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速度和管道弹性

任何介质的弹性的特点是介质因受到施加的力而产生的变形。如果介质为液体,则此力为压力。弹性系数(也称为弹性指数、常数或模量)是介质的一个物理性质,用于描述力和变形之间的关系。

因此,如果给定体积 (V) 中的给定液体质量受到静态压力上升 (dp) 的影响,流体体积就会发生相应的减小 (dV < 0)。原因(压力增加)和影响(体积减少)之间的关系表示为流体的体积弹性模量 (),如下所示:

其中, = 体积弹性模量
  dp = 静态压力上升
  dV = 液体相对于初始体积的增量变化
  dρ/ρ = 液体密度相对于初始密度的增量变化

液体的弹性模量和密度之间的关系产生其特征波速。

其中, a = 液体的特征波速

特征波速 (a) 是扰动通过流体的速度。对于水,其值约为 4,716 ft./sec.(1,438 m/s),对于空气,其值约为 1,115 ft./sec.(340 m/s)。

注入少量小气泡可以降低流体/空气混合物的有效波速,前提是其完全混合。这在实践中很难实现,例如,由于散流器可能会发生故障,气泡可能会从悬浮液中冒出来并聚集,甚至浮到管道顶部并积聚在弯头处。

1848 年,Helmholtz 证明,管道中的波速随管道壁的弹性而变化。三十年后,Korteweg 开发了一个方程,用来确定波速作为管道弹性和液体可压缩性的函数。Bentley HAMMER V8i 采用需要校正波速以考虑管道弹性的弹性模型公式。

其中, E = 管道材料的杨氏弹性模量

此方程适用于薄壁管道 (D/e > 40)。系数 ψ 取决于管道支撑特性和泊松比。ψ 取决于以下因素:

  • 管道被锚定,以防发生轴向运动:ψ = 1 - µ 2,其中 µ 是泊松比
  • 整个管道配备有效的膨胀接头:ψ = 1 - µ/2
  • 管道仅在一端得到支撑,允许承受横向和纵向应力和应变:ψ = 5/4 - µ (ASCE, 1975)

对于厚壁管道,已经提出各种理论方程来计算速度;然而,需要现场调查来验证这些方程。表格表 14-2:一些常用管道材料的物理属性表 14-3:一些常用液体的物理属性提供了各种管道材料和液体的值,这些值有助于在瞬时分析期间计算速度。 图 14-6:不同 D/e 比的速度与管壁弹性提供给定管壁弹性和不同直径/厚度比情况下速度的图形求解。

表 14-2:一些常用管道材料的物理属性

材料 杨氏模量 泊松比, µ
(10 9 lbf/ft 2 ) (GPa)
钢管 4.32 207 0.30
铸铁 1.88 90 0.25
熟铁管 3.59 172 0.28
混凝土 0.42 至 0.63 20 至 30 0.15
钢筋混凝土 0.63 至 1.25 30 至 60 0.25
石棉水泥 0.50 24 0.30
PVC (20°C) 0.069 3.3 0.45
聚乙烯 0.017 0.8 0.46
聚苯乙烯 0.10 5.0 0.40
玻璃纤维 1.04 50.0 0.35
花岗岩(岩石) 1.0 50 0.28

表 14-3:一些常用液体的物理属性

液体 温度 (°C) 体积弹性模量 密度
(10 9 lbf/ft 2 ) (GPa) (slugs/ft 3 ) (kg/m 3 )
淡水 20 45.7 2.19 1.94 998
盐水 15 47.4 2.27 1.99 1,025
矿物油 25 31.0 至 40.0 1.5 至 1.9 1.67 至 1.73 860 至 890
煤油 20 27.0 1.3 1.55 800
甲醇 20 21.0 1.0 1.53 790

图 14-6:不同 D/e 比的速度与管壁弹性

对于表现出显著粘弹性效应的管道(例如,PVC 和聚乙烯等塑料),Covas 等人(2002) 表明,这些效应(包括蠕变)会影响管道中的波速,如果需要高精度的结果,则必须考虑这些效应。他们提出了在连续性方程和动量方程中考虑这些效应的方法。