孔网钢带塑料复合管沿程阻力系数的研究
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收稿日期 : 2007- 11- 20 作者简介 : 龚明树 ( 1964- ) , 男 , 四川万源人 , 副教授 , 从事给排水工程技术方面的教学、 设计与研究 ; 刘黔蜀 ( 1965- ) , 男 , 贵州贵阳人 , 工 程师 , 从事建筑工程技术施工与管理。
文献标识码: A
文章编号: 1671- 4024( 2008) 01- 35- 04 规模的工业化生 产, 因此 促使塑料管的加 速推广。 从 20 世纪 50 年代开始, 一些发达国家先后在给水、 排水 、 农业灌溉以及燃气管道工程中大量开发应用 塑料管代替钢管或铸铁管。 我国塑料管工业生产始 于 1958 年 , 60 年代初 曾少 量用于 农村 给水管 道。 1981 年国家科委为推动和协调 化学建材新技术的 开发工作, 成立了化学建材专业组, 首先将硬聚氯乙 烯管道在排水管道中推广应用。 近年来由于技术的 不断进步 , 各种塑料管材的应用日益广泛 。大量使 用的有硬聚氯乙烯 ( UPVC) 管 、 聚乙烯 ( PE) 管、 聚丙 烯 ( PP) 塑料管以及 ABS 塑料管 ( 由丙烯腈 ∀ 丁二烯 ∀ 本乙烯共聚而成 ) 。 孔网钢带塑料复合管 ( EPSI) 是成都东泰新材料科技有限公司近年研究开发的新 型管材, 并以其优秀的品质从一问世就受到用户的 普遍关注 。目前 , 国内外对 UPVC 系列管材已形成 了一整套设计、 施工 、 生产和应用的技术 , 各国科研 和工程技术人员在对本国生产的管材进行水力学试 验的基础上 , 推导出了形式各异的沿程阻力系数 的计算公式 , 其中应用较多的有以下 3 个: 1、 勃拉修斯( H. Blasius) 建议的计算公式 勃拉修斯建议 , 对于光滑管 R e 在 3000- 100000 !
表4一l几种公式比较表中部分数据略去利用试验测定值计算的ile再根据公式计算的x值根据试验测定值计算勃拉修斯公式现行pesi管参考公式上海市政院导出公式本次试验导出公式k0316ro?笱ko25110?崩xo3041t0?街入00311o?嘧凡沁入入入入337551800157o
成 都航空职业技术 学院学报 Journal of Chengdu Aeronautic Vocational and Technical College
摘
要 : 本文采用水力试验的方法, 推导孔网钢带塑料复合管 ( EPSI) 输送介质水时沿程阻力系数
计算公式 , 并将求得的计算公式与国内外参考计算公式进行了比较。 关键词: 孔网钢带塑料复合管 ( EPSI) 水力试验 沿程阻力系数 中图分类号 : TU5 一、 研究背景 孔网钢带塑料复合管 ( EPSI) , 是成都东泰新材 料科技有限公司近年开发的具有国际先进水平的新 产品 , 拥有自主知识产权和 21 项国家专利 。该产品 是以冷轧带钢和热塑性塑料为原料 , 以氩弧对接焊 成型的多孔薄壁钢管为增强体 , 外层和内层为双面 复合热塑性塑料的一种新型复合压力管材。 由于作 为增强体的多孔薄壁钢管被包覆在连续热塑性塑料 之中, 因此这种复合管既克服了钢管和塑料管各自 的缺点 , 又兼备了钢管和塑料管共同的优点。 现已 被广泛应用于石油化工 、 市政工程等领域。 由于该 产品是一种新产品, 许多参数尚无国家标准, 为了建 立行业标准, 指导产品应用 , 以便科学、 经济地设计 管网系统 , 受成都东泰新材料科技有限公司委托, 对 孔网钢带塑料复合管 ( EPSI) 输送介质水时沿程阻力 系数 ! 开展研究 。 二、 国内外概况 1937 年 , 德国由于二战时期钢铁的短缺急需寻 求钢铁等金属材料的代用品, 而首先采用聚氯乙烯 管输送给水和排放污水。 由于塑料可用石油 、 煤、 天 燃气等丰富而便宜的原料用人工合成的方法进行大
35
孔网钢带 塑料复合管沿程阻力系数的研究
