速m/s,( a0 K3 d, s1 y5 i$ F) y7 ]
管內(nèi)的實(shí)際流速不知道,其實(shí)是需要計(jì)算的,( G; w: Q% N. n5 a3 r' } o
但是為了方便計(jì)算,所以這里先假設(shè)一下。6 E; Y1 N+ A( X" p
假設(shè)上部注入的油都能流走,那么配管里的體積流量也是60L/min。3 Z5 V4 F6 z2 {8 r1 z' P6 r
用這個體積流量除以管道橫截面積,可以得到流速0.796 m/s。
1 r# ^: N8 d+ u. s) ~計(jì)算到最后的時候,再看計(jì)算結(jié)果是否成立,來得知這個假設(shè)是否成立。
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6 A+ j2 O( W B) u5 ^" H7 s3.其中L為流過的管道長度,包括配管本身長度,和彎頭的相當(dāng)長度。, \7 M& P: ` i$ r
流體流經(jīng)直管的時候會有一定的摩擦損失,流過彎頭的時候也會有不小的損失,
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以前我只知道光滑管的轉(zhuǎn)彎處壓力損失,- `4 y, B- h N9 n
這次同事遞給我的資料里,有一份表格,
$ }8 w0 n1 Q, f5 ~是關(guān)于流體流經(jīng)實(shí)際配管接頭的壓力損失,
& h7 K1 m3 ~; ^這個資料我是第一次見,這次是學(xué)到了。
# k; r$ `$ J3 ?+ s6 v8 G3 f在這個表里,把流經(jīng)彎頭的損失,折合成長度,可以方便計(jì)算。
: N& }- Y$ [& v這段文字稍后的地方有一個表格,可以查出各種接頭的相當(dāng)長度。) @/ U. H* W% r4 Q6 U( j/ B
從表格里可以查出,對于內(nèi)徑40mm的配管,
: }# L! I. R8 q7 p9 }一個直角彎頭的流動損失,相當(dāng)于2.4米直管。
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4.其中d為配管內(nèi)徑,g為重力加速度,直接代入即可。
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% W6 q0 z( [9 W4 n1 ]" ~% U將以上參數(shù)都求出后,代入到最初的計(jì)算式里,可以得到流動損失壓頭是多少米。0 m# P' H1 k) N( {
比如說,如果計(jì)算結(jié)果得到損失壓頭為4米,+ f$ v; o7 ^ a; H6 T6 y* W1 c) p
就說明,流體在管內(nèi)流動時,流動損失的壓頭相當(dāng)于4米的高度落差,
g9 u# |; ^6 ^% B7 Q8 u- D0 I實(shí)際前提的落差是6米,落差大于損失壓頭,說明以上計(jì)算是成立的,
7 V% s k/ j9 O' Q( v0 M所以以上流動是成立的,最初假設(shè)的管內(nèi)的流速是可以達(dá)到的。
# s: d7 f$ L( d上部油槽那里注入的油,都會流出,所以油槽不會溢出。
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. w( G% w7 @& X) ~9 E+ F; i3 d如果計(jì)算得到流動損失是8米,而落差卻只有6米,) z' Z4 t( f4 E% J+ v5 [( \, s
那么6米的落差,不足以提供8米的流動損失,說明以上計(jì)算是不成立的,
! k- I- B6 _! H: |" b" y說明在這個計(jì)算里,開頭假設(shè)的流速是不恰當(dāng)?shù)模?font class="jammer">' r2 H: N3 _; H. J* o: Q" u+ u
上部油槽的注入速度是60L/min是固定的,而管道內(nèi)流速達(dá)不到這么多, X2 k) h2 u+ e# @! N3 Q
所以上部油槽會溢出。8 K$ f& ?2 B t9 I/ x" k& w% s) \
