一種流體管路最小可行能量需求的測算方法
【專利摘要】一種流體管路最小可行能量需求的測算方法，包括以下步驟：1)從流體輸送的起點(diǎn)到終點(diǎn)之間，根據(jù)是否存在蓄能點(diǎn)、流道突變點(diǎn)劃分出關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其與流體管路的起點(diǎn)和終點(diǎn)一起，構(gòu)成一組從起點(diǎn)1到終點(diǎn)n的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)標(biāo)志序列[1，2，…，n]；2)在步驟1)所確定的[2:n]之間的相鄰節(jié)點(diǎn)間采用能量守恒方程、確定相鄰節(jié)點(diǎn)的機(jī)械能狀態(tài)之間的關(guān)系；3)在節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2之間，應(yīng)用能量守恒方程，確定完成規(guī)定輸送量要求時(shí)的最小可行外加能量需求；4)由步驟2)、步驟3)所給出的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的機(jī)械能狀態(tài)之間的關(guān)系，確定管路在完成規(guī)定輸送量要求時(shí)的最小可行能量需求。本發(fā)明有效測算最小能量消耗需求、有效降低輸送能耗。
【專利說明】一種流體管路最小可行能量需求的測算方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及流體力學(xué)領(lǐng)域，尤其是一種流體管路最小可行能量需求的測算方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在生產(chǎn)、生活的各類應(yīng)用場合中，往往都涉及流體的輸送或者增壓。為了輸送流 體，必須使用各種流體輸送機(jī)械向流體提供機(jī)械能。流體輸送作為最基本的過程單元操作、 量大面廣，需要消耗大量的能量。因此，降低流體輸送的能量消耗，是節(jié)能減排的重點(diǎn)關(guān)注 領(lǐng)域之一，流體輸送能耗水平的高低對整個(gè)系統(tǒng)的能耗和經(jīng)濟(jì)性有重要影響。
[0003] 輸送流體所消耗的能量，一部分用于提高流體的機(jī)械能狀態(tài)、以滿足生產(chǎn)、使用需 要，另一部分則用于克服流體管路中的流動(dòng)阻力損失。流體輸送所需的能量需求一般通過 在流體輸送的起點(diǎn)和終點(diǎn)二者之間應(yīng)用柏努利方程（機(jī)械能守恒方程）來獲得管路特性方 程，管路特性方程描述了管路中流體的流量與所需外加能量的關(guān)系。
[0004] 管路特性方程給出了完成規(guī)定的流體輸送量所需要的外界補(bǔ)充給流體的能量需 求，是流體機(jī)械選型和設(shè)計(jì)的依據(jù)。根據(jù)流體輸送的起點(diǎn)和終點(diǎn)來確定管路特性方程，由管 路特性方程得出流體管路所需的能量需求，所設(shè)計(jì)出來的系統(tǒng)往往存在"過高估計(jì)能量需 求"而導(dǎo)致流體機(jī)械"大馬拉小車"，或者"局部設(shè)計(jì)不可行"而導(dǎo)致整體設(shè)計(jì)不經(jīng)濟(jì)的情況。 特別是在目前節(jié)能減排、低碳發(fā)展模式下，傳統(tǒng)方法的弊端越發(fā)凸顯，帶來不必要的流體輸 送能耗。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服已有根據(jù)流體管路的起點(diǎn)狀態(tài)和終點(diǎn)狀態(tài)來確定流體管路能量需求的 方法的無法得到最小可行能量需求、輸送能耗較大的不足，本發(fā)明提供一種根據(jù)管路的實(shí) 際情況確定流體輸送實(shí)際可能達(dá)到的最小能量消耗需求、有效降低輸送能耗的流體管路最 小可行能量需求的測算方法。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種流體管路最小可行能量需求的測算方法，所述測算方法包括以下步驟：
[0008] 1)確定關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)
[0009] 在整個(gè)流體管路中，從流體輸送的起點(diǎn)到終點(diǎn)之間，根據(jù)是否存在蓄能點(diǎn)、流道突 變點(diǎn)劃分出關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，所述關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)與流體管路的起點(diǎn)和終點(diǎn)一起，構(gòu)成一組從起點(diǎn)1到 終點(diǎn)η的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)標(biāo)志序列[1,2,…，η];
[0010] 所述蓄能點(diǎn)是指流體的位能-壓能-動(dòng)能發(fā)生轉(zhuǎn)換的位置，所述流道突變是指由 于流道急劇變化導(dǎo)致消耗機(jī)械能的位置；
[0011] 2)在步驟1)所確定的[2:η]之間的相鄰節(jié)點(diǎn)間采用能量守恒方程、確定相鄰節(jié)點(diǎn) 的機(jī)械能狀態(tài)之間的關(guān)系，參照公式（1)-公式（4):
[0012] Ei = Ei+1+AEi_i+1 (1)

【權(quán)利要求】