之间时, 可近似地用下式计算 : = 0. 316/ ( 2- 1) 2、 前苏联水力地质研究所得出的计算公式 前苏联水力地质研究所对 直径为 15、 25、 50 和 100mm 的 UPVC 管进行水力试验, 得出: = 0. 25/ Re 0. 226 ( 2- 2) 3、 上海市政工程设计院得出的计算公式 上海市政工程设计院利用同济大学水 力实验 室, 分别对直径为 40、 50 和 100mm 的 UPVC 管进行 水力试验得出: = 0. 304/ Re ( 2- 3) 这些公式都是针对 UPVC 管材的计算式。 而国 内外目前关于 PESI 管材的沿程阻力系数 的计算 公式尚无报道, 现行关于 PESI 管材的沿程阻力系数 的计算公式是 借用前苏联水力 地质研究所针 对 UPVC 管的计算公式 , 即 = 0. 25/ Re0. 226 。 显然 , 用 该公式计算新型管材 PESI 的 值是不科学的 。 因 此, 很有必要研究符合 PESI 实际的 计算公式。 三、 水力试验 1. 试验的目的及原理 为了推导符合实际的 PESI 管材水力计算公式 , 以便建立行业乃至国家标准, 用以指导产品应用, 科 学合理地设计管网系统。 根据国内外相关资料和笔者的研究, PESI 管属 于水力光滑管, 其 值与管壁粗糙度无关, 而仅与雷 诺数 Re 有关 , 即 = f ( Re) 。借鉴 UPVC 管材的研究 方法 , 并鉴于公式 ( 2- 1) 、 ( 2- 2) 和 ( 2- 3) 形 式简 单, 使用方便。 笔者选择下式为原型: = A/ Re ( 3- 1) 只要常数 A 和 B 一 经确定, 公式便可定型了 。 将( 3- 1) 式两边取对数 , 得到 : ln = lnA- Bln Re ( 3- 2) 在双对数坐标纸上, ( 3- 2) 式是一条直线 , 此直 线的斜率为 B, 与 y 轴的截距为 lnA, 可以用线性相 关分析求出回归系数 A 和 B。 式中 和 Re 可以通过达西公式 : h f= Lv2 / 2gd Re = vd/ r ( 3- 3) ( ) Vol. 24 No. 1( Serial No. 74) 2008
技术应用与开发
孔网钢带塑料复合管沿程 阻力系数的研究
龚明树1, 刘黔蜀2 , 黄双华2 , 胡洪良2 , 姜俊福2
( 1. 成都航空职业技术学院 , 四川 成都 610021; 2. 攀枝花学院 , 四川 攀枝花 617000) !的
1
2
1106X2 = 98
3
1406. 5X2 = 127
4
1607X2 = 146
5. 推导 计算式 将表 3- 3 中 ( lnRe、 ln ) 输入计算机 , 对式 ( 32) 作回归分析 ( 略) 得到回 归系数: A= 0. 03; B= 0. 063。 代入 ( 3- 1) 式得:
= 0. 03/ Re ( 3- 5) 四、 几种公式的比较 为比较各种 计算公式所得计算值与试验测试 数据所求 值的差异 , 将其列表计算 。见表 4- 1。 37
表 3- 1 试验装置基本数据 量水堰堰顶 测压管间距 l( m) 高度 H 0 ( mm) 项目 管道内径 dj ( mm) # 90 # 110 # 140 # 160 # 200 79 98 127 146 185 5 445
管道
计算得到。 式中 : hf ∀ 沿程阻力损失 ; L ∀ 管长 ; 36
0. 063
孔网钢带 塑料复合管沿程阻力系数的研究
由表 4- 1 可以看出 : =
0. 226 Re &
0013; 而其它三个公式的最大误差介于 0. 0076- 0. 0. 25/ 本次试 0095, 平均误差在 0. 0041- 0. 0057。 由此可见 , 本次 试验导出公式误差最小 , 与试验结果符合较好。
图 3- 2
1n 与 1nRe 的趋势线
