减少管道局部损失的措施

摘要：管道局部阻力损失是造成能量损失的重要原因之一，因此分析其产生的原因并提出有效的解决措施对实现管道系统的功能并得到良好的效果有十分重要的意义。本文特选取变径、三通等管件进行了研究，对其产生局部阻力的原因进行了详细说明并提出了相应的改进措施。

关键词：局部阻力措施旋涡

中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号：

工程管道系统中的局部损失主要发生在管的出入口、管截面变化部位、弯头、三通和各种阀门等部件中。引起局部能量损失的原因主要是：截面变化引起速度重新分布、流体微团相互碰撞和增加摩擦、流动分离形成涡旋等。大多数部件内流场都十分复杂，因此要对局部损失的规律进行定性的分析并采取有利的措施，提出合理解决方案。

局部损失和沿程损失相似，局部损失就用流速水头的倍数来表示：

hm=ζ（ν2/（2g））

ζ称为局部阻力系数。

局部阻碍的种类虽多，但分析其流动的特征，主要的也不过是过流断面的扩大或收缩，流动方向的改变，流体的合并与分支等几种基本形式。

液体流体所涉及的局部损失主要为紊流局部损失，其成因是：

1、当流体以紊流通过突变的局部阻碍时，由于惯性力处于支配地位，流动不能像边壁那样突然转折，于是在边壁突变的地方，主流与边壁脱离，形成旋涡区，大尺度旋涡会不断地被主流带走，补充进去的流体，又会出现新的旋涡。

2、边壁虽然无突然变化，但沿流动方向出现减速增压现象的地方，也会产生旋涡区。渐扩管中，流速沿程减小，压强不断增加。在这样的减速增压区，流体质点受到流动方向相反的压差作用，靠近管壁的流体质点，流速本来就小。在这一反向压差的作用下，速度逐渐减小到零，随后出现了与主流方向相反的流动，就在流速等于零的地方主流开始与壁面脱离，在出现反向流动的地方形成了旋涡区。

3、在减压增速区，流体质点受到与流动方向一致的正压差作用，它只能加速，不能减速。因此，渐缩管内不会出现旋涡区。

4、流体经过弯管时，虽然过流断面沿程不变，但弯管内流体质点受到离心力作用，在弯管前半段，外侧压强沿程增大，内侧压强沿程减小，而流速是外侧减小，内侧增大。因此，弯管前半段沿外壁是减速增压的，也能出现旋涡区，在弯管的后半段，由于惯性作用，在Re较大和弯管的转角较大而曲率半径较小的情况下，旋涡区又在内侧出现。弯管内侧的旋涡，无论是大小还是强度，一般都比外侧的大。因此，它是加大弯管能量损失的重要因素。

旋涡区愈大，能量损失也愈大。旋涡区内不断产生着旋涡，因而不断消耗主流的能量。在旋涡区及其附近，过流断面上的流速梯度加大，也使主流能量损失有所增加。在旋涡被不断带走并扩散的过程中，加剧了下游一定范围内的紊流脉动，从而加大了这段管长的能量损失。事实上，局部阻碍范围内损失的能量只占局部损失的一部分，另一部分是在局部阻碍下游一定长度的管段上损耗掉的。

紊流的局部阻力系数ζ一般说来决定于局部阻碍的几何形状、固体壁面的相对粗糙和雷诺数。即ζ=f（局部阻碍形状，相对粗糙，Re）。但在不同情况下，各因素所起的作用不同。

变管径的局部损失

1、圆管突然扩大的局部阻碍的阻力系数。取流股将扩未扩的1断面和扩大后流速分布与紊流脉动已接近均匀流正常状态的2断面列能量方程，假设两断面间的沿程水头损失忽略不计，则

hm=(Zl + p1/γ+a1.ν1/2.g)- (Z2 + p2/γ+a2.ν2/2.g)

两断面与管壁所包围的流动空间的沿流动方向的动量方程：

ΣF=γ.Q/g(α02ν2-α01ν1)

式中，ΣF为作用在所取流体上的全部轴向外力之和，其中包括：

（1）作用在1断面上的总压力P1。应指出，1断面的受压面积是A2。故

P1=p1A2

（2）作用在2断面上的总压力，P2=p2A2

（3）重力在管轴上的投影，（假设重力G与突扩管的轴线的夹角为θ）

Gcosθ=γ. A2.l.(Z1–Z2)/l=γ. A2.(Z1–Z2)

