一种柔性软管的流动压力损失计算方法

1.本发明涉及管道流动压力损失计算技术领域，具体涉及一种柔性软管的流动压力损失计算方法。


背景技术：

2.实际工程中，有压管流分为不变形有压管流与变形有压管流，其中，不变形有压管流的特征是管道采用硬质材料制作，在流体流动时管道变形较微小，沿程、局部压力损失与材料变形无关；而变形有压管流指的是管道采用柔性等易变性材料制作，受到外力或流体冲击时易发生变形，从而影响流体流动。由于传统硬质管道的弹性模量极大，在通入高压流体时一般不考虑管径变形，使用常规雷诺公式即可进行较为精确的计算。但对于柔性较大的软管，管道直径随此处作用的流体内压力大小发生显著改变，因此需要考虑软管的材料性质。
3.使用材料力学与流体力学相互耦合的计算思想是确定软管能量损失的常用方法，但目前为止，使用此方法确定的流体压力损失对象均局限为超长管流，即管长远大于直径的管道流动，在此基础上，传统计算方法仅考虑管流的沿程损失，但对于较短的管路，除沿程损失外，局部压力损失同样对整体压力损失较大的影响，因此传统软管压力计算方法难以准确估计较短软管的压力损失，具有明显缺陷。


技术实现要素：

4.针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种柔性软管的流动压力损失计算方法。
5.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
6.本发明提供一种柔性软管的流动压力损失计算方法，包括以下步骤：
7.(1)基于材料力学确定软管管壁拉应力与内压的关系；
8.(2)基于列宾宗水头损失理论、迭代计算方法与材料、流体耦合关系，并结合步骤(1)确定考虑软管发生变形下的沿程压力损失；
9.(3)基于软管变形特点并结合步骤(2)确定软管发生变形下的局部压力损失；
10.(4)基于流体动量定理并结合步骤(2)预测投入使用时的软管最低点位置，避免软管发生碰触；
11.(5)在避免软管发生碰触的基础上，结合步骤(2)和步骤(3)计算软管总压力损失。
12.优选地，步骤(1)中确定的拉应力与内压关系由以下公式联立确定：
13.[0014][0015]
2π(ri dri)＝(si dsi)
[0016]
式中：i表示第i个微元环，表示沿微元环周长方向的应变，s表示微元环的周长，表示沿微元环周长方向的应力，e为软管弹性模量，dsi为沿微元环周长方向的变形，si为第i个微元环的周长，pi为微元环所受压力，θ为积分所用角度参数，ri为第i个微元环半径，dl为所取微元环的轴向长度，表示软管总长度，δ表示软管管壁厚度，dri表示微元环沿径向的变形大小；
[0017]
公式联立后确定的dri与pi的关系如下：
[0018][0019]
优选地，步骤(2)中基于列宾宗水头损失理论、迭代计算方法与材料、流体耦合关系，确定考虑软管发生变形下的沿程压力损失具体包括：
[0020]
(21)确定适用于第i各微元环的列宾宗水头损失理论如下：
[0021][0022]
δp
ia
＝ρgh
ia
[0023]
式中：i表示第i个微元环，h
ia
表示沿程水头损失，δp
ia
表示沿程压力损失，q为速度流量，υ为流体运动粘度，di为微元环直径；
[0024]
β、m为列宾宗参数，由如下方法确定：
[0025][0026]di
＝d
i-1-2dri[0027]
式中表示微元环沿径向的变形大小；
[0028]
(22)结合di、β、m公式得到修正后的列宾宗水头损失理论为：
[0029][0030]
其中，δli为所取微元环的轴向长度dl的迭代参数；
[0031][0032]
式中，n为预设的迭代步数。
[0033]
优选地，步骤(3)中基于软管变形特点确定软管发生变形下的局部压力损失具体包括：
[0034]
(31)确定在流体作用下的软管最低点的管间夹角α为：
[0035][0036]
其中，h
max
为软管最低点与软管端部的垂直距离；
[0037]