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計(jì)算過程如下:- r/ q2 \" N' _
(4月13日發(fā)帖時面積計(jì)算有誤,已修改,感謝網(wǎng)友指正)2 Q2 e6 `8 j; e* j6 q, A* u( M# F
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: [2 J& w; b, n4 Z注入流量 Q 60000 cc/min
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+ a& {$ E/ @1 d: \4 V配管內(nèi)徑 d 40 mm2 y% O0 W, {4 L# G) o0 C B& N
配管面積 S 1256 mm2& P. ?; D6 B0 _
管內(nèi)流速 u 0.796 m/s
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6 v; g0 j& r, j- C: \# ~0 Y5 H3 b動粘度 miu/rou 66 mm2/s7 t) {! o* c l/ ~/ k, x( a
雷諾準(zhǔn)數(shù) Re 482
2 L( U0 o* d( M1 p, S, s Re=d*u*rou/miu I0 D* a0 i0 G- e3 }2 D0 {5 f
5 _6 [# }, F# I q管道長度 22 m4 P4 }9 d; ~) I" n
直角接頭個數(shù) 6 個
+ ?9 q; B9 ^2 d2 v直角接頭單個相當(dāng)長度 2.4 m& B6 l/ P) @, E# `( e% B
直角接頭合計(jì)相當(dāng)長度 14.4 m' ]3 h& W4 n6 y( C
總長度 L 36.4 m7 O: w" q$ [) q( K8 J; I2 ^4 }
- A# n& H. e7 X, |# Y' i總壓頭損失 H 3.90 m; [8 d$ O7 B+ M# {1 U1 \9 I
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2020-4-15 22:30 上傳
+ u( g4 W" k2 G* V2 }9 ~% @0 g
4 O0 c8 D1 d! O7 m那份表格,我在中文網(wǎng)站也有找到,也貼在這里。, F; s! d4 ] n& {
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2020-4-13 22:35 上傳
3 k. I: _$ O: |- s. tChapter 3.. c7 h Z$ o( [% L2 R1 i5 o/ p
之后我找時間,看了一下他的計(jì)算過程。
0 G# E( h [$ o3 H, p結(jié)果發(fā)現(xiàn),他的計(jì)算也是按照以上思路來的,基本沒什么大問題。6 N& V5 {, i, v' W
) k! Y) e4 O/ o6 _, u5 s: K油槽下面有一個大口進(jìn)小口的局部壓頭損失他沒有算,
8 T. o3 Q5 S E/ P! m( |但是我算了一下壓頭損失不大,不會影響最終結(jié)果。
5 ~6 r2 U4 `' p6 k計(jì)算結(jié)果是壓頭損失為3.9米,小于6米的落差,說明這個流動是成立的。
8 x' P% P) @! H: Q4 Q那么實(shí)際為什么溢出了呢,問題出在哪里,我不知道,比較無奈。/ ^0 d" K E, ?8 h1 y* ^( `
! [" K( B# l, z; X2 p# R; r" i N( ?到了周五,我找到他,略微消沉地對他說,他的計(jì)算沒什么大問題。計(jì)算結(jié)果是對的,但是實(shí)際為什么溢出了,我暫時沒什么頭緒。他說好的。
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|# J9 f% R+ t6 H; h) A我們閑扯了幾句,我說我以前大學(xué)學(xué)過這些東西,背過雷諾準(zhǔn)數(shù)的計(jì)算公式,不過這次他找到的公式和我記的公式,用的字母表記不太一樣。另外他的公式用的是動粘度,就是把粘度除以密度的結(jié)果拿來用的。計(jì)算原理上,他寫的計(jì)算沒有什么大問題,基本就是這么算的。但是我們倆還是不知道,為什么計(jì)算結(jié)果沒問題,但是實(shí)際卻上部油溢出了。我倆簡單討論了幾句,我向他確認(rèn)油的標(biāo)號,他說確實(shí)是66號,沒有記錯。7 K4 l+ K- u9 x }# J% F2 A( A7 v( ~
