研究流体经过管道入口区域的重要性

曹嘉佳

摘 要：了解入口长度（entrance length）对于流量系统的设计和分析很重要。 入口区域（entrance region）将具有与存在于管道完全发达区域中不同的速度，温度和其它形状。入口长度受流体类型，管道材料，粗糙度，横截面积，管道拐角处的角度等许多参数的影响。管道中流量测量的准确预测在很多行业都很重要。许多类型的流量仪表，如流量计，需要一个完全发达的流量才能正常运行。所以，对于管道内入口区即发展中区域（entrance region）过度到发达区域（fully developed region）的阶段的研究是非常重要的。

关键词：入口长度（entrance length）；发展中区域（entrance region）；发达区域

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.213

随着科技的发展，管道一直是经济运输水资源最普遍，最方便的工具，然而，供水系统产生了许多问题，如管道老化，管道断裂和管道泄漏。因此，由于管道外部环境，内部流动运动和压降变化等诸多不确定因素，水管系统的可靠安全设计是艰巨复杂的[1]。

設计水管的第一步是了解和预测通过管道的流体的行为。管道中流量测量的准确预测在很多行业都很重要。因此，当需要精确的流量测量时，流量计的安装位置非常重要。需要测量的位置和设备的性能才能实现高性能生产计划的准确过程参数。当入口长度区域的流量恒定后，应设置测量位置。入口长度受到流体类型，压降，粗糙度，管道角度等许多参数的影响[2]。

如图1所示它显示当通过直管时流量分布变化。 流体在管内运动分为两个区域入口区域（不稳定区域）和完全发展区域（稳定区域）。如果总管长度与入口长度相比较大，则入口长度的影响通常可以忽略，总管长度可用于计算。 然而，如果总管长度与入口长度相比较短，则可能需要单独分析入口区域。 有时需要估计入口长度，以便确定如何进行管道流量计算。

1 入口区域（Entrance Region）

入口区域，也称为初始区域，描述从入口到完全展开点的距离。 流体流动的入口区域研究是非常有趣和有用的，因为初始场中的流动性质不稳定，并且该区域是敏感的。 此外，对初期地区的调查十分困难，入口地区的研究不够普及[3]。

如图2由Auto-CAD软件绘制的，它显示了流体流动运动的主要两个领域。 第一期是开发区（入口长度区），另一个是完全发达的流场。 在下游阶段，边界层填满整个管，速度分布不受入口长度区域引起的边缘影响。 因此，部分流动是“充分发展”的。 由于流量独立于管道入口的影响，流动特性可以在此阶段得到准确的解决。

如果总管长度与入口长度相比较大，则入口长度的影响通常可以忽略，总管长度可用于计算。 然而，如果总管长度与入口长度相比较短，则可能需要单独分析入口区域。 则需要估计入口长度，以便确定如何进行管道流量计算。

2 入口长度（Entrance Length）

导管入口和完全展开区之间的长度可以通过使用入口长度 来确定。 为雷诺数。其中D为管道直径。

对于非圆形导管，可以使用液压直径代替导管直径并且可以通过如表达的等式计算表格1[2]。

3 实验研究

1981年以前，已经做了大量的工作来处理理论问题，但是却只有很少的实验来验证层流入口长度的猜想与预测。并且在这些少量的实验中，雷诺数的取值范围受到一定限制。席勒在1922年采用积分方法研究沿管道边界层的速度分布，但他忽略了受边界层厚度影响的剪切应力。因此，他获得的实验结果可能不是精确的[5]。此后，改进了许多方法来解决入口区域的正确性。 1979年，Mohanty和Asthana基于Poiseuille定律得出了更大的入口长度 [6]。然而，他们的研究仅限于层流。1978年Dean大学，以及1996年Zagarola，M和2003年Zanoun，E-S，Durst和Nagib对入口长度进行大量研究，这些实验有明显的缺陷，没有绝对的最小长度[7]。 为了得到精确的结果并解决这个缺陷，K.Len，J.P.Myty，M.S Chong和A.Ooi在2004年对具有不同尺寸的光滑管道中的湍流入口长度进行了实验[8]。 他们估计最小入口长度等于130h； 并且获得更为保守的结果入口长度为150h，其中h表示内部管道半径。

然而，即使作者获得了内部通道高度和入口长度之间的特定关系； 他们也推荐了保守的答复。 因此，最小入场长度仍然是休息期，需要进一步调查。

参考文献：

[1]Research on Seismic Reliability Analysis of Urban Water Supply Network.Zhao，f.Cong and Y.Atlantis Press ： Environmental and Biological Engineering，April 2015， International Conference on Materials.

[2]Investigation of entrance length in circular and noncircular conduits by computational fluid dynamics simulation.P.Tongpun，E.Bumrungthaichaichan，and S.Wattananusorn.4，2014，Songklanakarin Journal of Science and Technology， Vol.36，pp.471-475.

[3]Turbulent Flow in Pipes，with particular reference to the Transition Region between the Smooth and Rough Pipe Laws. Lacey，C.Colebrook.J.Williamson.G.Macdonald.T.Blench.H. Chatley.J.Finniecome.E. Essex and G.4，1939，Journal of the ICE，Vol.11，pp.133-156.

[4]White，F.Solutions manual to accompany Fluid mechanics. New York： McGraw-Hill，1986.

[5]Die Entwicklung der laminaren Geschwindigkeitsverteilung und ihre Bedeutung für Z?higkeitsmessungen.（Mit einem Anhang über den Druckverlust turbulenter Str?mung beim Eintritt in ein Rohr.Schiller，L.2，s.l.：ZAMM- Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik，1922，Vol.2，pp.96-106.

[6]Laminar flow in the entrance region of a smooth pipe. Asthana.，A.K.Mohanty and S.B.L.03，1979，Journal of Fluid Mechanics，Vol.90，pp.433-447.

[7]Evaluating the law of the wall in two-dimensional fully developed turbulent channel flows.Zanoun，E. S.， Durst， F.， and Nagib， H. 10， 2003， Physics of Fluids， Vol. 15， pp. 3079-3089.

[8]The entrance length for fully developed turbulent channel flow.Lien，K.，Monty，J.P.，Chong，M.S.，and Ooi，A.In 15th Australian Fluid Mechanics Conference，November 2004， Vol.15，pp.356-363.endprint