(32)由流体力学有压管流转角的局部压力损失计算公式可知：
[0038]
δpy＝ρghy[0039][0040][0041]
式中，δpy为管道内局部压力损失，hy为局部水头损失，为局部损失系数，v为流体在发生转角前的速度，g为重力加速度。
[0042]
优选地，步骤(4)基于流体动量定理预测投入使用时的软管最低点位置具体包括：
[0043]
(41)采用以下公式求解l1，l2，θ，η：
[0044]
l＝l1 l2[0045]
l1sinθ l2sinη＝b
[0046]
θ η＝α
[0047]
l1cosθ＝l2cosη
[0048]
式中：l1表示最低点左侧软管长度，l2表示最低点右侧软管长度，θ表示最低点左侧软管与竖直方向的夹角，η表示最低点右侧软管与竖直方向的夹角，b表示软管两端的水平距离；
[0049]
(42)建立坐标系，通过流体力学动量定理确定管道所受冲击力如下：
[0050]
ρq(v
2x-v
1x
)＝f
x
[p1a
1-p2a2·
cos(π-α)]
[0051]
其中：
[0052]v2x
＝v2cosθ
[0053]v1x
＝v1[0054]
式中：ρ为流体密度，v1为入口速度，v2为出口速度，v
1x
为v1在x方向的投影大小，v
2x
为v2在x方向的投影大小，f
x
为管道在x方向所受外力，p1为流体入口端压强，a1为流体入口端截面面积，p2为流体出口端压强，a2为流体出口端截面面积；
[0055]
(43)由步骤(42)的公式判断不同位置处软管所受冲击力的大小，计算冲击力的极值，并根据冲击力的极值确定选用软管的抗冲击力强度，确保软管在安全、无损的前提下工作；利用以下公式计算在冲击力的极值的作用下，软管最低点距固定点的垂直距离：
[0056][0057]
(dl2 l2)
·
cosη＝h
av
[0058]
式中：h
av
表示在冲击力的极值的作用下，软管最低点距固定点的垂直距离。
[0059]
优选地，步骤(5)中采用以下公式计算软管总压力损失：
[0060][0061]
式中，δp
all
为软管两端之间的压差，即软管在流体流动下的总压力损失。
[0062]
本发明的有益效果在于：
[0063]
本发明采用材料、流体力学耦合思想推导软管变形情况，并引入动量定理以确定管道投入使用时所允许的最大流体流速，相较于传统计算方法在软管变形预测方面的不足，本发明具有预测结果精确且全面的优点，本发明充分的考虑软管变形、软管投入使用时最低点位置预测以及非线性沿程压力损失迭代计算方法，计算方法更加合理、准确，能够更好的适用于工程设计。
附图说明
[0064]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0065]
图1为本发明实施例从整根软管中切分出的微元环及其受力示意图；
[0066]
图2(a)为未通入流体时的软管变形图；
[0067]
图2(b)为通入流体的软管变形图；
[0068]
图3为本发明实施例计算流体冲击力所建立的直角坐标示意图；
[0069]
图4为本发明实施例的实施流程图。
具体实施方式
[0070]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0071]
如图1至图4所示，本实施例提供一种柔性软管的流动压力损失计算方法，包括以下步骤：
[0072]
(1)基于材料力学确定软管管壁拉应力与内压的关系；
[0073]
由于传统硬质管道的弹性模量极大，在通入高压流体时一般不考虑管径变形，使用常规雷诺公式即可进行较为精确的计算；但对于柔性较大的软管，管道直径随此处作用的流体内压力大小发生显著改变，因此，需要考虑软管的材料性质；在软管沿轴向方向切割轴向长度为dl的微元环，命名为软管上所取的第i个微元环，微元环形状及受力如图1所示；结合材料力学的应力-应变关系推导管壁拉应力与内压的关系如下：
[0074][0075][0076]
2π(ri dri)＝(si dsi)
[0077]