表 3- 3 测定数据及计算数值总汇表 ( 表中部分数据略去 ) 序号 DN 905. 5x 2 = 79 测定值 hf( mm) 12 18 281 11 13 120 10 15 42 6 19 30 1 5 2007. 5X2 = 185 5 8 10 H( mm) 77 82 140 94 96 155 118 132 155 128 155 175 141 158 166 180 V( m/ s) 0. 4871 0. 569 2. 1325 0. 5181 0. 5457 1. 7819 0. 5409 0. 7135 1. 061 0. 5004 0. 8028 1. 0834 0. 3958 0. 5243 0. 5923 0. 7234 0. 0157 0. 0172 0. 0191 0. 0157 0. 0168 0. 0145 0. 017 0. 0147 0. 0186 0. 0137 0. 0169 0. 0146 0. 0046 0. 0132 0. 0165 0. 0139 - 4. 3282 - 4. 1021 - 4. 2789 85083. 77 96118. 86 117393. 9 11. 35 11. 47 11. 67 - 4. 1514 - 4. 0881 - 4. 2323 - 4. 0736 - 4. 2220 - 3. 9860 - 4. 2894 - 4. 0821 - 4. 2248 44538. 42 46911. 05 153180. 9 60258. 16 79486. 40 118199. 1 64086. 32 102814. 7 138751. 2 10. 70 10. 76 11. 94 11. 01 11. 28 11. 68 11. 07 11. 54 11. 84 计算值 ln - 4. 1565 - 4. 0618 Re 33755. 18 39430. 70 lnRe 10. 43 10. 58
通过上述计算, 共得到 30 对 ( 、 Re ) 值, 考虑到 测定误差 , 分别去掉一个 、 Re 的最大值和最小值, 最终采用剩下的 28 对 ( 、 Re) 值进行分析 、 计算 。测 定数据及计算数值见表 3- 3。 由表 3- 3, 若以 ln 为纵坐标, lnRe 为横坐标, 得图 3- 2 所示曲线 。 将该曲线与尼古拉兹实验比 较 , 可见 PESI 管属于水力光滑管 , 值仅与 Re 有关。 因此, 笔者所选定的公式原型与实际较为符合。
然后通水, 检查管路是否漏水 ; 检查阀门是否 关闭严密; 检查循环水泵工作状况是否正常; 排除管 内空气 。待一切无误后 , 开始正式测定。
孔网钢带 塑料复合管沿程阻力系数的研究
选择一根待测管道, 慢慢打开阀门 , 并维持一定 开度 , 其余管道阀门关闭 , 待流态稳定、 恒定水箱水 位恒定后, 同时记下测压管读数 ( h1、 h2) ; 量水堰堰 上水位 H1 以及水温 t ; 改变阀门开度 , 待流态稳定 、 恒定水箱水位恒定后 , 再记下一组数据 ; ∃∃如此反 复, 5 根管道共测得数据 30 组。 4. 数据处理 将所测数据按表 3- 2 所列水力计算公式处理。
表 3- 2 水力计算公式表 序号 1 2 3 4 5 6 7 数据名称 堰上水头 ( m) 水头损失 ( m) 流量 ( m3 / s) 流速 ( m/ s) 雷诺数 沿程阻力系数 水的运动粘度 ( m 2 / s) r 符号 H hf Q v Re 计算公式 H= H1 - H0 hf= h1 - h2 Q= 1. 343H2. 47 V= 1. 273Q/ dj 2 Re= vdj/ r = 2gdjhf / Lv2 r= 1. 139x10- 6( 当水温 t= 15 % 时 )
B 0. 239
v ∀ 管内平均流速; g ∀ 重力加速度 ; d ∀ 管道内径 ; r ∀ 水的运动粘性系数。 式 ( 3- 3) 及 ( 3- 4) 中的待定系数通过水力学试 验和物测手段取得 。 2. 试验装置 水力试验装置详见图 3- 1。
Re0. 25
图1
水力试验装置图
