研究流體經過管道入口區域的重要性

曹嘉佳

摘 要：了解入口長度（entrance length）對于流量系統的設計和分析很重要。 入口區域（entrance region）將具有與存在于管道完全發達區域中不同的速度，溫度和其它形狀。入口長度受流體類型，管道材料，粗糙度，橫截面積，管道拐角處的角度等許多參數的影響。管道中流量測量的準確預測在很多行業都很重要。許多類型的流量儀表，如流量計，需要一個完全發達的流量才能正常運行。所以，對于管道內入口區即發展中區域（entrance region）過度到發達區域（fully developed region）的階段的研究是非常重要的。

關鍵詞：入口長度（entrance length）；發展中區域（entrance region）；發達區域

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

隨著科技的發展，管道一直是經濟運輸水資源最普遍，最方便的工具，然而，供水系統產生了許多問題，如管道老化，管道斷裂和管道泄漏。因此，由于管道外部環境，內部流動運動和壓降變化等諸多不確定因素，水管系統的可靠安全設計是艱巨復雜的[1]。

設計水管的第一步是了解和預測通過管道的流體的行為。管道中流量測量的準確預測在很多行業都很重要。因此，當需要精確的流量測量時，流量計的安裝位置非常重要。需要測量的位置和設備的性能才能實現高性能生產計劃的準確過程參數。當入口長度區域的流量恒定后，應設置測量位置。入口長度受到流體類型，壓降，粗糙度，管道角度等許多參數的影響[2]。

如圖1所示它顯示當通過直管時流量分布變化。 流體在管內運動分為兩個區域入口區域（不穩定區域）和完全發展區域（穩定區域）。如果總管長度與入口長度相比較大，則入口長度的影響通常可以忽略，總管長度可用于計算。 然而，如果總管長度與入口長度相比較短，則可能需要單獨分析入口區域。 有時需要估計入口長度，以便確定如何進行管道流量計算。

1 入口區域（Entrance Region）

入口區域，也稱為初始區域，描述從入口到完全展開點的距離。 流體流動的入口區域研究是非常有趣和有用的，因為初始場中的流動性質不穩定，并且該區域是敏感的。 此外，對初期地區的調查十分困難，入口地區的研究不夠普及[3]。

如圖2由Auto-CAD軟件繪制的，它顯示了流體流動運動的主要兩個領域。 第一期是開發區（入口長度區），另一個是完全發達的流場。 在下游階段，邊界層填滿整個管，速度分布不受入口長度區域引起的邊緣影響。 因此，部分流動是“充分發展”的。 由于流量獨立于管道入口的影響，流動特性可以在此階段得到準確的解決。

如果總管長度與入口長度相比較大，則入口長度的影響通常可以忽略，總管長度可用于計算。 然而，如果總管長度與入口長度相比較短，則可能需要單獨分析入口區域。 則需要估計入口長度，以便確定如何進行管道流量計算。

2 入口長度（Entrance Length）

導管入口和完全展開區之間的長度可以通過使用入口長度 來確定。 為雷諾數。其中D為管道直徑。

對于非圓形導管，可以使用液壓直徑代替導管直徑并且可以通過如表達的等式計算表格1[2]。

3 實驗研究

1981年以前，已經做了大量的工作來處理理論問題，但是卻只有很少的實驗來驗證層流入口長度的猜想與預測。并且在這些少量的實驗中，雷諾數的取值范圍受到一定限制。席勒在1922年采用積分方法研究沿管道邊界層的速度分布，但他忽略了受邊界層厚度影響的剪切應力。因此，他獲得的實驗結果可能不是精確的[5]。此后，改進了許多方法來解決入口區域的正確性。 1979年，Mohanty和Asthana基于Poiseuille定律得出了更大的入口長度 [6]。然而，他們的研究僅限于層流。1978年Dean大學，以及1996年Zagarola，M和2003年Zanoun，E-S，Durst和Nagib對入口長度進行大量研究，這些實驗有明顯的缺陷，沒有絕對的最小長度[7]。 為了得到精確的結果并解決這個缺陷，K.Len，J.P.Myty，M.S Chong和A.Ooi在2004年對具有不同尺寸的光滑管道中的湍流入口長度進行了實驗[8]。 他們估計最小入口長度等于130h； 并且獲得更為保守的結果入口長度為150h，其中h表示內部管道半徑。

然而，即使作者獲得了內部通道高度和入口長度之間的特定關系； 他們也推薦了保守的答復。 因此，最小入場長度仍然是休息期，需要進一步調查。

參考文獻：

[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