在日本做機械設計的感受48：管道流動的計算

子子61961

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& Y- U7 z4 f. x& o7 p" c# L) M( Z在日本做機械設計的感受48：管道流動的計算

2020-3-22

Chapter 1.
2 W) w1 ]! h3 k- M& m有一天，我旁邊的同事問我有沒有時間，說有個事情要問一下我。這個同事在公司時間比我長，一般都是我向他請教，我在想這次他問我的會是什么事情。他拿出兩張A4紙來。我掃了一眼，看到頁面上方是手繪的管道三次元圖形，下方是手寫的計算過程，原來是流體計算的問題。雖然我當時手頭有些事情要做，但我一看到那個管道圖，就知道，這種計算問題是我所感興趣的，于是我就答應他，讓他詳細介紹一下。
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關于題目，將實際工況寫出來不太合適，所以我將參數重新設定，而計算原理是相同的。
題目是，潤滑油以一定的流速流入上部的油槽，然后自由流動，經過管道以及彎頭，最后返回下面的油箱。需要計算的是，某一管徑，是否夠大，能夠使油流下，上面油槽不溢出。
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配管內徑40mm，總長度22米，落差6米，直角彎頭6個，
上部油槽注入流量60L/min，油粘度66號。
（4月13日發帖時流量有誤，已修改，感謝網友指正）
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他的計算結果是這個管道直徑足夠將這些油流出。
但是當時實驗中，出現了上部油槽溢出的結果，也就是管道流量不夠。
計算結果與實際不符，這是比較麻煩的，他擔心自己計算方法有問題。

在公司里，一般是機械計算的問題會多一些，這種流體計算的問題比較少見。大部分同事都是機械專業出身，也許機械的課程不會有這部分內容。我在大學時候的專業是化學工程，在化工原理的課程里，接觸到了這類知識，所以我覺得自己有獨特的發揮作用的地方。同事愛自己也說，他以前沒做過這種計算，這次是在網上臨時找了一些參考資料，來計算的，自己計算的方法是否正確，他沒有足夠的信心。因為我平時說我數學是強項，所以他想讓我幫忙看一下。
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我對他說，這個問題我看一看，今天不一定有時間，如果不急的話，后天周五下班前會給他回復。當然，我沒有夸口說我是學這個專業的，如果我先吹牛，結果卻也看不出來問題，那就不好了。
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6 N+ ^' s( Y) D( P2 eChapter 2.
9 V( r7 A2 G$ Q& _. O1 R' B在這里將計算的原理稍微展開，解說一下。
* u. K5 x; `. W9 e, ~4 s, @6 E如果讀者對工程計算不感興趣也可以跳過這里，到下一章去看繼續的進展。
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這個問題的計算思路如下：
流體流過直管的時候，流體和管壁摩擦會有流動損失，
* l7 }* `9 \% y  ^& a/ a% ?6 M在這里，這個流動損失的計算結果，用“壓頭”來表示，單位是米。
這個計算的原理涉及到伯努利方程，簡化之后的形式比較簡單。
損失壓頭的計算公式為：h = λ*（L/d）*u*u /2g
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針對這個公式，需要的各個參數說明如下：
+ L" e3 h0 w* Q  F2 u
1.其中λ是摩擦系數，想要計算它，就需要先求出雷諾數Re。
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雷諾數Re ＝d uρ/μ。式中：d 管內徑，u 流速m/s，μ流體粘度，ρ流體密度。
如果不熟悉，那么知道它是一個和流動有關的參數就好。
- ^4 p$ B* Q) F8 i& L# Z$ F它的數值在幾百至幾萬，通過它的數值可以判斷流動特性，也可以計算其他參數。
它的計算結果沒有米之類的單位，各個參數的單位在計算中抵消了，它是一個無量綱數。

. d1 p; {/ ]0 _& I7 y; ~. ]知道雷諾數Re之后，一方面可以判斷是層流還是湍流，一方面可以用Re來計算λ。
對于油來說，一般容易被查到的是它的動粘度，μ/ρ，可以代入計算。
. R0 D& e6 X9 }本次計算得到Re小于2000，判定流動形式屬于層流。
層流的摩擦系數計算公式：λ=64/Re