测试 管 材 选 择 5 种 常用 管 径 # 90、 # 110、 # 140、 # 160 和 # 200mm; 测压管 为 # 20mm 的有机玻 璃管, 间距为 5m; 量水堰为三角形薄壁堰。 3. 测试方法 首先根据产品规格确定其内径及测定量水堰顶 高 H o 等 , 得到下列数据, 见表 3- 1。
文献标识码: A
文章编号: 1671- 4024( 2008) 01- 35- 04 规模的工业化生 产, 因此 促使塑料管的加 速推广。 从 20 世纪 50 年代开始, 一些发达国家先后在给水、 排水 、 农业灌溉以及燃气管道工程中大量开发应用 塑料管代替钢管或铸铁管。 我国塑料管工业生产始 于 1958 年 , 60 年代初 曾少 量用于 农村 给水管 道。 1981 年国家科委为推动和协调 化学建材新技术的 开发工作, 成立了化学建材专业组, 首先将硬聚氯乙 烯管道在排水管道中推广应用。 近年来由于技术的 不断进步 , 各种塑料管材的应用日益广泛 。大量使 用的有硬聚氯乙烯 ( UPVC) 管 、 聚乙烯 ( PE) 管、 聚丙 烯 ( PP) 塑料管以及 ABS 塑料管 ( 由丙烯腈 ∀ 丁二烯 ∀ 本乙烯共聚而成 ) 。 孔网钢带塑料复合管 ( EPSI) 是成都东泰新材料科技有限公司近年研究开发的新 型管材, 并以其优秀的品质从一问世就受到用户的 普遍关注 。目前 , 国内外对 UPVC 系列管材已形成 了一整套设计、 施工 、 生产和应用的技术 , 各国科研 和工程技术人员在对本国生产的管材进行水力学试 验的基础上 , 推导出了形式各异的沿程阻力系数 的计算公式 , 其中应用较多的有以下 3 个: 1、 勃拉修斯( H. Blasius) 建议的计算公式 勃拉修斯建议 , 对于光滑管 R e 在 3000- 100000 !
表4一l几种公式比较表中部分数据略去利用试验测定值计算的ile再根据公式计算的x值根据试验测定值计算勃拉修斯公式现行pesi管参考公式上海市政院导出公式本次试验导出公式k0316ro?笱ko25110?崩xo3041t0?街入00311o?嘧凡沁入入入入337551800157o
成 都航空职业技术 学院学报 Journal of Chengdu Aeronautic Vocational and Technical College
摘
要 : 本文采用水力试验的方法, 推导孔网钢带塑料复合管 ( EPSI) 输送介质水时沿程阻力系数
计算公式 , 并将求得的计算公式与国内外参考计算公式进行了比较。 关键词: 孔网钢带塑料复合管 ( EPSI) 水力试验 沿程阻力系数 中图分类号 : TU5 一、 研究背景 孔网钢带塑料复合管 ( EPSI) , 是成都东泰新材 料科技有限公司近年开发的具有国际先进水平的新 产品 , 拥有自主知识产权和 21 项国家专利 。该产品 是以冷轧带钢和热塑性塑料为原料 , 以氩弧对接焊 成型的多孔薄壁钢管为增强体 , 外层和内层为双面 复合热塑性塑料的一种新型复合压力管材。 由于作 为增强体的多孔薄壁钢管被包覆在连续热塑性塑料 之中, 因此这种复合管既克服了钢管和塑料管各自 的缺点 , 又兼备了钢管和塑料管共同的优点。 现已 被广泛应用于石油化工 、 市政工程等领域。 由于该 产品是一种新产品, 许多参数尚无国家标准, 为了建 立行业标准, 指导产品应用 , 以便科学、 经济地设计 管网系统 , 受成都东泰新材料科技有限公司委托, 对 孔网钢带塑料复合管 ( EPSI) 输送介质水时沿程阻力 系数 ! 开展研究 。 二、 国内外概况 1937 年 , 德国由于二战时期钢铁的短缺急需寻 求钢铁等金属材料的代用品, 而首先采用聚氯乙烯 管输送给水和排放污水。 由于塑料可用石油 、 煤、 天 燃气等丰富而便宜的原料用人工合成的方法进行大
35
孔网钢带 塑料复合管沿程阻力系数的研究
