风道压力分布课件

第二章第二章 空气流动基本原理空气流动基本原理 主要研究空气流动过程中主要研究空气流动过程中宏观力学参数的变化规律宏观力学参数的变化规律以及以及能能量的转换关系量的转换关系。内容：内容：风流压力、风流流动方程、通风阻力、通风网络中风流的风流压力、风流流动方程、通风阻力、通风网络中风流的基本定律、简单通风网络特性、自然通风原理、风道压力分布、基本定律、简单通风网络特性、自然通风原理、风道压力分布、局部通风进出口风流运动规律、置换通风原理等内容。局部通风进出口风流运动规律、置换通风原理等内容。本章学习目标本章学习目标1.掌握风道流动的空气静压、位压、动压、全压的概念掌握风道流动的空气静压、位压、动压、全压的概念及其相应关系及其相应关系2.掌握空气流动的连续性方程和能量方程掌握空气流动的连续性方程和能量方程3.掌握紊流状态下的摩擦阻力、局部阻力的计算掌握紊流状态下的摩擦阻力、局部阻力的计算4.了解风流流态与风道断面的风速分布了解风流流态与风道断面的风速分布5.掌握通风网络中风流的基本定律和简单通风网路特性掌握通风网络中风流的基本定律和简单通风网路特性6.掌握自然风压的计算方法掌握自然风压的计算方法7.了解风道通风压力分布了解风道通风压力分布8.了解吸入口与吹出口气流运动规律了解吸入口与吹出口气流运动规律9.掌握均匀送风与置换通风方式的原理掌握均匀送风与置换通风方式的原理第一节第一节 风流压力风流压力 风流压力：风流压力：单位体积空气所具有的能够对外做功的机械能单位体积空气所具有的能够对外做功的机械能。一、静压一、静压 1.1.概念概念 由分子热运动产生的分子动能的一部分转化的能够对外做功由分子热运动产生的分子动能的一部分转化的能够对外做功的机械能叫静压能，用的机械能叫静压能，用E Ep p表示（表示（J/mJ/m3 3）。）。当空气分子撞击到器壁上时就有了力的效应，这种单位面积当空气分子撞击到器壁上时就有了力的效应，这种单位面积上力的效应称为静压力，简称静压，用上力的效应称为静压力，简称静压，用p p表示（表示（N/mN/m2 2，即，即PaPa）工业通风中，静压即工业通风中，静压即单位面积上受到的垂直作用力单位面积上受到的垂直作用力。2.2.特点特点 （1 1）无论静止的空气还是流动的）无论静止的空气还是流动的空气都具有静压力空气都具有静压力。（2 2）风流中任一点的静压）风流中任一点的静压各向同值各向同值，且垂直作用面。，且垂直作用面。（3 3）风流静压的大小（可用仪表测量）反映了单位体积风）风流静压的大小（可用仪表测量）反映了单位体积风流所具有的能够对外做功的静压能的多少。流所具有的能够对外做功的静压能的多少。3.3.表示方法表示方法 （1 1）绝对静压绝对静压：以真空为测算零点（比较基准）而测得的：以真空为测算零点（比较基准）而测得的压力，用压力，用p p表示。表示。（2 2）相对静压相对静压：以当地当时同标高的大气压力为测算基准：以当地当时同标高的大气压力为测算基准（零点）而测得的压力，即表压力，用（零点）而测得的压力，即表压力，用h h表示。表示。P0BAPAPPBPAPBhA(+)hB(-)真空(0)图图2-1-1 2-1-1 绝对静压、相对静压和大气压绝对静压、相对静压和大气压之间的关系之间的关系 风流的绝对静压（风流的绝对静压（p p）、相对静压（）、相对静压（h h）和与其对应的大气压）和与其对应的大气压（p p0 0）三者之间的关系三者之间的关系（见图（见图2-1-12-1-1）：）：h=p-ph=p-p0 0二、动压二、动压 1.1.概念概念 当空气流动时，除位压和静压外，还有空气定向运动的动能，当空气流动时，除位压和静压外，还有空气定向运动的动能，用用E Ev v表示，表示，J/mJ/m3 3；其；其单位体积风流的动能所转化显现的压力单位体积风流的动能所转化显现的压力叫叫动压或称速压，用动压或称速压，用h hv v表示，单位表示，单位PaPa。2.2.计算计算 设某点的空气密度为设某点的空气密度为i i（kg/mkg/m3 3），其定向运动的流速即风），其定向运动的流速即风速为速为 i i（m/sm/s），则单位体积空气所具有的动能为：），则单位体积空气所具有的动能为：，J/mJ/m3 3 E Evivi对外所呈现的动压对外所呈现的动压 ，PaPa221iivivE221iivivh 3.3.特点特点 （1 1）只有做定向流动的空气才具有动压，因此动压具有）只有做定向流动的空气才具有动压，因此动压具有方方向性向性。（2 2）动压）动压总大于零总大于零。当作用面与流动方向有夹角时，其感。当作用面与流动方向有夹角时，其感受到的动压值将小于动压真值。故在测量动压时，应使感压孔受到的动压值将小于动压真值。故在测量动压时，应使感压孔垂直于运动方向。垂直于运动方向。（3 3）在）在同一流动断面同一流动断面上，由于风速分布的不均匀性，各点上，由于风速分布的不均匀性，各点的风速不相等，所以其的风速不相等，所以其动压值不等动压值不等。（4 4）某断面动压即为该断面）某断面动压即为该断面平均风速平均风速计算值。计算值。三、位压三、位压 1.1.概念概念 单位体积风流单位体积风流对于某基准面对于某基准面而具有的位能，称为位压，用而具有的位能，称为位压，用h hz z表示。表示。物体在地球重力场中因地球引力的作用，由于位置的不同而物体在地球重力场中因地球引力的作用，由于位置的不同而具有的一种能量，叫重力位能，简称位能，用具有的一种能量，叫重力位能，简称位能，用E Ep0p0表示。表示。E Ep0p0=MgZ,J=MgZ,JabPiZ122211图图2-1-2 2-1-2 位压计算图位压计算图 2.2.计算计算 在图在图2-1-22-1-2所示的井筒中，求所示的井筒中，求1-11-1、2-22-2两断面之间的位压，两断面之间的位压，取取2-22-2点为基准面（点为基准面（2-22-2断面的位能为零）。