1. 一種流體管路最小可行能量需求的測算方法，其特征在于：所述測算方法包括以下 步驟： 1) 確定關(guān)鍵節(jié)點(diǎn) 在整個(gè)流體管路中，從流體輸送的起點(diǎn)到終點(diǎn)之間，根據(jù)是否存在蓄能點(diǎn)、流道突變點(diǎn) 劃分出關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，所述關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)與流體管路的起點(diǎn)和終點(diǎn)一起，構(gòu)成一組從起點(diǎn)1到終點(diǎn)η 的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)標(biāo)志序列[1，2，···，]!]; 所述蓄能點(diǎn)是指流體的位能-壓能-動(dòng)能發(fā)生轉(zhuǎn)換的位置，所述流道突變是指由于流 道急劇變化導(dǎo)致消耗機(jī)械能的位置； 2) 在步驟1)所確定的[2:η]之間的相鄰節(jié)點(diǎn)間采用能量守恒方程、確定相鄰節(jié)點(diǎn)的機(jī) 械能狀態(tài)之間的關(guān)系，參照公式（1)-公式（4):
上式中：ΕρEi+1分別為節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)i+Ι處單位重量流體的機(jī)械能，包括流體的壓能、 位能、動(dòng)能三部分，單位：m;ΔEi _i+1為單位重量流體從管路的節(jié)點(diǎn)i流到節(jié)點(diǎn)i+Ι所克服 的流動(dòng)阻力損失，單位：m;p為流體的壓強(qiáng)，單位：Pa;z為流體的垂直高度，單位：m;u為流 體的平均流速，單位：m/s;下標(biāo)i、i+l分別對應(yīng)節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)i+1處；λ、ξ分別為摩擦系 數(shù)、局部阻力損失系數(shù)；1為管路長度，單位：m;d為管路內(nèi)徑，單位：m;g為重力加速度，單 位N/kg;P為流體平均密度，單位kg/m3 ; 3) 、在節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2之間，應(yīng)用能量守恒方程，確定完成規(guī)定輸送量要求時(shí)的最小可 行外加能量需求H，參照公式（5): E1+!! =E2+AE1 ^ 2
上式（5)中=E1A2分別為節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2處單位重量流體的機(jī)械能，包括流體的壓能、 位能、動(dòng)能三部分，單位：m;H為需要外界向單位重量流體提供的最小可行能量，單位：m; ΛE1 ^為單位重量流體從管路的節(jié)點(diǎn)1流到節(jié)點(diǎn)2所克服的流動(dòng)阻力損失，單位：m; 4) 、由步驟2)、步驟3)所給出的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的機(jī)械能狀態(tài)之間的關(guān)系，確定管路在完成 規(guī)定輸送量要求時(shí)的最小可行能量需求，如公式（6)所示： En -Elri -En_2 -…一E2 -E1,H(6) EdH、E2、E3、…、En_i、En分別對應(yīng)于關(guān)鍵位置節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3、…、節(jié)點(diǎn)η-I、節(jié) 點(diǎn)η處的最小可行能量需求狀態(tài)。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種流體管路最小可行能量需求的測算方法，其特征在于：所 述測算方法還包括以下步驟： 5)確定節(jié)能潛力 將所述步驟4)得到的管路在完成規(guī)定輸送量要求時(shí)的最小可行外加能量需求與管路 的實(shí)際外加能量需求進(jìn)行對比，即公式（5)中的H，確定流體管路總的節(jié)能潛力， 參照公式（7): Ti遺潛力=H實(shí)際-H最小可行 (7) 將所述步驟2)、步驟3)中的單位重量流體在管路的相鄰節(jié)點(diǎn)間所克服的流動(dòng)阻力損 失ΔΕ最小可行，i-i+1與管路的實(shí)際損失ΛΕ實(shí)際，i-i+1相比，ΛΕ最小可行，i-i+1包括公式⑷中的 AEiii+1以及公式（5)中的AEp2,確定節(jié)能潛力隨空間的分布情況，快速確定耗能的薄弱 環(huán)節(jié)，參照公式（8) : i-i+Ι管段的節(jié)能潛力=(8) 并且，各管段的節(jié)能潛力之和等于公式（7)所獲得的流體管路總的節(jié)能潛力。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的一種流體管路最小可行能量需求的測算方法，其特征在于： 在所述步驟2)、步驟3)中，單位重量流體在管路的相鄰節(jié)點(diǎn)間所克服的流動(dòng)阻力損失的計(jì) 算基于管路的實(shí)際情況，對應(yīng)地所求出的流體管路的能量需求為完成流體輸送實(shí)際可能達(dá) 到的最小可行能量消耗需求，摩擦系數(shù)λ、局部阻力損失系數(shù)ξ、管路長度1、管路內(nèi)徑d均 基于管路的實(shí)際結(jié)構(gòu)、尺寸、流動(dòng)狀態(tài)、輸送量等，局部阻力損失系數(shù)選用最小可能值。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的一種流體管路最小可行能量需求的測算方法，其特征在于： 所述的步驟1)中，所述的位能-壓能-動(dòng)能發(fā)生轉(zhuǎn)換是指在流體總的機(jī)械能組成中，位能、 壓能、動(dòng)能這三部分分量的比例關(guān)系發(fā)生變化的情況；所述急劇變化是指流道的突然改變 導(dǎo)致流動(dòng)邊界層分離、產(chǎn)生的漩渦消耗機(jī)械能的情況，所述突然改變是指流道方向變化或 者流道截面大小變化。
【文檔編號】G06F19/00GK104462777SQ201410641873
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月13日
【發(fā)明者】蔣寧 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)