之间时, 可近似地用下式计算 : = 0. 316/ ( 2- 1) 2、 前苏联水力地质研究所得出的计算公式 前苏联水力地质研究所对 直径为 15、 25、 50 和 100mm 的 UPVC 管进行水力试验, 得出: = 0. 25/ Re 0. 226 ( 2- 2) 3、 上海市政工程设计院得出的计算公式 上海市政工程设计院利用同济大学水 力实验 室, 分别对直径为 40、 50 和 100mm 的 UPVC 管进行 水力试验得出: = 0. 304/ Re ( 2- 3) 这些公式都是针对 UPVC 管材的计算式。 而国 内外目前关于 PESI 管材的沿程阻力系数 的计算 公式尚无报道, 现行关于 PESI 管材的沿程阻力系数 的计算公式是 借用前苏联水力 地质研究所针 对 UPVC 管的计算公式 , 即 = 0. 25/ Re0. 226 。 显然 , 用 该公式计算新型管材 PESI 的 值是不科学的 。 因 此, 很有必要研究符合 PESI 实际的 计算公式。 三、 水力试验 1. 试验的目的及原理 为了推导符合实际的 PESI 管材水力计算公式 , 以便建立行业乃至国家标准, 用以指导产品应用, 科 学合理地设计管网系统。 根据国内外相关资料和笔者的研究, PESI 管属 于水力光滑管, 其 值与管壁粗糙度无关, 而仅与雷 诺数 Re 有关 , 即 = f ( Re) 。借鉴 UPVC 管材的研究 方法 , 并鉴于公式 ( 2- 1) 、 ( 2- 2) 和 ( 2- 3) 形 式简 单, 使用方便。 笔者选择下式为原型: = A/ Re ( 3- 1) 只要常数 A 和 B 一 经确定, 公式便可定型了 。 将( 3- 1) 式两边取对数 , 得到 : ln = lnA- Bln Re ( 3- 2) 在双对数坐标纸上, ( 3- 2) 式是一条直线 , 此直 线的斜率为 B, 与 y 轴的截距为 lnA, 可以用线性相 关分析求出回归系数 A 和 B。 式中 和 Re 可以通过达西公式 : h f= Lv2 / 2gd Re = vd/ r ( 3- 3) ( ) Vol. 24 No. 1( Serial No. 74) 2008
技术应用与开发
孔网钢带塑料复合管沿程 阻力系数的研究
龚明树1, 刘黔蜀2 , 黄双华2 , 胡洪良2 , 姜俊福2
( 1. 成都航空职业技术学院 , 四川 成都 610021; 2. 攀枝花学院 , 四川 攀枝花 617000) !的
1
2
1106X2 = 98
3
1406. 5X2 = 127
4
1607X2 = 146
5. 推导 计算式 将表 3- 3 中 ( lnRe、 ln ) 输入计算机 , 对式 ( 32) 作回归分析 ( 略) 得到回 归系数: A= 0. 03; B= 0. 063。 代入 ( 3- 1) 式得:
= 0. 03/ Re ( 3- 5) 四、 几种公式的比较 为比较各种 计算公式所得计算值与试验测试 数据所求 值的差异 , 将其列表计算 。见表 4- 1。 37
表 3- 1 试验装置基本数据 量水堰堰顶 测压管间距 l( m) 高度 H 0 ( mm) 项目 管道内径 dj ( mm) # 90 # 110 # 140 # 160 # 200 79 98 127 146 185 5 445
管道
计算得到。 式中 : hf ∀ 沿程阻力损失 ; L ∀ 管长 ; 36
0. 063
孔网钢带 塑料复合管沿程阻力系数的研究
由表 4- 1 可以看出 : =
0. 226 Re &
0013; 而其它三个公式的最大误差介于 0. 0076- 0. 0. 25/ 本次试 0095, 平均误差在 0. 0041- 0. 0057。 由此可见 , 本次 试验导出公式误差最小 , 与试验结果符合较好。
图 3- 2
1n 与 1nRe 的趋势线
