使用摩擦因数计算管道流动的摩擦水头损失(压降)
简介
管道在压力下的流动有很多用途。为使气体或液体流过管道，需要向气体或液体输入能量。由于流体与管壁之间的摩擦和流体内部的内摩擦，存在摩擦能量损失(也称为摩擦扬程损失或摩擦压降)，因此需要输入这种能量。本文将讨论的Darcy Weisbach方程通常用于各种计算，包括摩擦扬程损失、管道直径、流速或速度以及其他几个参数。在Darcy Weisbach方程中使用的摩擦因子取决于雷诺数和管道粗糙度。
完全发展的湍流
达西维斯巴赫方程适用于完全发展的湍流管道流动。回想一下，当雷诺数大于4000时，管道流动将是湍流的。[充分发展的流动](/工具/测量空气速度是皮托管的常见用途，但它们也可以用来测量其他流体的速度。为了确定速度，皮托管测量停滞压力和静压之间的差值。还需要流体密度的值。阅读更多:http:/www.brighthub.com/engineering/civil/articles/58382.aspx#ixzz0gyqA8D3V)将出现在超出入口长度的管道或导管中。入口长度是将速度剖面调整到整个[充分发展的流动]中存在的恒定剖面的位置(/工具/测量空气速度是皮托管的常见用途，但它们也可用于测量其他流体的速度。为了确定速度，皮托管测量停滞压力和静压之间的差值。还需要流体密度的值。阅读更多信息:http:/www.brighthub.com/engineering/civil/articles/58382.aspx#ixzz0gyqA8D3V)区域。 The diagram at the left illustrates the concept of the entrance region and fully developed flow.
大多数管道和管道流动的气体和液体粘度类似于水将是湍流流动。如果管道总长度与入口长度相比较大，则入口影响可以忽略不计，使用管道总长度进行计算。
摩擦水头损失的Darcy Weisbach方程
Darcy Weisbach方程提供了几个管道流量变量之间的经验关系，如下所示:
公式为:hL = f (L/D)(V2/2g)，其中
hL =摩擦水头损失，ft-lb/lb
L =管道长度，ft
D =管径，ft
V =流体平均流速(= Q/A)， ft/sec
G =重力加速度= 32.2英尺/秒
f =摩擦因子，是雷诺数(Re = DVρ/μ)和/或ε/D的函数，无量纲经验因子，其中
ε =经验管道粗糙度，ft
右表显示了常见管道材料的一些典型的管道粗糙度值。
摩擦水头损失与摩擦压降的关系
管道流动中由于摩擦造成的能量损失可以用压降来表示，而不是水头损失。化学和机械工程师经常与压降打交道，而土木工程师通常与水头损失打交道。摩擦水头损失与摩擦压降的关系简单为:
ΔPf = ρghL = γhL，其中:
ΔPf =摩擦压降，lb/ft2，
hL =摩擦水头损失，ft-lb/lb(如上所述)。
ρ =流体密度，鼻涕虫/ft3，
G =重力加速度，ft/sec2，
γ =比重，lb/ft3。
摩擦因子-图表和方程式
摩擦因子(有时也称为穆迪摩擦因子)可以从经验推导的图表和/或方程中确定已知的雷诺数和ε/D值。常用的图表是穆迪摩擦系数图，如左图所示。点击图表会给你一个更大的比例尺图表，这样你可以看得更清楚。该图有助于说明摩擦因子f如何随雷诺数和管道粗糙度/管径(ε/D)的变化而变化。图中左上方的直线表示层流，其中f与ε/D无关，只与Re有关。图中有水平线的部分称为完全湍流区，其中f只与ε/D有关。对于图的其余部分，即过渡区域，f取决于Re和ε/D。黑色实线表示“光滑管湍流”，其中f仅依赖于Re。
下面列出了上述图表中四个区域的摩擦系数公式。
层流(Re < 2100): f = 64/Re
对于完全湍流区:f = [1.14 + 2 log10(D/ε)]-2
对于光滑管道湍流流动:f = 0.316/Re1/4
对于过渡区:f = {-2 log10[(ε/D)/3.7 + 2.51/Re(f1/2)]}-2
请注意，对于给定的ε/D和Re值，最后一个方程需要一个迭代解来找到f，或者可以在Excel电子表格中使用“求解器”。
Darcy Weisbach方程涉及变量hL, D, L, V， ε， ρ和μ。它的典型用途是计算hL、D、L或V，当所有其他参数都已知时。其中一些需要迭代计算。
用于Excel电子表格模板，可下载用于计算管道流量/摩擦系数，见文章。”使用Excel电子表格模板计算管道流量/水头损失/摩擦系数”。
参考文献
欲知更多信息:
1.曼森，B. R.， Young, D. F.， & Okiishi, T. H.，流体力学基础，第四版，纽约:约翰·威利父子公司，2002。
2.达西·韦斯巴赫方程历史-https://biosystems.okstate.edu/darcy/DarcyWeisbach/Darcy-WeisbachHistory.htm
3.管道粗糙度值来源-https://www.efunda.com/formulae/fluids/roughness.cfm
这篇文章是系列文章的一部分:管道流量计算
管道流动计算包括使用雷诺数来确定流动是层流还是湍流。摩擦水头损失可以用达西维斯巴赫方程和摩擦因子来计算。在紊流和层流中，都可以求出完全发展流动的入口长度。