（4）边壁上的摩擦阻力忽略不计。

对于紊流，取α0l=α02=1, α1=α2=1。

由此可得，hm=（ν1–ν2)2 /g

所以突然扩大的水头损失等于以平均流速差计算的流速水头。

2、渐扩管相对突扩管水头损失大大减少。圆锥形渐扩管的形状由扩大面积比n= A2/ A1=γ22 /γ12，和扩散角α（或长径比ld/γ1 ）这几个几何参数来确定。渐扩管的阻力系数

ζd=λ/8.sin(α/2).(1－1/n2)+ κ (1－1/n2)

当n一定时，渐扩管的摩擦损失随α的增大和管段的缩短而减少，但扩散损失却随之增大。因此渐扩管的总损失在某一α角时必有一极值。这个最小水头损失扩散角约在5°~8°范围内，所以扩散角。最好不超过8°~10°

3、突然缩小的水头损失，主要是收缩断面附近的旋涡区造成的。突然缩小的阻力系数决定于收缩面积比A2/ A1。所以要控制收缩面积比的值。

弯管的局部损失。方向的改变不仅使弯管的内侧和外侧可能出现两个旋涡区，而且还产生了二次流现象。二次流和主流迭加在一起，使通过弯管的流体质点作螺旋运动，这加大了弯管的水头损失。在弯管内形成的二次流，消失较慢，因而加大了弯管后面的影响长度。弯管的影响长度最大可超过50倍管径。

弯管的几何形状决定于转角θ和曲率半径与管径之比R /d(或R/b)。R /d对弯管阻力系数的影响很大。尤其是在θ>60°和R/d

三通的局部损失。三通的形状是由总流与支间的夹角α和面积比A1/ A3、A2/ A3这几个几何参数确定的。但三通的特征是它的流量前后有变化。因此，三通的阻力系数不仅决定于它的几何参数，还与流量比Q1/Q3或Q2/Q3有关。

局部阻力之间的相互干扰。局部阻碍前的断面流速分布和脉动强度对局部阻力系数ζ有明显的影响。局部损失不仅仅是局部阻碍范围内的损失，还包括影响长度内因紊流脉动加剧而引起的附加损失。因此，计算局部阻力相互干扰的水头损失时，一般增加干扰修正系数c来估算它的影响。

c不仅决定于靠近的是两个什么局部阻碍，还和局部阻碍之间的相对距离ls/d有关。不是一切直接连接的局部阻碍的相互干扰影响都是使水头损失增加。直接连接时干扰修正系数很大的两个局部阻碍，如在它们中间连接一段长度即使只有1～2d的短管，使进人后一个局部阻碍之前流动已成为缓变流，干扰修正系数就会显著下降。如局部阻碍之间的直管段长度大于3d，干扰修正系数一般都小于1。在设计管道时，如各局部阻碍之间的距离都大于3倍管径，一般是忽略相互干扰的影响。

综上所述，减小局部损失的措施有两个：一是改进管件内部结构，减少其对流动状态的影响；二是改变流体内部结构，在条件许可的前提下加入适量的添加剂。实际设计及施工中常采取第一种措施：

1、制作平顺的管道进口。

2、将渐扩管设计成扩散角小的形式。

3、将突扩管设计成台阶式。

4、弯管的阻力系数在一定范围内随曲率半径R的增大而减小，但考虑到材料的消耗，所以弯管的R最好在(1～4)d的范围内。

5、三通尽可能地减小支管与合流管之间的夹角，或将支管与合流管连接处的折角改缓，以减小局部阻力系数。如将90°“T”形三通的折角切割成45°斜角；分流时“T”形T柄的ζ减小，但对分流“T”形直通的ζ影响不大，将切割的三角形加大，阻力系数还能下降。

6、管件之间的衔接顺序要合理。如选用R/d =1的弯管和A2/A1= 2.28, ld/γ1=4.1的渐扩管，在直接连接(ls=0)的情况下，先弯后扩的水头损失为先扩后弯的水头损失的4倍。即使中间都插人一段ls=4d的短管，也仍然大2.4倍。因此，在弯头和渐扩管连接的情况下一定要先扩后弯。

工程实际中会遇到各种复杂的外界因素的干扰，但不能因此忽视管件的选择，应尽量采用新材料、新技术、新工艺，优化管道连接方式，减少局部阻力损失，这将是今后很长一段时间内我们面临的一项挑战。