按下式计算断面的位能为零）。按下式计算1-11-1、2-22-2断面间位压：断面间位压：,J/m,J/m3 3 此式是位压的数学定义式。即两断面间的位压的数值就等于此式是位压的数学定义式。即两断面间的位压的数值就等于两断面间单位面积上的空气柱重量两断面间单位面积上的空气柱重量的数值。的数值。21012iipzgdZEh 3.3.位压与静压的关系位压与静压的关系 当空气静止时（当空气静止时（v=0v=0），如图），如图2-1-22-1-2的系统。由空气静力学可的系统。由空气静力学可知，各断面的机械能相等。设知，各断面的机械能相等。设2-22-2断面为基准面，断面为基准面，1-11-1断面总机械能断面总机械能 E E1 1=E=Ep01p01+p+p1 1 2-2 2-2断面总机械能断面总机械能 E E2 2=E=Ep02p02+p+p2 2 由由E E1 1=E=E2 2得：得：E Ep01p01+p+p1 1=E=Ep02p02+p+p2 2 由于由于E Ep02p02=0=0（以（以2-22-2断面为基准面），断面为基准面），E Ep01p01=1212gZgZ1212，又得，又得p p2 2=E=Ep01p01+p+p1 1=1212gZgZ1212+p+p1 1 此即空气静止时，位压与静压之间的关系。此即空气静止时，位压与静压之间的关系。4.4.位压的特点位压的特点 （1 1）位压是相对某一基准面具有的能量，它随所选基准面）位压是相对某一基准面具有的能量，它随所选基准面的变化而变化。的变化而变化。（2 2）位压是一种潜在的能量，）位压是一种潜在的能量，不能不能像静压那样用仪表进行像静压那样用仪表进行直接测量直接测量。（3 3）位压和静压）位压和静压可以相互转化可以相互转化，当空气由标高高的断面流，当空气由标高高的断面流至标高低的断面时，位压转化为静压；反之，当空气由标高低至标高低的断面时，位压转化为静压；反之，当空气由标高低的断面流至标高高的断面时，静压转化为位压。的断面流至标高高的断面时，静压转化为位压。四、风流的全压和机械能四、风流的全压和机械能 1.1.风流的全压风流的全压 风流中某一点的风流中某一点的动压和静压之和动压和静压之和称为全压。称为全压。全压也分为绝对全压（全压也分为绝对全压（p pt t）和相对全压（）和相对全压（h ht t）。）。在风流中某点在风流中某点i i的绝对全压均可用下式表示的绝对全压均可用下式表示 p ptiti=p=pi i+h+hvivi式中式中 p ptiti风流中风流中i i点的绝对全压，点的绝对全压，PaPa；p pi i风流中风流中i i点的绝对静压，点的绝对静压，PaPa；h hvivi风流中风流中i i点的动压，点的动压，PaPa。由上式可知，风流中的任一点的绝对全压由上式可知，风流中的任一点的绝对全压恒大于恒大于绝对静压；绝对静压；相对全压有正负之分，与通风方式有关。相对全压有正负之分，与通风方式有关。2.2.单位体积风流的机械能单位体积风流的机械能 根据能量的概念，单位体积风流的根据能量的概念，单位体积风流的机械能为机械能为单位体积风流的单位体积风流的静压能、动能、位能之和静压能、动能、位能之和，因此，从数值上来说，单位体积风，因此，从数值上来说，单位体积风流的机械能流的机械能E E等于静压、动压和位压之和，或等于全压和位压等于静压、动压和位压之和，或等于全压和位压之和，即之和，即 E=pE=pi i+h+hvivi+h+hZ Z或或 E=pE=ptiti+h+hZ Z第二节第二节 风流流动基本方程风流流动基本方程 包括风流流动的包括风流流动的连续性连续性方程和方程和能量能量方程。方程。本节主要介绍工业通风中空气流动的压力和能量变化规律，本节主要介绍工业通风中空气流动的压力和能量变化规律，导出风道风流流动的连续性方程和能量方程。导出风道风流流动的连续性方程和能量方程。一、风流流动连续性方程一、风流流动连续性方程 风流在风道中的流动可以看作是风流在风道中的流动可以看作是稳定流稳定流（流动参数不随时间（流动参数不随时间变化的流动）。变化的流动）。质量守恒定律质量守恒定律 当空气从风道的当空气从风道的1 1断面流向断面流向2 2断面，且做定常流动时（即在流断面，且做定常流动时（即在流动过程中不漏风又无补给），则两个过流断面的空气质量流量动过程中不漏风又无补给），则两个过流断面的空气质量流量相等，即相等，即 1 1 1 1S S1 1=2 2 2 2S S2 2 任一过流断面的质量流量为任一过流断面的质量流量为M Mi i（kg/skg/s），则），则 M Mi i=const=const这就是空气流动的连续性方程，适用于这就是空气流动的连续性方程，适用于可压缩和不可压缩可压缩和不可压缩流体。流体。（1 1）可压缩可压缩流体流体 当当S S1 1=S=S2 2时，空气的密度与其流速成时，空气的密度与其流速成反比反比。（2 2）不可压缩不可压缩流体（密度为常数）流体（密度为常数）其通过任一断面的体积流量其通过任一断面的体积流量Q Q（m m3 3/s/s）相等，即）相等，即 Q=Q=i iS Si i=const=const 风道断面上风流的平均流速与过流断面的面积成风道断面上风流的平均流速与过流断面的面积成反比反比。二、风流流动能量方程二、风流流动能量方程 风流在图风流在图2-2-12-2-1所示的风道中由所示的风道中由1 1断面流至断面流至2 2断面，其间无其断面，其间无其他动力源。设他动力源。设1kg1kg空气克服流动阻力消耗的能量为空气克服流动阻力消耗的能量为L LR R(J/kg(J/kg），），周围介质传递给空气的热量为周围介质传递给空气的热量为q q（J/kgJ/kg）；设）；设1 1、2 2断面的参数断面的参数分别为风流的绝对静压分别为风流的绝对静压p p1 1、p p2 2（PaPa），风流的平均流速），风流的平均流速 1 1、2 2（m/sm/s）；风流的内能）；风流的内能u u1 1、u u2 2（J/kgJ/kg）；风流的密度）；风流的密度1 1、2 2（kg/mkg/m3 3）；距基准面的高度）；距基准面的高度Z Z1 1、Z Z2 2（m m）。）