所述穆迪图由一系列对数纸上绘出的曲线,其被用于通过圆形管道来计算存在于紊流流体的流动的摩擦系数的。
利用摩擦系数f,可以评估由于摩擦引起的能量损失,这是确定分配流体(如水,汽油,原油等)的泵的适当性能的重要值。
工业水平的管道。资料来源:
要了解流体流动中的能量,有必要了解由于诸如速度,高度,设备(泵和马达)的存在,流体粘度的影响以及它们之间的摩擦等因素引起的收益和损失。和管壁。
运动流体的能量方程
其中N R是雷诺数,其值取决于流体所在的状态。条件是:
雷诺数(无因次)又取决于流体的速度v,管道D的内径和流体的运动粘度n,其值可通过以下表格获得:
科尔布鲁克方程
对于湍流,铜管和玻璃管中公认的方程是西里尔·科尔布鲁克(Cyril Colebrook)(1910-1997)的方程,但缺点是f不明确:
在这个方程中,比率e / D是管子的相对粗糙度,而N R是雷诺数。仔细观察发现,将f留在等式的左侧并不容易,因此不适合立即计算。
科尔布鲁克本人建议采用这种方法,这种方法是明确的,但有一些局限性:
这是为了什么
穆迪图对于查找Darcy方程中包含的摩擦因数f很有用,因为用Colebrook方程中的其他值直接表达f并不容易。
它的使用通过将f的图形表示形式包含为对数尺度上相对粗糙度的不同值的N R的函数,简化了f的获取过程。
穆迪图。资料来源:https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d9/Moody_EN.svg
这些曲线是根据实验数据使用管道制造中常用的各种材料创建的。f和N R都必须使用对数标度,因为它们涵盖了非常广泛的值范围。这样可以方便地绘制不同数量级的值的图形。
Colebrook方程的第一张图由工程师Hunter Rouse(1906-1996)获得,此后不久由Lewis F. Moody(1880-1953)修改为今天使用的形式。
它既可用于圆形管也可用于非圆形管,只需用液压直径代替它们即可。
它是如何制成的以及如何使用?
如上所述,穆迪图是从大量以图形方式呈现的实验数据中得出的。以下是使用它的步骤:
-计算雷诺数N R以确定流动是层流还是湍流。
-使用等式e r = e / D 计算相对粗糙度,其中e是材料的绝对粗糙度,D是管道的内径。这些值是通过表获得的。
-现在可以使用e r和N R,垂直投影直到到达与获得的e r相对应的曲线。
-水平投影并向左读取f的值。
一个示例将有助于轻松地可视化该图的使用方式。
-已解决的示例1
确定内径为1英寸的无涂层锻铁制成的导管中,以22 ft / s的速度在160ºF下流动的水的摩擦因数。
解
所需数据(在表中找到):
第一步
雷诺数是计算出来的,但不是在将内径从1英寸传递到英尺之前计算的:
根据前面显示的标准,它是湍流,然后穆迪图允许获得相应的摩擦因数,而不必使用Colebrook方程。
第二步
您必须找到相对粗糙度:
第三步
在提供的穆迪图中,必须移至最右端,并找到与所获得值最接近的相对粗糙度。没有一个精确地对应于0.0018,但是有一个非常接近0.002(图中的红色椭圆形)。
同时,在水平轴上搜索相应的雷诺数。最接近4.18 x 10 5的值为4 x 10 5(图中的绿色箭头)。两者的交集是紫红色点。
第四步
沿着蓝色虚线向左投影并到达橙色点。现在,考虑到除法器的大小与在水平轴和垂直轴上的对数刻度不同,估计f的值。
图中提供的穆迪图没有精细的水平划分,因此f的值估计为0.024(它在0.02和0.03之间,但不是一半,而是略小)。
在线上有使用Colebrook方程的计算器。其中之一(请参阅参考资料)提供了摩擦系数值0.023664639。
应用领域
如果已知管道的流体和绝对粗糙度,则穆迪图可用于解决三种类型的问题:
-根据给定的管道长度,要考虑的两个点之间的高度差,管道的速度和内径,计算两点之间的压降或压力差。
-确定流量,知道管道的长度和直径,再加上比压降。
-当已知要考虑的点之间的长度,流量和压力下降时,评估管子的直径。
第一种类型的问题可以通过使用图表直接解决,而第二种和第三种类型的问题则需要使用计算机软件包。例如,在第三种类型中,如果不知道管道的直径,则无法直接评估雷诺数,也无法评估相对粗糙度。
解决这些问题的一种方法是假设一个初始内径,然后从那里连续调整值以获得问题中指定的压降。
-已解决的示例2
您的温度为160°F时,水以22 ft / s的速度稳定地流过直径为1英寸的无涂层锻铁管。确定由摩擦引起的压差以及在水平管道L = 200英尺长内保持流量所需的泵送功率。
解
所需数据:重力加速度为32 ft / s 2;160ºF时水的比重为γ= 61.0磅力/ ft 3
这是来自已解决示例1的管道,因此已知摩擦系数f,其估计为0.0024。该值被纳入达西方程式以评估摩擦损失:
所需的泵浦功率为:
其中A是管子的横截面积:A = p。(d 2 /4)= P。(0.0833 2 /4)足2 = 0.00545脚2
因此,维持流量所需的功率为W = 432.7 W
参考文献
- Cimbala,C.,2006年。《流体力学,基础知识和应用》。麦克 格劳希尔。335-342。
- Franzini,J.1999。《流体力学及其应用》在工程学中。麦克 格劳·希尔(Graw Hill):176-177。
- LMNO工程。穆迪摩擦系数计算器。从以下网址恢复:lmnoeng.com。
- Mott,R.,2006年。流体力学。4号 版。培生教育。240-242。
- 工程工具箱。穆迪图。从以下位置恢复:engineeringtoolbox.com
- 维基百科。喜怒无常的图表。从以下位置恢复:en.wikipedia.org