" m% _* U5 f% |( t( H5 {; q8 K2.其中u表示流速m/s，
管內的實際流速不知道，其實是需要計算的，
; D" X! b$ C9 j6 f. x4 D但是為了方便計算，所以這里先假設一下。
假設上部注入的油都能流走，那么配管里的體積流量也是60L/min。
% |! [8 s$ m; `1 P& O用這個體積流量除以管道橫截面積，可以得到流速0.796 m/s。
3 C. p& a7 p) o/ p計算到最后的時候，再看計算結果是否成立，來得知這個假設是否成立。

3.其中L為流過的管道長度，包括配管本身長度，和彎頭的相當長度。
流體流經直管的時候會有一定的摩擦損失，流過彎頭的時候也會有不小的損失，

以前我只知道光滑管的轉彎處壓力損失，
這次同事遞給我的資料里，有一份表格，
5 s5 j1 b6 R; A& ]4 k是關于流體流經實際配管接頭的壓力損失，
6 }( \$ G3 I5 X7 e. V3 ~: u! D這個資料我是第一次見，這次是學到了。
$ e( }/ y. {: j: q" |# {/ o在這個表里，把流經彎頭的損失，折合成長度，可以方便計算。
5 h3 N* T8 u" ^: v& w這段文字稍后的地方有一個表格，可以查出各種接頭的相當長度。
從表格里可以查出，對于內徑40mm的配管，
, r3 d- }1 F- s1 i9 ^& B一個直角彎頭的流動損失，相當于2.4米直管。
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4.其中d為配管內徑，g為重力加速度，直接代入即可。
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% p! c) T- I0 o2 L* R: Q- k將以上參數都求出后，代入到最初的計算式里，可以得到流動損失壓頭是多少米。
比如說，如果計算結果得到損失壓頭為4米，
就說明，流體在管內流動時，流動損失的壓頭相當于4米的高度落差，
$ w$ x: d; L0 p/ c實際前提的落差是6米，落差大于損失壓頭，說明以上計算是成立的，
8 |4 q% C+ [" x" h所以以上流動是成立的，最初假設的管內的流速是可以達到的。
上部油槽那里注入的油，都會流出，所以油槽不會溢出。

! J8 L) r3 p( A: a如果計算得到流動損失是8米，而落差卻只有6米，
那么6米的落差，不足以提供8米的流動損失，說明以上計算是不成立的，
' i$ O% C; J4 T! S& \說明在這個計算里，開頭假設的流速是不恰當的，
: O2 p" z) v/ `上部油槽的注入速度是60L/min是固定的，而管道內流速達不到這么多，
" u' P  o9 L, v所以上部油槽會溢出。

% h+ L# z* d% b/ l, @計算過程如下：
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（4月13日發帖時面積計算有誤，已修改，感謝網友指正）
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注入流量 Q 60000 cc/min
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配管內徑 d 40 mm
1 K4 ^* R" c/ H/ i: C$ S. \* Z配管面積 S 1256 mm2
6 v) c' U  a; b管內流速 u 0.796 m/s
   
/ Z9 G3 |2 x$ p! w$ l2 j8 x動粘度 miu/rou 66 mm2/s
6 ~$ _7 s# r( j: O+ m6 h雷諾準數 Re 482
8 O1 R! f6 i% m. Z) u4 Q+ b. ?! H Re=d*u*rou/miu  
   
/ k: i) S7 K, R6 h" L管道長度  22 m
直角接頭個數  6 個
直角接頭單個相當長度  2.4 m
直角接頭合計相當長度  14.4 m
總長度 L 36.4 m
   
總壓頭損失 H 3.90  m

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" @; S) l; c$ _( H6 u& \那份表格，我在中文網站也有找到，也貼在這里。