。图图2-2-1 2-2-1 倾斜风道示意图倾斜风道示意图0021Z1Z2 在在1 1断面下，断面下，1kg1kg空气具有的能量为空气具有的能量为 到达到达2 2断面时的能量为断面时的能量为 根据能量守恒定律，根据能量守恒定律，式中式中 q qR R 风流克服通风阻力消耗的能量后所转化的热风流克服通风阻力消耗的能量后所转化的热 能，能，J/kgJ/kg。1121112ugZvp2222222ugZvpRRLugZvpqqugZvp22222211211122 根据热力学第一定律，传给空气的热量（根据热力学第一定律，传给空气的热量（q qR R+q+q），一部分用），一部分用于增加空气的内能，一部分使空气膨胀对外做功，即于增加空气的内能，一部分使空气膨胀对外做功，即式中，式中，vv空气的比体积，空气的比体积，m m3 3/kg/kg。又因为：又因为：将上两式代入前面的公式，并整理可得将上两式代入前面的公式，并整理可得 ,J/kg,J/kg 此即此即单位质量可压缩空气单位质量可压缩空气在无其他动力源的风道中流动时在无其他动力源的风道中流动时能能量方程的一般形式量方程的一般形式。2112vpduuqqR21212111221122)(dpvvpdvpdvpvppp)(2221222112ZZgvvdpvLR 进一步可求得：进一步可求得：，J/kgJ/kg此即此即单位质量可压缩空气单位质量可压缩空气在无其他动力源的风道中流动时的在无其他动力源的风道中流动时的能能量方程量方程。同理，如有其他动力源并产生风压同理，如有其他动力源并产生风压L Lt t，则单位质量可压缩空，则单位质量可压缩空气能量方程为：气能量方程为：，J/kgJ/kg)(2221222121ZZgvvppLmRtmRLZZgvvppL)(2221222121 设设1m1m3 3空气流动过程中的能量损失为空气流动过程中的能量损失为h hR R（PaPa），则由体积和质），则由体积和质量的关系，其值为量的关系，其值为1kg1kg空气流动过程中的能量损失（空气流动过程中的能量损失（L LR R）乘以按）乘以按流动过程状态考虑计算的空气密度流动过程状态考虑计算的空气密度m m ，即，即 h hR R=L=LR Rm m将上式代入前面的式子，可得将上式代入前面的式子，可得，J/mJ/m3 3。单位体积可压缩空气的能量方程（无其他动力源）。单位体积可压缩空气的能量方程（无其他动力源）,J/m,J/m3 3。单位体积可压缩空气的能量方程（。单位体积可压缩空气的能量方程（有其他动力源有其他动力源）)(2221222121ZZgvvpphmmRtmmRHZZgvvpph)(2221222121式中，式中，p p1 1-p-p2 2 静压差；静压差；g gm m(Z(Z1 1-Z-Z2 2)或或 为为1 1、2 2断面的位压差；断面的位压差；是是1 1、2 2断面的速压差。断面的速压差。上式的物理意义为：上式的物理意义为：1m1m3 3空气在流动过程中的能量损失等于空气在流动过程中的能量损失等于两断面间的两断面间的机械能差机械能差。)(2221222121ZZgvvpphmmR12gdZmvv222221三、使用单位体积流体能量方程的注意事项三、使用单位体积流体能量方程的注意事项 1.1.由于风道断面上风速分布的不均匀性和测量误差，从严格由于风道断面上风速分布的不均匀性和测量误差，从严格意义上讲，用实际测得的断面平均风速计算出来的断面总动能意义上讲，用实际测得的断面平均风速计算出来的断面总动能和断面实际总动能是不等的。实际测得的断面平均风速计算出和断面实际总动能是不等的。实际测得的断面平均风速计算出来的断面总动能应来的断面总动能应乘以动能系数乘以动能系数加以修正。加以修正。动能系数动能系数K Kv v是断面实际总动能与用实际测得的断面平均风速是断面实际总动能与用实际测得的断面平均风速计算出来的总动能的比值，计算式为：计算出来的总动能的比值，计算式为：式中，式中，v vl l为断面为断面S S上微小面积上微小面积dSdS的风速。的风速。K Kv v值一般为值一般为1.021.021.11.1。在实际工业通风应用中，。在实际工业通风应用中，可取可取K Kv v=1=1。SvdSvvSvdSvvKSlSllv33222121 2.2.在工业通风中，一般其动能差较小，式中在工业通风中，一般其动能差较小，式中m m可分别用各可分别用各自断面上的密度来代替，以计算其动能差。自断面上的密度来代替，以计算其动能差。3.3.风流流动必须是风流流动必须是稳定流稳定流，即断面上的参数不随时间的变化，即断面上的参数不随时间的变化而变化，所研究的始、末断面要选在缓变流场上。而变化，所研究的始、末断面要选在缓变流场上。4.4.风流总是从总能量（机械能）大的地方流向总能量小的地风流总是从总能量（机械能）大的地方流向总能量小的地方。在判断方。在判断风流方向风流方向时，应用始、末两断面上的总能量来进行。时，应用始、末两断面上的总能量来进行。5.5.在始、末断面有在始、末断面有压源压源时，压源的作用方向与风流的方向一时，压源的作用方向与风流的方向一致，压源为正，说明压源对风流做功；反之，则为通风阻力。致，压源为正，说明压源对风流做功；反之，则为通风阻力。6.6.单位质量或单位体积流量的能量方程只适用于单位质量或单位体积流量的能量方程只适用于1 1、2 2断面间断面间流量不变流量不变的条件，对于流动过程中有流量变化的情况，应按总的条件，对于流动过程中有流量变化的情况，应按总能量的守恒定律列方程。能量的守恒定律列方程。