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然后在和他的談?wù)撝校岬焦艿纼?nèi)流速大小的問題。我打開抽屜,拿出一本YOKOHAMA油管的選型目錄。目錄后面的附錄里,有一個圖表,可以根據(jù)流量和管徑,速查管內(nèi)的流速。同時在右側(cè)流速的標(biāo)尺那里,有標(biāo)出送油管道和回油管道的流速范圍,比如這種回油管道,流速一般控制在0.6~1.2米每秒的范圍之內(nèi)。我們的計(jì)算結(jié)果是0.796米每秒,也算是正常。- U/ p# a- N- d! {2 @0 p, r
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他貌似是第一次看到這個表,我把資料遞過去,他仔細(xì)看了看表的內(nèi)容。
$ f! S0 Y3 R0 q0 j% D我們都在給對方提供新的信息,雖然暫時還沒有突破口。
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2020-4-13 22:35 上傳
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* I: e. f3 w6 n, r$ x. Z然后談了一會兒,兩分鐘后又想到了這個表,再拿起來看的時候,他注意到,表下方寫的是,此圖表的適用條件是,油最大粘度66cst,且油溫40度時的情況。然后他說,當(dāng)時實(shí)際溢出的時候,也許油溫低于40度,只是室溫的20度。剛說到這里時,我們都沒太在意,我想當(dāng)然地說,溫度降低20度,粘度應(yīng)該不差多少,估計(jì)粘度稍微高一點(diǎn)點(diǎn),最后的計(jì)算結(jié)果比4米高一點(diǎn)點(diǎn)而已,應(yīng)該沒啥問題。他沒有說什么。
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" l3 U7 \/ V8 w, F. i9 E/ j我說話的時候想的是,我在現(xiàn)場曾經(jīng)摸到過潤滑油,沒覺得有很黏的樣子。但是說完話之后,我覺得有點(diǎn)沒底氣,對于這一點(diǎn),我并沒有足夠的記憶信息來作為支撐,在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娜毡韭殘隼,說話是要盡量有依據(jù)的,很多事情處理時,是需要有確認(rèn)核實(shí)的習(xí)慣。我意識到這一點(diǎn),于是就說,粘度和溫度的關(guān)系曲線在網(wǎng)上可以搜到的。我們都轉(zhuǎn)向自己的電腦,上網(wǎng)搜了一下,也許是網(wǎng)站不同,他還沒找到,我就先搜到了油溫和粘度的圖表。我打開圖片之后他也過來看。在圖上一查才知道,油溫降低了20度,粘度增加到了原來的2倍,那么合計(jì)壓頭也變?yōu)?倍,達(dá)到了8米,超過了落差6米,所以計(jì)算不成立。說明假設(shè)的這個管內(nèi)流速,實(shí)際達(dá)不到,實(shí)際流出的管內(nèi)流速要低于流入的速度,所以就會導(dǎo)致油從上部油槽溢出了。這樣一想,他的問題就得到了合理解釋,我們很高興。他問我是在哪個網(wǎng)站搜到的,我說是日本雅虎,搜索結(jié)果列表里的第二條鏈接。然后他讓我把我搜到的圖表打印一下,我打印出來,他到打印機(jī)那里去拿回打印件。有了這些信息做依據(jù),他對自己的計(jì)算就有信心了,也就可以繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)了。
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6 S1 p; e+ u6 H- ]- F. Z0 sChapter 4.