Chapter 3.
之后我找時間，看了一下他的計算過程。
; b% o4 K! A, T& i4 z! n結果發現，他的計算也是按照以上思路來的，基本沒什么大問題。
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油槽下面有一個大口進小口的局部壓頭損失他沒有算，
但是我算了一下壓頭損失不大，不會影響最終結果。
' k5 C6 g7 p. W5 I* D+ b計算結果是壓頭損失為3.9米，小于6米的落差，說明這個流動是成立的。
: J' F& _7 G+ ]% x$ f0 i6 R+ u那么實際為什么溢出了呢，問題出在哪里，我不知道，比較無奈。
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到了周五，我找到他，略微消沉地對他說，他的計算沒什么大問題。計算結果是對的，但是實際為什么溢出了，我暫時沒什么頭緒。他說好的。
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/ X9 t5 d7 i/ u0 e0 N" y+ W+ t我們閑扯了幾句，我說我以前大學學過這些東西，背過雷諾準數的計算公式，不過這次他找到的公式和我記的公式，用的字母表記不太一樣。另外他的公式用的是動粘度，就是把粘度除以密度的結果拿來用的。計算原理上，他寫的計算沒有什么大問題，基本就是這么算的。但是我們倆還是不知道，為什么計算結果沒問題，但是實際卻上部油溢出了。我倆簡單討論了幾句，我向他確認油的標號，他說確實是66號，沒有記錯。
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/ }2 _* w- ~+ W. P0 i2 c$ R然后在和他的談論中，提到管道內流速大小的問題。我打開抽屜，拿出一本YOKOHAMA油管的選型目錄。目錄后面的附錄里，有一個圖表，可以根據流量和管徑，速查管內的流速。同時在右側流速的標尺那里，有標出送油管道和回油管道的流速范圍，比如這種回油管道，流速一般控制在0.6～1.2米每秒的范圍之內。我們的計算結果是0.796米每秒，也算是正常。

他貌似是第一次看到這個表，我把資料遞過去，他仔細看了看表的內容。
我們都在給對方提供新的信息，雖然暫時還沒有突破口。
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7 T  G* b4 G3 W然后談了一會兒，兩分鐘后又想到了這個表，再拿起來看的時候，他注意到，表下方寫的是，此圖表的適用條件是，油最大粘度66cst，且油溫40度時的情況。然后他說，當時實際溢出的時候，也許油溫低于40度，只是室溫的20度。剛說到這里時，我們都沒太在意，我想當然地說，溫度降低20度，粘度應該不差多少，估計粘度稍微高一點點，最后的計算結果比4米高一點點而已，應該沒啥問題。他沒有說什么。

1 U6 g+ P7 k& s+ c我說話的時候想的是，我在現場曾經摸到過潤滑油，沒覺得有很黏的樣子。但是說完話之后，我覺得有點沒底氣，對于這一點，我并沒有足夠的記憶信息來作為支撐，在嚴謹的日本職場里，說話是要盡量有依據的，很多事情處理時，是需要有確認核實的習慣。我意識到這一點，于是就說，粘度和溫度的關系曲線在網上可以搜到的。我們都轉向自己的電腦，上網搜了一下，也許是網站不同，他還沒找到，我就先搜到了油溫和粘度的圖表。我打開圖片之后他也過來看。在圖上一查才知道，油溫降低了20度，粘度增加到了原來的2倍，那么合計壓頭也變為2倍，達到了8米，超過了落差6米，所以計算不成立。說明假設的這個管內流速，實際達不到，實際流出的管內流速要低于流入的速度，所以就會導致油從上部油槽溢出了。這樣一想，他的問題就得到了合理解釋，我們很高興。他問我是在哪個網站搜到的，我說是日本雅虎，搜索結果列表里的第二條鏈接。然后他讓我把我搜到的圖表打印一下，我打印出來，他到打印機那里去拿回打印件。有了這些信息做依據，他對自己的計算就有信心了，也就可以繼續優化設計了。