第三节第三节 通风阻力通风阻力 通风阻力是当空气沿风道运动时，由于风流的黏滞性和惯性通风阻力是当空气沿风道运动时，由于风流的黏滞性和惯性以及风道壁面等对风流的阻滞、扰动作用而形成的，它是造成以及风道壁面等对风流的阻滞、扰动作用而形成的，它是造成风流能量损失的原因。风流能量损失的原因。通风阻力包括通风阻力包括摩擦阻力（沿程阻力）摩擦阻力（沿程阻力）和和局部阻力局部阻力。一、风流流态与风道断面风速分布一、风流流态与风道断面风速分布 1.1.管道风流流态管道风流流态 层流层流：在流速较低时，流体质点互不混杂，沿着与管轴方向：在流速较低时，流体质点互不混杂，沿着与管轴方向平行的方向做层状运动，称为层流（或滞流）。平行的方向做层状运动，称为层流（或滞流）。紊流紊流：在流速较大时，流体质点的运动速度在大小和方向上：在流速较大时，流体质点的运动速度在大小和方向上都随时发生变化，成为相互混杂的紊乱流动，称为紊流（或湍都随时发生变化，成为相互混杂的紊乱流动，称为紊流（或湍流）。流）。管道内流动的状态的变化，可用管道内流动的状态的变化，可用无量纲雷诺数无量纲雷诺数来表征来表征式中式中 vv气流速度，气流速度，m/sm/s；DD管道直径，管道直径，m m；气体密度，气体密度，kg/mkg/m3 3；气体动力黏度，气体动力黏度，PaSPaS。流体在直圆管内流动时，流动状态的变化：流体在直圆管内流动时，流动状态的变化：ReRe23202320（下临界雷诺数）：层流；（下临界雷诺数）：层流；23202320ReRe40004000（上临界雷诺数）：紊流。（上临界雷诺数）：紊流。实际工程计算中，以实际工程计算中，以Re=2300作为管道流动流态的判定准数，作为管道流动流态的判定准数，即：即：Re2300 紊流紊流。vDRe（a）层流）层流（b）紊流）紊流图图2-3-1 2-3-1 风流流态与风道断面风速分布示意图风流流态与风道断面风速分布示意图指数曲线指数曲线抛物线抛物线vcvc 2.2.风道断面风速分布风道断面风速分布 层流流态层流流态的风流，断面上的流速分布为抛物线形，中心最大的风流，断面上的流速分布为抛物线形，中心最大速度速度v v0 0为平均流速的为平均流速的2 2倍（图倍（图2-3-12-3-1）。）。紊流状态紊流状态下，管道内流速的分布取决于下，管道内流速的分布取决于R Re e的大小。距管中心的大小。距管中心r r处的流速与管中心（处的流速与管中心（r=0r=0）最大流速）最大流速v v0 0的比值服从于的比值服从于指数定律指数定律（图（图2-3-12-3-1）。式中式中 r r0 0管道半径；管道半径；nn取决于取决于ReRe的指数：当的指数：当R Re e=50000=50000时，时，n=1/7n=1/7；R Re e=200000=200000时，时，n=1/8n=1/8；R Re e=2000000=2000000时，时，n=1/10n=1/10。nrrvv001 设断面上任一点风速为设断面上任一点风速为v vi i，则风道断面的平均风速，则风道断面的平均风速v v为为式中，式中，S S为断面面积，为断面面积，即为通过断面即为通过断面S S上的风量上的风量Q Q，则，则 Q=vSQ=vS 断面上平均风速断面上平均风速v v与最大风速与最大风速v vmaxmax的比值称为的比值称为风速分布系数风速分布系数（速度场系数），用（速度场系数），用k kv v表示表示 其值与其值与风道粗糙度风道粗糙度有关。风道壁面愈光滑，该值愈大，即断面有关。风道壁面愈光滑，该值愈大，即断面上风速分布愈均匀。上风速分布愈均匀。SidSvSv1SidSvmaxvvkv二、一般管道通风摩擦阻力及计算二、一般管道通风摩擦阻力及计算 圆形风道的摩擦阻力圆形风道的摩擦阻力h hr r可按下式计算：可按下式计算：，PaPa式中式中 摩擦阻力无量纲系数；摩擦阻力无量纲系数；v v风道内空气的平均流速，风道内空气的平均流速，m/sm/s；空气的密度，空气的密度，kg/mkg/m3 3；LL风道长度，风道长度，m m；DD圆形风道直径，圆形风道直径，m m。如将风道长度为如将风道长度为1m1m摩擦阻力称为摩擦阻力称为比摩阻比摩阻，并以，并以h hb b表示，则表示，则 ，Pa/mPa/m22vDLhr212vDhb 当量直径当量直径：指以与非圆形风道有：指以与非圆形风道有相等比摩阻值相等比摩阻值的圆形风道直的圆形风道直径。分为径。分为流速流速当量直径当量直径和和流量流量当量直径当量直径两种，工程中一般用两种，工程中一般用流流速速当量直径当量直径D De e计算。计算。流速流速当量直径当量直径：假想一圆形风道中的空气流速与：假想一圆形风道中的空气流速与矩形矩形风道的风道的空气流速相等，且单位长度摩擦阻力（比摩阻）也相等，计算空气流速相等，且单位长度摩擦阻力（比摩阻）也相等，计算出的圆形风道直径。可得出的圆形风道直径。可得流速当量直径流速当量直径D De e与断面积与断面积S S、断面周、断面周长长U U的关系的关系为：为：对于不同形状的通风断面，其对于不同形状的通风断面，其周长周长U U与断面面积与断面面积S S的关系的关系：式中，式中，CC断面形状系数（梯形断面形状系数（梯形C=4.16C=4.16，三心拱，三心拱C=3.85C=3.85，半，半圆拱圆拱C=3.90C=3.90）。）。USDe4SCU 摩擦阻力无量纲系数摩擦阻力无量纲系数与风道内空气的与风道内空气的流动状态流动状态和管壁的和管壁的粗粗糙度糙度有关。有关。管壁的粗糙度分为管壁的粗糙度分为绝对绝对粗糙度粗糙度K K和和相对相对粗糙度粗糙度K/DK/D。1.1.当流动处于层流区、层流紊流过渡区、紊流光滑区，即当流动处于层流区、层流紊流过渡区、紊流光滑区，即 时，时，主要与主要与ReRe有关，与有关，与K/DK/D无明显关系；无明显关系；2.2.当流动处于紊流光滑区向紊流粗糙区过渡时，即当流动处于紊流光滑区向紊流粗糙区过渡时，即ReRe介于两介于两者之间时，者之间时，主要与主要与ReRe、K/DK/D均有关系；均有关系；3.3.