[发明专利]一种基于数值计算的管路阻力系数精确计算方法

说明书

技术领域

本发明属于管路系统能量性能计算领域，具体涉及一种基于数值计算的管路阻力系数精确计算方法。

背景技术

目前管路系统阻力系数取值仍然是按照上世纪四十年代人们总结的经验公式计算求得。其中沿程阻力系数的计算公式主要是尼古拉兹实验总结的计算公式，尼古拉兹在实验中人为的在管壁上粘结颗粒砂粒，做成人工粗糙管，从而对不同管径、不同流量的管路进行了实验得出沿程阻力系数的经验计算公式。但这种人工粗糙管与工程实际中的粗糙管路系统有一定差别，而且管路不同，粗糙度也会不同，选择尼古拉兹经验公式计算沿程阻力系数肯定会存在一定的误差。而对于计算弯头局部阻力系数的经验公式直接忽略了管路工况和粗糙度的影响。利用经验公式计算的阻力系数引入管路系统能量性能计算，必然也会造成一定误差，这对泵选型和系统节能改造都会带来不利的影响。因此建立一种基于数值计算的管路阻力系数精确计算方法是很有必要的。

迄今为止，尚未见基于数值计算的管路系统阻力系数精确计算方法的文献报道，仅有一些学者做与管路沿程和局部阻力系数计算相关的研究工作。黑龙江水利科技《关于管道沿程阻力系数问题的分析》（2012年第10期）提出利用EXCEL软件来求解柯列勃洛克公式，从而为管道沿程阻力系数计算提供了一种简便方法，即利用Excel中求解勃洛克公式的简便方法，这种方法只是简单地利用EXCEL对已有勃洛克公式进行求解，并没有提出自己有关阻力系数的精确计算公式。系统仿真学报《以分布参数法确定低雷诺数局部阻力系数》（2009年第9期）以分布参数法建立起局部损失的数学模型，实例计算了低雷诺数下直角转向的局部阻力系数，然而此研究只针对于低雷诺数局部流态，并不适用于其他工况。华北水利水电学院学报《灰色线性回归组合模型在计算给水管道阻力系数中的应用》（2009年第1期）运用灰色线性回归组合模型进行求解,得出了计算管道阻力系数关于管径和服役时间的数学模型，但没有涉及到管道粗糙度和不同工况的影响。

发明内容

本发明目的提供一种基于数值计算的管路阻力系数精确计算方法，通过数值计算的方法来模拟管路系统的流动状态，并在此基础上建立管路阻力系数精确计算方法。

为达到以上目的，采用如下技术方案：

将数值计算设定温度和单位质量流体能量损失与实验测得温度和单位质量流体能量损失进行对比，进一步调整计算模型，然后基于调整的计算模型，对不同粗糙度、不同工况管路进行数值计算，通过数值计算得到管路系统各过流截面总压p，并引入伯努利能量方程，利用能量损失反求管路不同情况下的沿程阻力系数λ和局部阻力系数ζ，得到数据样本。基于数据处理软件对数据进行三维数据曲面拟合，数据处理软件可为TableCurve3D，从而建立一种管路局部和沿程阻力系数的精确表示方法。

其具体步骤如下：

（1）对管路系统进行数值计算，计算出管路系统单位质量流体能量损失。在相同工况下，对管路系统进行外特性实验，测出实验中流体温度和管路系统单位质量流体能量损失，通过对比数值计算中设定的温度和实验测量温度，修正数值计算中设定的温度和动力粘度，再通过对比数值计算和实验测量的单位质量流体能量损失，调整数值计算湍流模型，最终选择计算能量损失与实验测量能量损失之间误差最小时的湍流模型为最优湍流模型。

（2）利用（1）中调整后的计算模型对管路系统进行变工况、变粗糙度数值计算。

（3）由数值计算得到两组过流截面（即四个面）各自总压p，将两组过流截面总压引入伯努利能量方程，联合建立伯努利方程组，即：