Chapter 4.
' s, W' h  k4 J0 Q% Y! A7 k' g) P看看還有時間，然后我又扯了點兒別的，我說比如從俄羅斯到中國有長長的輸油管道，石油在里面流，流到一定距離就會流不動了，所以中間要加上一些泵站，來再次推動石油流動，也是同樣的原理。他說“瘦戴絲嘎”，然后問我，從俄羅斯到中國，真有那么長的管道么。我又沒了底氣，趕緊改口，說那個管道前幾年說是要修建，現在不知道建好沒，但是肯定的是，從我的家鄉中國東北平原，通往北京地區肯定是有輸油管道的。我父母上班的的公司，就是為輸油管道提供管子的。然后他又問我，那管子怎么做的，是不是也是像我們公司某分廠那樣，用離心鑄造法做出來的。我又猶豫了一下，說那個不太清楚，我父母上班的這個工廠是做抽油桿抽油泵的，管道是在別的下屬工廠做的。他說原來如此。

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& B9 Q, |, R- j  H$ ]! @8 b4 h短短幾句話，我說話的時候稍微擴展了一點，結果他提問的時候我就答不出來，我挺不好意思的。不過他提問的時候是給我留面子的，所以我不會很窘迫。這些話的背景是這樣的。在我讀高中的時候，我父親曾經跟我說過一句話，“輸油管道里的油，流到一定距離就流不動了”，這句話到現在居然還有印象，至于具體原理，是我讀大學學過流體力學之后才理解的。而俄羅斯到中國的管道，以前看新聞說是要修，有三條備選線路，有沒有修好我沒有確認過。我父母的工作單位，是東北輸油管理局下轄的鐵嶺八三機械廠，那時候廠里的產品主要是抽油桿和抽油泵，我父親曾做過機加工藝設計的工作，所以我在機械方面也受到熏陶。我的童年是在工廠的家屬院兒里度過的，懷念小時候和工廠子弟一起玩耍的日子，作為輸油系統的子弟，感謝公司對我們的照顧。至于輸油管道的制造，不在鐵嶺這個廠，而是在另一個下轄的遼陽鋼管廠進行制造，我父母有同事調動去到那里工作。我后來才想起來，我聽父母同事說過，輸油管道是用卷板機將鋼板卷成螺旋狀然后用自動焊機進行焊接成管道的。這次跟同事聊天的時候，我居然沒想起來，有點遺憾。

Summary
$ A; `8 X, W. i9 n- N" v跟同事的談話就是上面這樣。
這里面有兩個點值得注意。
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一個是，搜集信息的能力。他最初是不會這個流體計算的，但是他遇到這個問題沒有躲避，而是能夠到網上去找資料，并且找到正確的公式進行計算，這是一種搜集信息的能力。我問他有沒有找外協單位計算，他說找過但是人家不太愿意算，所以他不得不自己搜索信息進行計算。通過這次計算，他有增長了自己的知識點，這是他努力的收獲。

一個是，討論問題的方式。在這次討論的過程中，一開始雙方都沒有頭緒，經過相互的提供信息，注意到問題點，然后搜集相關信息，對關鍵點進行確認，最終找到了問題所在，這可以說是一次成功的討論。在討論的過程中，每一方不會“因為自己獨占某信息所以炫耀自己從而降低對方”，也不會“因為對方有錯誤而嘲諷從而使對方面子受損”，而是，兩者向著目標去進行談論，即使提供信息時岔開了話題也能及時收回來，這樣才能在平和的氣氛中，集思廣益，得到合適的結果，這樣才會發揮出團隊的效應。