当流动处于阻力平方区（紊流粗糙区）时，即当流动处于阻力平方区（紊流粗糙区）时，即 时，时，只与只与K/DK/D有关。有关。7898.26KDReKDRe2.191 对于流动为紊流光滑区向阻力平方区过渡时的摩擦阻力无量对于流动为紊流光滑区向阻力平方区过渡时的摩擦阻力无量纲系数纲系数，中国于，中国于19761976年编制的全国通用通风管道计算表年编制的全国通用通风管道计算表采用的公式为：采用的公式为：式中式中 K K风道内壁的当量绝对粗糙度，风道内壁的当量绝对粗糙度，mmmm；D D风道直径，风道直径，mmmm。Re51.271.3lg21DK 在实际通风系统中，在实际通风系统中，风道直径很小、表面粗糙的砖、混凝土风道直径很小、表面粗糙的砖、混凝土风道内和隧道及地下风道风道内和隧道及地下风道的流动状态属于的流动状态属于阻力平方区阻力平方区；除此以；除此以外，一般的通风管道的空气流动状态大多属于外，一般的通风管道的空气流动状态大多属于紊流光滑区到紊紊流光滑区到紊流粗糙区之间的过渡区流粗糙区之间的过渡区。在设计通风管道时，为避免繁琐的计算，可根据前面的公式在设计通风管道时，为避免繁琐的计算，可根据前面的公式制成各种制成各种表格或线算图表格或线算图。全国通用通风管道计算表全国通用通风管道计算表即是一即是一种表格形式。图种表格形式。图2-3-22-3-2则是根据上述公式得到的线算图，适用则是根据上述公式得到的线算图，适用于于K=0.15mmK=0.15mm薄钢板风道。薄钢板风道。工程计算中还常用一些工程计算中还常用一些简化公式简化公式，如，如 运用线算图或计算表，只要已知运用线算图或计算表，只要已知流量流量、管径管径、流速流速、阻力阻力四四个参数中的任意两个，即可求得其余两个参数。个参数中的任意两个，即可求得其余两个参数。必须指出：各种线算图或计算表格，都是在一些必须指出：各种线算图或计算表格，都是在一些特定的条件特定的条件下作出的，使用时必须注意。下作出的，使用时必须注意。075.021.00175.0vD 当实际条件与图表条件相差较大时，应加以修正。修正的内当实际条件与图表条件相差较大时，应加以修正。修正的内容主要有以下三类：容主要有以下三类：（1 1）粗糙度的修正粗糙度的修正 当风道内壁的粗糙度当风道内壁的粗糙度K0.15mmK0.15mm时，可先由图时，可先由图2-3-22-3-2查出查出h hb0b0，再近似按下式修正：再近似按下式修正：，Pa/mPa/m式中式中 h hb b实际比摩阻，实际比摩阻，Pa/mPa/m；h hb0b0图上查出的比摩阻，图上查出的比摩阻，Pa/mPa/m；K Kr r风道内壁粗糙度修正系数；风道内壁粗糙度修正系数；KK风道内壁粗糙度，风道内壁粗糙度，mmmm；vv风道内空气流速，风道内空气流速，m/sm/s。0brbhKh 25.0)(KvKr （2 2）空气温度和大气压力的修正空气温度和大气压力的修正 按下式修正：按下式修正：，Pa/mPa/m式中，式中，K Kt t温度修正系数，即温度修正系数，即 tt实际的空气温度，实际的空气温度，；K KB B大气压力修正系数，即大气压力修正系数，即 BB实际的大气压力，实际的大气压力，kPakPa。0bBtbhKKh 825.027320273tKt9.03.101BKB K Kt t和和K KB B也可以直接由图也可以直接由图2-3-32-3-3查得。从图中可看出，在查得。从图中可看出，在0 0100100范围内，可范围内，可近似近似把温度和压力的影响看作是把温度和压力的影响看作是直线关系直线关系。1.11.11.01.00.90.90.80.80.70.70.60.66060707080809090100100-50-500 05050100100150150t/t/B/kPaB/kPaK KB BK Kt tB B图图2-3-3 2-3-3 温度与大气压的修正系数温度与大气压的修正系数h hb0b0v625.05.0360027003600FLvD)(244baabUS33.025.05.025.05.02vvD （3 3）密度和黏度的修正密度和黏度的修正 ，Pa/mPa/m式中式中 实际的空气密度，实际的空气密度，kg/mkg/m3 3；vv实际的空气运动黏度，实际的空气运动黏度，m m2 2/s/s。1.0091.000vvhhbb三、阻力平方区通风风道摩擦阻力及计算三、阻力平方区通风风道摩擦阻力及计算 对于紊流粗糙区（阻力平方区）的摩擦阻力无量纲系数对于紊流粗糙区（阻力平方区）的摩擦阻力无量纲系数一一般采用以下公式般采用以下公式或或2lg214.1KD25.011.0DK 在实际通风系统中，紊流粗糙区的风道如为非圆形，在前面在实际通风系统中，紊流粗糙区的风道如为非圆形，在前面计算圆形风道摩擦阻力计算圆形风道摩擦阻力h hr r的式子中，用当量直径的式子中，用当量直径D De e代替代替D D，则得，则得到到阻力平方区风道的摩擦阻力阻力平方区风道的摩擦阻力h hr r计算式计算式：因此，对于几何尺寸和风道壁面已定型的紊流粗糙区通风风因此，对于几何尺寸和风道壁面已定型的紊流粗糙区通风风道，道，之与之与K/DK/D有关，可视为定值，在标准状态下空气密度为有关，可视为定值，在标准状态下空气密度为1.2kg/m1.2kg/m3 3，故令，故令 ，摩擦阻力系数摩擦阻力系数，kg/mkg/m3 3或或NsNs2 2/m/m4 4。SLUvhr288 前人通过大量实验和实测所得的、在标准状态（密度为前人通过大量实验和实测所得的、在标准状态（密度为1.2kg/m1.2kg/m3 3）条件下的各类风道的摩擦阻力系数，即标准值）条件下的各类风道的摩擦阻力系数，即标准值0 0见见附录附录1010。