[發明專利]一種基于數值計算的管路阻力系數精確計算方法

有效

• 申請號: 201310245810.9
• 申請日: 2013-06-20
• 公開（公告）號: CN103353908A
• 公開（公告）日: 2013-10-16
• 發明（設計）人: 劉厚林;黃浩欽;王勇;王健
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 胡玲

技術領域

本發明屬于管路系統能量性能計算領域，具體涉及一種基于數值計算的管路阻力系數精確計算方法。

背景技術

目前管路系統阻力系數取值仍然是按照上世紀四十年代人們總結的經驗公式計算求得。其中沿程阻力系數的計算公式主要是尼古拉茲實驗總結的計算公式，尼古拉茲在實驗中人為的在管壁上粘結顆粒砂粒，做成人工粗糙管，從而對不同管徑、不同流量的管路進行了實驗得出沿程阻力系數的經驗計算公式。但這種人工粗糙管與工程實際中的粗糙管路系統有一定差別，而且管路不同，粗糙度也會不同，選擇尼古拉茲經驗公式計算沿程阻力系數肯定會存在一定的誤差。而對于計算彎頭局部阻力系數的經驗公式直接忽略了管路工況和粗糙度的影響。利用經驗公式計算的阻力系數引入管路系統能量性能計算，必然也會造成一定誤差，這對泵選型和系統節能改造都會帶來不利的影響。因此建立一種基于數值計算的管路阻力系數精確計算方法是很有必要的。

迄今為止，尚未見基于數值計算的管路系統阻力系數精確計算方法的文獻報道，僅有一些學者做與管路沿程和局部阻力系數計算相關的研究工作。黑龍江水利科技《關于管道沿程阻力系數問題的分析》（2012年第10期）提出利用EXCEL軟件來求解柯列勃洛克公式，從而為管道沿程阻力系數計算提供了一種簡便方法，即利用Excel中求解勃洛克公式的簡便方法，這種方法只是簡單地利用EXCEL對已有勃洛克公式進行求解，并沒有提出自己有關阻力系數的精確計算公式。系統仿真學報《以分布參數法確定低雷諾數局部阻力系數》（2009年第9期）以分布參數法建立起局部損失的數學模型，實例計算了低雷諾數下直角轉向的局部阻力系數，然而此研究只針對于低雷諾數局部流態，并不適用于其他工況。華北水利水電學院學報《灰色線性回歸組合模型在計算給水管道阻力系數中的應用》（2009年第1期）運用灰色線性回歸組合模型進行求解,得出了計算管道阻力系數關于管徑和服役時間的數學模型，但沒有涉及到管道粗糙度和不同工況的影響。

發明內容

本發明目的提供一種基于數值計算的管路阻力系數精確計算方法，通過數值計算的方法來模擬管路系統的流動狀態，并在此基礎上建立管路阻力系數精確計算方法。

為達到以上目的，采用如下技術方案：

將數值計算設定溫度和單位質量流體能量損失與實驗測得溫度和單位質量流體能量損失進行對比，進一步調整計算模型，然后基于調整的計算模型，對不同粗糙度、不同工況管路進行數值計算，通過數值計算得到管路系統各過流截面總壓p，并引入伯努利能量方程，利用能量損失反求管路不同情況下的沿程阻力系數λ和局部阻力系數ζ，得到數據樣本。基于數據處理軟件對數據進行三維數據曲面擬合，數據處理軟件可為TableCurve3D，從而建立一種管路局部和沿程阻力系數的精確表示方法。

其具體步驟如下：

（1）對管路系統進行數值計算，計算出管路系統單位質量流體能量損失。在相同工況下，對管路系統進行外特性實驗，測出實驗中流體溫度和管路系統單位質量流體能量損失，通過對比數值計算中設定的溫度和實驗測量溫度，修正數值計算中設定的溫度和動力粘度，再通過對比數值計算和實驗測量的單位質量流體能量損失，調整數值計算湍流模型，最終選擇計算能量損失與實驗測量能量損失之間誤差最小時的湍流模型為最優湍流模型。

（2）利用（1）中調整后的計算模型對管路系統進行變工況、變粗糙度數值計算。

（3）由數值計算得到兩組過流截面（即四個面）各自總壓p，將兩組過流截面總壓引入伯努利能量方程，聯合建立伯努利方程組，即：