式中：在第i个微元环上，表示沿周长方向的应变，其中下标s表示周长，表示沿周长方向的应力，e为软管弹性模量，dsi为沿周长方向的变形，si为周长，pi为微元环所受压力，θ为积分所用角度参数无实意，ri为此微元环半径，由于软管随内压的可膨胀性质，软管上不同位置的微元环此参数大小不同，dl为所取微元环的轴向长度，其中l表示软管总长度，δ表示软管管壁厚度，dri表示微元环沿径向的变形大小；
[0078]
联立以上三式可得dri与pi的关系如下：
[0079][0080]
(2)基于列宾宗水头损失理论、迭代计算方法与材料、流体耦合关系，并结合步骤(1)确定考虑软管发生变形下的沿程压力损失；
[0081]
列宾宗水头损失理论是现如今计算流体压力损失较精确的理论之一，对于可变形管道的计算具有良好的精确性，改造后的，适用于第i各微元环的列宾宗水头损失理论如下：
[0082][0083]
δp
ia
＝ρgh
ia
[0084]
式中：在第i个微元环中，h
ia
表示沿程水头损失，δp
ia
表示沿程压力损失，q为速度流量，υ为流体运动粘度，di为微元环直径，β、m均为列宾宗参数，其可由如下方法确定：
[0085][0086]
其中，层流区等流体状态区域可按照本领域技术人员所熟知的常规流体力学判断方法进行判断；
[0087]
在上式中，di可按照步骤(1)中dri进行推导，两者关系为：
[0088]di
＝d
i-1-2dri[0089]
联立上式可得修正后的列宾宗水头损失理论为：
[0090][0091]
其中，为方便进行迭代计算，将表述微元的参数dl改为表述迭代的参数δli，两者代表的实意相同；使用本领域技术人员所熟知的现有工具可对上述公式进行迭代计算，其中：
[0092][0093]
式中，n为预设的迭代步数，此步数越大，迭代结果越精确，本领域技术人员根据实际情况在计算量可控的前提下对n进行选取；
[0094]
(3)基于软管变形特点并结合步骤(2)确定软管发生变形下的局部压力损失；
[0095]
在软管进行长距离流体输送时，局部压力损失相较于沿程压力损失极小，一般不考虑，仅使用步骤(2)中所述方法进行沿程压力损失的计算即可，但在短距离传输过程中，局部压力损失较大，需要重点考虑，尤其对于柔性软管而言，在流体冲击、重力等外力作用下，管道更易发生较大变形，局部区域出现褶皱、大曲率弯曲等情况；在此前提下，考虑软管变形特点，并确定软管在局部压变形下发生的压力损失；
[0116]
式中：ρ为流体密度，v1为入口速度，v2为出口速度，v
1x
为v1在x方向的投影大小，v
2x
为v2在x方向的投影大小，f
x
为管道在x方向所受外力，p1为流体入口端压强，a1为流体入口端截面面积，p2为流体出口端压强，a2为流体出口端截面面积，可通过步骤(2)中所述的软管变截面计算方法对p2，a2进行计算；
[0117]
由上式可判断不同位置处软管所受冲击力的大小；计算此冲击力的极值能确定选用软管的抗冲击力强度，确保软管在安全、无损的前提下工作；此外，管道在此冲击力下的变形为：
[0118][0119]
(dl2 l2)
·
cosη＝h
av
[0120]
式中：h
av
表示在此冲击力的作用下，软管最低点距固定点的垂直距离，计算此距离可以保证软管投入使用时不会发生较大的变形以至于与其他结构发生接触，从而避免软管发生触碰导致使用寿命缩短，且在一定程度上保持结构的安全距离；
[0121]
(5)在避免软管发生碰触的基础上，结合步骤(2)和步骤(3)计算软管总压力损失；具体采用以下公式计算：
[0122][0123]
式中，δp
all
为软管两端之间的压差，即软管在流体流动下的总压力损失。对于超长软管，可忽略软管局部变形引起的压力损失δpy，而对于较短软管，沿程压力损失与局部压力损失均需要计算，其中沿程压力损失计算前应确定迭代步数，在收敛、精确且方便计算的迭代步数下进行计算。
[0124]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。