当风道中空气密度当风道中空气密度不等于不等于1.2kg/m1.2kg/m3 3时，可按下式修正：时，可按下式修正：将将代入代入摩擦阻力计算公式摩擦阻力计算公式，可得，可得 若通过风道的风量为若通过风道的风量为Q Q（m m3 3/s/s）时，则）时，则 对于已定型的风道，对于已定型的风道，L L、S S、U U等为已知，故令等为已知，故令 ，风道的摩擦风阻风道的摩擦风阻，kg/mkg/m7 7或或NsNs2 2/m/m8 8 2.10SLUvhr223QSLUhr3SLURr 在正常条件下当某一风道中的空气密度一般变化不大时，可在正常条件下当某一风道中的空气密度一般变化不大时，可将将R Rr r看作是反映风道几何特征的参数。看作是反映风道几何特征的参数。代入摩擦阻力计算公式，则有代入摩擦阻力计算公式，则有 ，PaPa 此式就是此式就是紊流粗糙区（阻力平方区）下的摩擦阻力定律紊流粗糙区（阻力平方区）下的摩擦阻力定律。即。即当当摩擦风阻摩擦风阻一定时，摩擦阻力与一定时，摩擦阻力与风量的平方风量的平方成成正比正比。2QRhrr 例例 某设计地下风道为梯形断面某设计地下风道为梯形断面S=8mS=8m2 2，L=1000mL=1000m，采用工字钢，采用工字钢棚支护，支架截面高度棚支护，支架截面高度d d0 0=14cm=14cm，纵口径，纵口径=5=5，计划通过风量，计划通过风量Q=1200mQ=1200m3 3/min/min。预计风道中空气密度。预计风道中空气密度=1.25kg/m=1.25kg/m3 3，求该段风，求该段风道的通风阻力。道的通风阻力。解：根据所给的解：根据所给的d d0 0、Q Q值，由附录值，由附录1010查得查得 0 0=284.2=284.21010-4-4 0.88=0.025 Ns0.88=0.025 Ns2 2/m/m4 4 则则 风道实际摩擦阻力系数风道实际摩擦阻力系数 NsNs2 2/m/m4 4 风道摩擦风阻风道摩擦风阻 NsNs2 2/m/m8 8 风道摩擦阻力风道摩擦阻力 PaPa026.02.125.1025.02.10598.08816.41000026.033SLURr2.239601200598.022QRhrr四、局部阻力及其计算四、局部阻力及其计算 由于风道断面、方向变化以及分岔或汇合等原因，使均匀流由于风道断面、方向变化以及分岔或汇合等原因，使均匀流动在局部地区受到影响而破坏，从而引起动在局部地区受到影响而破坏，从而引起风流速度场分布变化风流速度场分布变化和产生涡流和产生涡流等，造成风流的能量损失，这种阻力称为局部阻力。等，造成风流的能量损失，这种阻力称为局部阻力。1.1.局部阻力的成因局部阻力的成因 2.2.局部阻力及其计算局部阻力及其计算 局部阻力局部阻力h hl l一般用动压的倍数来表示一般用动压的倍数来表示式中，式中，局部阻力系数，无量纲，通过实验确定。局部阻力系数，无量纲，通过实验确定。若通过风道的风量为若通过风道的风量为Q Q（m m3 3/s/s）时，则上式变为：）时，则上式变为：大量实验证明，大量实验证明，只取决于只取决于局部构件的形状局部构件的形状。令令 ，局部风阻局部风阻 代入上式，有代入上式，有 此即此即紊流流动下的局部阻力定律紊流流动下的局部阻力定律。22vhl222QShl22SRl2QRhll五、减少通风阻力的措施五、减少通风阻力的措施 h=hh=hr r+h+hl l 1.1.减少减少通风摩擦阻力通风摩擦阻力措施措施 （1 1）减小相对粗糙度；）减小相对粗糙度；（2 2）保证有足够大的风道断面；）保证有足够大的风道断面；（3 3）选用断面周长较小的风道；）选用断面周长较小的风道；（4 4）减少风道长度；）减少风道长度；（5 5）避免风道内风量过于集中。）避免风道内风量过于集中。2.2.减少减少局部通风阻力局部通风阻力措施措施 （1 1）尽量避免风道断面的突然变化）尽量避免风道断面的突然变化 （2 2）风流交叉或汇合处连接合理）风流交叉或汇合处连接合理 （3 3）尽量避免风流急转弯）尽量避免风流急转弯 （4 4）降低出口流速）降低出口流速 （5 5）风道与风机的连接应当合理）风道与风机的连接应当合理 保证气流在进出风机时均匀分布，避免发生流向和流速的突保证气流在进出风机时均匀分布，避免发生流向和流速的突然变化，以减小阻力（和噪声）。然变化，以减小阻力（和噪声）。第四节第四节 通风网络中风流的基本定律通风网络中风流的基本定律 通风网络通风网络：指若干风流按照各自的风流方向顺序相连而成的：指若干风流按照各自的风流方向顺序相连而成的网状线路。网状线路。包括：风量平衡定律、风压平衡定律和通风阻力定律。包括：风量平衡定律、风压平衡定律和通风阻力定律。一、风量平衡定律一、风量平衡定律 节点：两条风路或两条以上风路的交点。节点：两条风路或两条以上风路的交点。分支：汇合处每条支风路。分支：汇合处每条支风路。回路：由两条或两条以上首尾相连形成的闭合线路。回路：由两条或两条以上首尾相连形成的闭合线路。根据质量守恒定律，在稳态通风条件下，流入与流出某节点根据质量守恒定律，在稳态通风条件下，流入与流出某节点的各分支的的各分支的质量流量质量流量的代数和为零，即的代数和为零，即 M Mi i=0=0 在不考虑风流密度变化的情况下，取流入的风量为正，流出在不考虑风流密度变化的情况下，取流入的风量为正，流出的风量为负，则流入与流出某节点或回路的各分支的的风量为负，则流入与流出某节点或回路的各分支的体积流量体积流量（风量风量）的代数和为零，即）的代数和为零，即 QQi i=0=0156324145321278435618234567（a）（b）图图2-4-1 2-4-1 风流汇合及回路示意图风流汇合及回路示意图 如图如图2-4-12-4-1（a a）所示，当不考虑风流密度变化时，图中）所示，当不考虑风流密度变化时，图中节点节点4 4处的风量平衡方程为处的风量平衡方程为 Q Q1-41-4+Q+Q2-42-4+Q+Q3-43-4-Q-Q4-54-5-Q-Q4-64-6=0=0 对于图对于图2-4-12-4-1（b b）所示闭合回路的情况，同样有）所示闭合回路的情况，同样有 Q Q1-21-2+Q+Q3-43-4=Q=Q5-65-6+Q+Q7-87-8或者或者 Q Q1-21-2+Q+Q3-43-4-Q-Q5-65-6-Q-Q7-87-8=0=0二、风压平衡定律二、风压平衡定律 若任何一回路中没有附加动力，根据能量平衡定律，则不同若任何一回路中没有附加动力，根据能量平衡定律，则不同方向的风流的风压或通风阻力必然平衡或相等。