7 Y3 m, F- ~) r8 A0 R看看還有時間,然后我又扯了點(diǎn)兒別的,我說比如從俄羅斯到中國有長長的輸油管道,石油在里面流,流到一定距離就會流不動了,所以中間要加上一些泵站,來再次推動石油流動,也是同樣的原理。他說“瘦戴絲嘎”,然后問我,從俄羅斯到中國,真有那么長的管道么。我又沒了底氣,趕緊改口,說那個管道前幾年說是要修建,現(xiàn)在不知道建好沒,但是肯定的是,從我的家鄉(xiāng)中國東北平原,通往北京地區(qū)肯定是有輸油管道的。我父母上班的的公司,就是為輸油管道提供管子的。然后他又問我,那管子怎么做的,是不是也是像我們公司某分廠那樣,用離心鑄造法做出來的。我又猶豫了一下,說那個不太清楚,我父母上班的這個工廠是做抽油桿抽油泵的,管道是在別的下屬工廠做的。他說原來如此。
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2020-4-13 22:35 上傳
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短短幾句話,我說話的時候稍微擴(kuò)展了一點(diǎn),結(jié)果他提問的時候我就答不出來,我挺不好意思的。不過他提問的時候是給我留面子的,所以我不會很窘迫。這些話的背景是這樣的。在我讀高中的時候,我父親曾經(jīng)跟我說過一句話,“輸油管道里的油,流到一定距離就流不動了”,這句話到現(xiàn)在居然還有印象,至于具體原理,是我讀大學(xué)學(xué)過流體力學(xué)之后才理解的。而俄羅斯到中國的管道,以前看新聞?wù)f是要修,有三條備選線路,有沒有修好我沒有確認(rèn)過。我父母的工作單位,是東北輸油管理局下轄的鐵嶺八三機(jī)械廠,那時候廠里的產(chǎn)品主要是抽油桿和抽油泵,我父親曾做過機(jī)加工藝設(shè)計(jì)的工作,所以我在機(jī)械方面也受到熏陶。我的童年是在工廠的家屬院兒里度過的,懷念小時候和工廠子弟一起玩耍的日子,作為輸油系統(tǒng)的子弟,感謝公司對我們的照顧。至于輸油管道的制造,不在鐵嶺這個廠,而是在另一個下轄的遼陽鋼管廠進(jìn)行制造,我父母有同事調(diào)動去到那里工作。我后來才想起來,我聽父母同事說過,輸油管道是用卷板機(jī)將鋼板卷成螺旋狀然后用自動焊機(jī)進(jìn)行焊接成管道的。這次跟同事聊天的時候,我居然沒想起來,有點(diǎn)遺憾。
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跟同事的談話就是上面這樣。, ]: E" p, K! p- A |1 P1 S
這里面有兩個點(diǎn)值得注意。6 A2 }& O4 A" W1 w3 p
2 X7 A6 v. Z# B# M# i) l7 ]一個是,搜集信息的能力。他最初是不會這個流體計(jì)算的,但是他遇到這個問題沒有躲避,而是能夠到網(wǎng)上去找資料,并且找到正確的公式進(jìn)行計(jì)算,這是一種搜集信息的能力。我問他有沒有找外協(xié)單位計(jì)算,他說找過但是人家不太愿意算,所以他不得不自己搜索信息進(jìn)行計(jì)算。通過這次計(jì)算,他有增長了自己的知識點(diǎn),這是他努力的收獲。! Y4 E$ F) E8 X* A2 L) Q# A
: N+ j- ^' ^9 [1 g1 s, s* \% {. L一個是,討論問題的方式。在這次討論的過程中,一開始雙方都沒有頭緒,經(jīng)過相互的提供信息,注意到問題點(diǎn),然后搜集相關(guān)信息,對關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn),最終找到了問題所在,這可以說是一次成功的討論。在討論的過程中,每一方不會“因?yàn)樽约邯?dú)占某信息所以炫耀自己從而降低對方”,也不會“因?yàn)閷Ψ接绣e誤而嘲諷從而使對方面子受損”,而是,兩者向著目標(biāo)去進(jìn)行談?wù),即使提供信息時岔開了話題也能及時收回來,這樣才能在平和的氣氛中,集思廣益,得到合適的結(jié)果,這樣才會發(fā)揮出團(tuán)隊(duì)的效應(yīng)。
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) i* L5 o' P6 \0 d9 C以上。. O* \% f3 T9 W) f& x8 a
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