流体在两支管组成的并联管路进行湍流流动,各直管的长度和摩擦系数相等,管径比为1:2,则两支管的阻力损失之比为(),流量之比为()。A. 1:1:4B. 1:1:4sqrt(2)C. 1:1:2D. 1:1:8
A. $1:1:4$
B. $1:1:4\sqrt{2}$
C. $1:1:2$
D. $1:1:8$
题目解答
答案
解析
本题考查并联管路中流体流动的阻力损失和流量的计算,解题思路是先根据并联管路的特点得出阻力损失关系,再结合湍流时摩擦系数与雷诺数的关系以及流量公式计算流量之比。
1. 计算两支管的阻力损失之比
在并联管路中,各支管的阻力损失相等,即$h_{f1}=h_{f2}$。
根据范宁公式$h_{f}=\lambda\frac{l}{d}\frac{u^{2}}{2g}$(其中$h_{f}$为阻力损失,$\lambda$为摩擦系数,$l$为管长,$d$为管径,$u$为流速,$g$为重力加速度),对于本题有$h_{f1}=\lambda_1\frac{l_1}{d_1}\frac{u_1^{2}}{2g}$,$h_{f2}=\lambda_2\frac{l_2}{d_2}\frac{u_2^{2}}{2g}$。
已知各直管的长度和摩擦系数相等,即$l_1 = l_2$,$\lambda_1 = \lambda_2$,且$h_{f1}=h_{f2}$,那么可得$\frac{l_1}{d_1}\frac{u_1^{2}}{2g}=\frac{l_2}{d_2}\frac{u_2^{2}}{2g}$,化简后得到$\frac{u_1^{2}}{d_1}=\frac{u_2^{2}}{d_2}$。
设$d_1 = d$,则$d_2 = 2d$,代入上式可得$\frac{u_1^{2}}{d}=\frac{u_2^{2}}{2d}$,进一步得到$u_2^{2}=2u_1^{2}$,即$u_2=\sqrt{2}u_1$。
因为$h_{f1}=h_{f2}$,所以两支管的阻力损失之比$\frac{h_{f1}}{h_{f2}} = 1:1$。
2. 计算两支管的流量之比
根据流量公式$V = uA$(其中$V$为流量,$u$为流速,$A$为管道横截面积),且$A=\frac{\pi}{4}d^{2}$,则$V_1 = u_1A_1 = u_1\frac{\pi}{4}d_1^{2}$,$V_2 = u_2A_2 = u_2\frac{\pi}{4}d_2^{2}$。
将$d_1 = d$,$d_2 = 2d$,$u_2=\sqrt{2}u_1$代入可得:
$\frac{V_1}{V_2}=\frac{u_1\frac{\pi}{4}d_1^{2}}{u_2\frac{\pi}{4}d_2^{2}}=\frac{u_1d^{2}}{\sqrt{2}u_1(2d)^{2}}=\frac{d^{2}}{\sqrt{2}\times4d^{2}}=\frac{1}{4\sqrt{2}}$,即$V_1:V_2 = 1:4\sqrt{2}$。