以上。

（4月13日發帖時題目中數據有誤，已修改，感謝網友指正）

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平實生活

回復子子兄
: F: A5 m* d$ K6 }6 {/ G剛看了另一位朋友關于搞一段管理后是否要轉回技術的帖子，接著就看到老兄的帖子。
我就有一種假設。
目前的自己一直都搞技術，雖然中間有兩三年管理經驗，但是也不是大家理解的那種管理。更像技術指導一些。
: g* O* ~: H0 l' q接下來的新工作可以說就面臨脫離技術的場面，老實說，將來干幾年管理后，再看到子子兄那樣的計算問題，我可能就不考慮自己計算，而是拜托技術人員或者外協的廠商啦。
理由有兩個
; H/ t& n* W, n- B  Y6 _" w  t第一，技術是嚴謹的，更是與時俱進的，你脫離了第一線，掌握的信息就滯后。拿經驗判斷問題最多是參考，一定不要主觀的自以為是。
% {$ g7 l) P1 m第二，技術是和實踐相結合的。
$ M3 C% _  n$ ^1 ?( E" H在技術崗時，你的下游部門是解析，實驗，試作。
" c1 w6 Q  \- N' [* V通過他們的反饋來修改你的計算，再驗證，再修改的過程才能保證量產的穩定。
* H' K; u2 \9 G5 m) m1 d而管理崗就不單是關注技術研發部門，更要考慮銷售，采購，人員考核與管理，客戶跟蹤服務，外協廠商聯絡等更宏觀的視野。
人的精力有限，時間也有限。了解自己的職責范圍非常重要。
3 a. a) O( {- d3 P# @8 l+ r, m% B也許，有一天我還會回到技術崗位，也許，那時候我頭腦已經跟不上節奏。但是，對于任何未來首先不要恐懼，而是冷靜。自己不行的地方，就虛心請教。就像子子兄文中提到的那個同事那樣就很值得欽佩。
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, a3 O. W; o4 @6 Z6 _" b1 T0 f0 y最后，借著子子兄的帖子，祝愿在一線的工程師朋友都能嚴謹認真的干好研發。也祝愿像自己一樣即將挑戰新領域的朋友能不急不躁，穩扎穩打，在新領域也能開花結果。

曉昀

計算過程思路很清晰，論證嚴謹，每一步都有依據可查！值得我們做技術，做工程的人學習。膜拜！

曉昀

平實生活 發表于 2020-4-14 05:58
回復子子兄
( Q! ]; S5 G- u2 \剛看了另一位朋友關于搞一段管理后是否要轉回技術的帖子，接著就看到老兄的帖子。
  p* ~: `* x7 p. r* c# |% [0 k1 l我就有一種 ...

( M9 q- ^+ I/ i, T( @技術管理和運行管理的工作側重點會有很大不同。技術管理還是沒有離開技術，只是高屋建瓴，統籌項目技術全局。
" Y5 c! U* ^9 S8 B+ C& V; K; `* f
( r4 I; E8 G8 |; G; B0 s運營管理則是更重要的是著眼于公司運營中的執行力，市場，資金，人力的管理與統籌，下一個層次是部門之間的工作任務落實的角度與統籌。
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童子智少

學機械知識面還是要廣啊

魍者歸來

剛剛算了一下，發現和大俠算出的數據有出入，晚上在仔細計算一下看看。

9 N& v" I4 g# g( Y; }2 }- F+ o/ C* J: A8 e另外，有個請求，大俠的這個案例可以授權給我用到出版類的書籍上嗎？

知行ggw2010

長知識，看到了自己的不足

a2336128

樓主之前的帖子都看了 學到了很多 不管從人際還是專業知識
0 |7 `2 ~9 E, [* w  q) j這篇帖子很有用，于是做了一個可以自動計算的表格，拿樓主的參數驗證，發現流速不對 流量除以截面是流速，
流量是6000cc/min，配管內徑是40mm，截面積是1256.637平方毫米，流速為0.286m/s  
, s: c4 ?4 v& ?5 r. A% o4 K是我理解錯了嗎？望樓主 或者社友意見
如有冒犯 請見諒

那一抹星空

學習了，謝謝

子子61961

魍者歸來 發表于 2020-4-14 10:58
剛剛算了一下，發現和大俠算出的數據有出入，晚上在仔細計算一下看看。
1 u( X. `9 l! }& v
# I! e, L; `- U3 @4 H另外，有個請求，大俠的這個案例 ...

! ?& E( F& b* y我原本的打算是，你可以轉載，但是數據你要自己重新設定一套。
8 t! |- i$ d' H6 @因為計算方法是人類共有的東西，但是數據是我自己努力編出來的。
4 h9 U+ _1 y$ [7 |9 a! |
/ _& d' J% M, I$ X0 p9 w) T后來經

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網友指正，促使我重新確認了一下，發現我的數據代入有誤。
我估計你算的是對的。鑒于你的認真，這題目你可以拿去使用。
謹祝商祺。