方向的风流的风压或通风阻力必然平衡或相等。对于图对于图2-4-12-4-1（b b），可得），可得 h h2-42-4+h+h4-54-5+h+h5-75-7=h=h2-72-7 取顺时针方向的取顺时针方向的风压为正风压为正，逆时针方向的，逆时针方向的风压为负风压为负，则，则 h h2-42-4+h+h4-54-5+h+h5-75-7-h-h2-72-7=0=0 对于任何一回路，则有对于任何一回路，则有式中，式中，h hi i为第为第i i段分支的风压或阻力。段分支的风压或阻力。niih10 风压平衡定律风压平衡定律：没有附加动力没有附加动力回路中，不同方向的风流，其回路中，不同方向的风流，其风压或阻力代数和等于风压或阻力代数和等于零零。若回路中若回路中有附加动力有附加动力，则其风压或阻力代数和等于，则其风压或阻力代数和等于附加动力附加动力产生风压的代数和产生风压的代数和。即。即式中，式中，H HJ J为附加动力产生风压的代数和。为附加动力产生风压的代数和。niJiHh1三、通风阻力定律三、通风阻力定律 1.1.阻力平方区流动的阻力平方区流动的摩擦摩擦阻力阻力定律：风流流动处于紊流粗糙定律：风流流动处于紊流粗糙区时，如摩擦风阻一定，摩擦阻力与风量的平方成正比。区时，如摩擦风阻一定，摩擦阻力与风量的平方成正比。h hr r=R=Rr rQ Q2 2 2.2.紊流流动紊流流动局部局部阻力阻力定律：紊流流动下，如局部风阻一定，定律：紊流流动下，如局部风阻一定，局部阻力与风量的平方成正比。局部阻力与风量的平方成正比。h hl l=R=Rl lQ Q2 2 3.3.将上两式相加，则得出将上两式相加，则得出阻力平方区阻力平方区流动流动总阻力总阻力定律。定律。令令h=hh=hr r+h+hl l为某通风系统分支的通风总阻力；为某通风系统分支的通风总阻力；R=RR=Rr r+R+Rl l为某通为某通风系统的通风总风阻，则有：风系统的通风总风阻，则有：h=RQh=RQ2 2 此即此即紊流粗糙区流动总阻力定律紊流粗糙区流动总阻力定律。第五节第五节 简单通风网路特性简单通风网路特性一、通风网路基本形式一、通风网路基本形式 1.1.串联串联风路风路 由两条或两条以上分支彼此首尾相连，由两条或两条以上分支彼此首尾相连，中间没有风流分汇点中间没有风流分汇点的线路。的线路。2.2.并联并联风路风路 由两条或两条以上由两条或两条以上具有相同始节点和末节点具有相同始节点和末节点的分支所组成的的分支所组成的通风网路。通风网路。3.3.角联角联风路风路 内部存在角联分支的通风网路。内部存在角联分支的通风网路。角联分支角联分支：位于通风网路的任意两条有向通路之间、且不与：位于通风网路的任意两条有向通路之间、且不与两通路的公共节点相连的分支。两通路的公共节点相连的分支。简单角联风路；复杂角联风路。简单角联风路；复杂角联风路。4.4.复杂风路复杂风路 以上三种均为简单风路，至少包含以上两种或以上简单风路以上三种均为简单风路，至少包含以上两种或以上简单风路的通风网路称为复杂风路。的通风网路称为复杂风路。二、串联风路特性二、串联风路特性 1.1.总风量等于各分支的风量总风量等于各分支的风量 即：即：M M1 1=M=M2 2=M=M3 3=M=Mn n 当当各分支的空气密度相等各分支的空气密度相等时，或将所有风量换算为同一标准时，或将所有风量换算为同一标准状态的风量后，状态的风量后，Q Q1 1=Q=Q2 2=Q=Q3 3=Q=Qn n 2.2.如系统中无位能差和附加通风动力，则总风压（阻力）等如系统中无位能差和附加通风动力，则总风压（阻力）等于各分支风压（阻力）之和。于各分支风压（阻力）之和。h hs s=h=h1 1+h+h2 2+h+hn n=niih1 3.3.阻力平方区流动的阻力平方区流动的总风阻等于各分支风阻之和总风阻等于各分支风阻之和。即即 绘制阻力平方区流动的串联风路等效阻力特性曲线，方法如绘制阻力平方区流动的串联风路等效阻力特性曲线，方法如下图：下图：niinsssRRRRQhR1212.“风量相等，风量相等，阻力叠加阻力叠加”串联风路等效串联风路等效阻力特性曲线阻力特性曲线三、并联风路特性三、并联风路特性 1.1.总风量等于各分支的风量之和总风量等于各分支的风量之和 即即 当当各分支的空气密度相等各分支的空气密度相等时，或将所有风量换算为同一标准时，或将所有风量换算为同一标准状态的风量后，状态的风量后，2.2.如系统中如系统中无位能差和附加通风动力无位能差和附加通风动力，总风压等于各分支风总风压等于各分支风压压 Q Q1 1=Q=Q2 2=Q=Q3 3=Q=Qn n 注意：当各分支的位能差不相等，或分支中存在风机等通风注意：当各分支的位能差不相等，或分支中存在风机等通风动力时，并联分支的阻力并不相等。动力时，并联分支的阻力并不相等。niinsMMMMM121.niinsQQQQQ121.3.3.阻力平方区流动并联风路阻力平方区流动并联风路总风阻与各分支风阻的关系总风阻与各分支风阻的关系 即即 4.4.并联风路的并联风路的风量分配风量分配 若已知并联风路的总风量，在不考虑其他通风动力及风流密若已知并联风路的总风量，在不考虑其他通风动力及风流密度变化时，可由下式计算出度变化时，可由下式计算出分支分支i i的风量的风量即即分支风量取决于总风阻与该分支风阻之比分支风量取决于总风阻与该分支风阻之比。