表 3- 3 测定数据及计算数值总汇表 ( 表中部分数据略去 ) 序号 DN 905. 5x 2 = 79 测定值 hf( mm) 12 18 281 11 13 120 10 15 42 6 19 30 1 5 2007. 5X2 = 185 5 8 10 H( mm) 77 82 140 94 96 155 118 132 155 128 155 175 141 158 166 180 V( m/ s) 0. 4871 0. 569 2. 1325 0. 5181 0. 5457 1. 7819 0. 5409 0. 7135 1. 061 0. 5004 0. 8028 1. 0834 0. 3958 0. 5243 0. 5923 0. 7234 0. 0157 0. 0172 0. 0191 0. 0157 0. 0168 0. 0145 0. 017 0. 0147 0. 0186 0. 0137 0. 0169 0. 0146 0. 0046 0. 0132 0. 0165 0. 0139 - 4. 3282 - 4. 1021 - 4. 2789 85083. 77 96118. 86 117393. 9 11. 35 11. 47 11. 67 - 4. 1514 - 4. 0881 - 4. 2323 - 4. 0736 - 4. 2220 - 3. 9860 - 4. 2894 - 4. 0821 - 4. 2248 44538. 42 46911. 05 153180. 9 60258. 16 79486. 40 118199. 1 64086. 32 102814. 7 138751. 2 10. 70 10. 76 11. 94 11. 01 11. 28 11. 68 11. 07 11. 54 11. 84 计算值 ln - 4. 1565 - 4. 0618 Re 33755. 18 39430. 70 lnRe 10. 43 10. 58
通过上述计算, 共得到 30 对 ( 、 Re ) 值, 考虑到 测定误差 , 分别去掉一个 、 Re 的最大值和最小值, 最终采用剩下的 28 对 ( 、 Re) 值进行分析 、 计算 。测 定数据及计算数值见表 3- 3。 由表 3- 3, 若以 ln 为纵坐标, lnRe 为横坐标, 得图 3- 2 所示曲线 。 将该曲线与尼古拉兹实验比 较 , 可见 PESI 管属于水力光滑管 , 值仅与 Re 有关。 因此, 笔者所选定的公式原型与实际较为符合。
然后通水, 检查管路是否漏水 ; 检查阀门是否 关闭严密; 检查循环水泵工作状况是否正常; 排除管 内空气 。待一切无误后 , 开始正式测定。
孔网钢带 塑料复合管沿程阻力系数的研究
选择一根待测管道, 慢慢打开阀门 , 并维持一定 开度 , 其余管道阀门关闭 , 待流态稳定、 恒定水箱水 位恒定后, 同时记下测压管读数 ( h1、 h2) ; 量水堰堰 上水位 H1 以及水温 t ; 改变阀门开度 , 待流态稳定 、 恒定水箱水位恒定后 , 再记下一组数据 ; ∃∃如此反 复, 5 根管道共测得数据 30 组。 4. 数据处理 将所测数据按表 3- 2 所列水力计算公式处理。
表 3- 2 水力计算公式表 序号 1 2 3 4 5 6 7 数据名称 堰上水头 ( m) 水头损失 ( m) 流量 ( m3 / s) 流速 ( m/ s) 雷诺数 沿程阻力系数 水的运动粘度 ( m 2 / s) r 符号 H hf Q v Re 计算公式 H= H1 - H0 hf= h1 - h2 Q= 1. 343H2. 47 V= 1. 273Q/ dj 2 Re= vdj/ r = 2gdjhf / Lv2 r= 1. 139x10- 6( 当水温 t= 15 % 时 )
B 0. 239
v ∀ 管内平均流速; g ∀ 重力加速度 ; d ∀ 管道内径 ; r ∀ 水的运动粘性系数。 式 ( 3- 3) 及 ( 3- 4) 中的待定系数通过水力学试 验和物测手段取得 。 2. 试验装置 水力试验装置详见图 3- 1。
Re0. 25
图1
水力试验装置图
测试 管 材 选 择 5 种 常用 管 径 # 90、 # 110、 # 140、 # 160 和 # 200mm; 测压管 为 # 20mm 的有机玻 璃管, 间距为 5m; 量水堰为三角形薄壁堰。 3. 测试方法 首先根据产品规格确定其内径及测定量水堰顶 高 H o 等 , 得到下列数据, 见表 3- 1。