22121.111nsssRRRQhRnisissisiRRQQRRQ1并联风路等效并联风路等效阻力特性曲线阻力特性曲线 “阻力相等，阻力相等，风量叠加风量叠加”四、阻力平方区流动角联风路特性四、阻力平方区流动角联风路特性 在角联风路中，角联分支的风向取决于其在角联风路中，角联分支的风向取决于其始末节点间的压能始末节点间的压能差差。通过改变角联分支两侧的边缘分支的风阻，来改变角联分支通过改变角联分支两侧的边缘分支的风阻，来改变角联分支的风向。的风向。对于图对于图2-5-12-5-1（C C），推导出如下），推导出如下角联分支风流方向判别式角联分支风流方向判别式 325,15,1235,13241中风向由分支中风流停滞分支中风向由分支RRRRK 由该判别式可以看出，简单角联风路中角联分支的风向由该判别式可以看出，简单角联风路中角联分支的风向完全完全取决于边缘风路的风阻比取决于边缘风路的风阻比，而，而与角联分支本身的风阻无关与角联分支本身的风阻无关。角联分支一方面具有容易调节风向的优点，另一方面又有出角联分支一方面具有容易调节风向的优点，另一方面又有出现风流不稳定的可能性。现风流不稳定的可能性。第六节第六节 自然通风及火灾烟气流动原理自然通风及火灾烟气流动原理 自然通风自然通风：由有限空间内外空气的：由有限空间内外空气的密度差密度差、大气运动大气运动、大气大气压力差压力差等自然因素引起有限空间内外空气能量差，促使有限空等自然因素引起有限空间内外空气能量差，促使有限空间的气体流动并与大气交换的现象。间的气体流动并与大气交换的现象。自然通风动力（自然风压）自然通风动力（自然风压）：促使有限空间内气体流动的能：促使有限空间内气体流动的能量差。量差。自然通风的应用：自然通风的应用：（1 1）单层工业厂房）单层工业厂房 （2 2）多层或高层工业建筑中的热车间）多层或高层工业建筑中的热车间 （3 3）特种（殊）建筑物、构筑物及容器）特种（殊）建筑物、构筑物及容器 （4 4）各类建筑物中的防排烟系统）各类建筑物中的防排烟系统一、自然通风的产生一、自然通风的产生 例例1 1：烟囱内外密度差形成（烟囱效应）：烟囱内外密度差形成（烟囱效应）例例2 2：工业厂房密度差形成：工业厂房密度差形成 例例3 3：矿井密度差形成的自然通风：矿井密度差形成的自然通风 例例4 4：大气运动形成的自然通风：大气运动形成的自然通风二、自然风压的计算二、自然风压的计算 1.1.密度差形成密度差形成的自然风压计算的自然风压计算 根据自然风压定义，图根据自然风压定义，图2-6-22-6-2所示系统的自然风压所示系统的自然风压H HN N可用下可用下式计算式计算式中式中 ZZ与大气温度或密度不等的有限空间高度，与大气温度或密度不等的有限空间高度，m m；gg重力加速度，重力加速度，m/sm/s2 2；1 1、2 2分别为图分别为图2-6-22-6-2中中0-1-20-1-2和和5-4-35-4-3空间的空间的dZdZ段空气密段空气密度，度，kg/mkg/m3 3。分别以空气密度平均值分别以空气密度平均值m1m1、m2m2代替代替1 1、2 2后，简化可得：后，简化可得：532201gdZgdZHN)(21mmNZgH 2.2.大气运动（风压）大气运动（风压）形成的自然风压计算形成的自然风压计算 风向一定时，建筑物外表面上某一点的风向一定时，建筑物外表面上某一点的风压大小风压大小和室外和室外气流气流的动压的动压成正比，成正比，H HN N可用下式表示可用下式表示式中式中 AA空气动力系数；空气动力系数；（为正，该点风压为正）（为正，该点风压为正）vw室外空气流速，室外空气流速，m/s；m室外空气密度，室外空气密度，kg/m3。穿堂风穿堂风 3.3.密度差与大气运动（风压）合成密度差与大气运动（风压）合成的自然风压计算的自然风压计算22wwNAH2)(221wwmmNAZgH三、自然风压的影响因素三、自然风压的影响因素 1.1.密度差密度差形成的自然风压的影响因素形成的自然风压的影响因素 可用下式来表示可用下式来表示 （1 1）温度差）温度差 影响气温差的主要因素是大气气温和风流与有限空间内的热影响气温差的主要因素是大气气温和风流与有限空间内的热交换。交换。（2 2）空气成分和湿度）空气成分和湿度 （3 3）与大气温度或密度不等的有限空间高度）与大气温度或密度不等的有限空间高度 （4 4）大气压力）大气压力),()(ZRpTfZfHN 2.2.大气运动（风压）大气运动（风压）形成自然风压的影响因素形成自然风压的影响因素 （1 1）室外空气风速）室外空气风速 （2 2）室外温度）室外温度T T、大气压、大气压p p和相对湿度和相对湿度 （3 3）建筑物形状、风向）建筑物形状、风向 在在实际实际通风设计中，自然通风仅以通风设计中，自然通风仅以密度差密度差形成自然风压作用形成自然风压作用计算。计算。四、火灾烟气流动基本原理四、火灾烟气流动基本原理 1.1.火灾烟气的成分和危害性火灾烟气的成分和危害性 燃烧分为两个阶段：燃烧分为两个阶段：热分解热分解过程和过程和燃烧燃烧过程。过程。火灾烟气火灾烟气：指火灾时各种物质在热分解和燃烧作用下生成的：指火灾时各种物质在热分解和燃烧作用下生成的产物与剩余空气的混合物，是悬浮的固态粒子、液态粒子和气产物与剩余空气的混合物，是悬浮的固态粒子、液态粒子和气体的混合物。体的混合物。烟气的危险性：烟气的危险性：（1 1）毒害性）毒害性 （2 2）遮光作用）遮光作用 （3 3）高温危害）高温危害 2.2.促使地面建筑物烟气流动的主要因素促使地面建筑物烟气流动的主要因素 （1 1）烟囱效应）烟囱效应 （2 2）气体热膨胀）气体热膨胀 （3 3）大气运动风力）大气运动风力 （4 4）通风空调系统）通风空调系统第七节第七节 风道通风压力风道通风压力(能量能量)分布及分析分布及分析一、水平风道通风压力（能量）分布及分析一、水平风道通风压力（能量）