等截面水泥烟道沿程阻力研究

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1、1等截面水泥烟道沿程阻力研究摘要： 通过对等截面水泥烟道模型沿程阻力的实验研究得到烟道内壁绝对粗糙度 K 值，从而为烟道系统设计提供依据。运用 fluent 气流模拟，提出了烟道系统沿程阻力估算公式，通过与理论计算结果的比对，证明了其在实践中应用的可行性。 关键词： 住宅厨房烟道 沿程阻力 当量糙粒高度 气流模拟 沿程阻力估算 目前我国大多数低、中、高层住宅的厨房采用了集中排烟系统，最高应用层数已达 48 层，正在设计的有 50 层。集中排烟系统的流动主要由以下三个部分组成：烟道内壁粗糙形成的烟气流动沿程阻力；主烟道与用户支管的烟气汇合产生的合流阻力以及用户止逆阀、烟道排风帽等设备造成的局部阻

2、力。对于高层住宅而言，数十米甚至超过一百米的内壁粗糙的烟道会造成很大的流动阻力，要求排油烟机需具备较大的出口全压。由于烟道系统的设计通常采用估算法，即根据使用条件及设计参数假设一个烟道的截面尺寸，然后过计算校该其尺寸是否能满足要求，因此设计时合理地选用 K 值（管道内壁当量糙粒高度）成为设计有效烟道截面尺寸的必要条件。目前所使用的烟道一般均为玻纤网增强水泥混凝土管道，内壁的光洁度较好。现有相关资料给出的混凝土管道内壁的绝对粗糙度一般为 13mm，相差范围较大。以前住宅层数不多时，沿程阻力对排油烟机的影响很小，但目前高层住宅的层数越来越大，实际使用的烟道内气流流速最高可达十几米/秒，因此，烟道内

3、壁 K 值的取值对烟道设计截面积的影响变得十分重要，有必要通过实验研究获得比较确切的数据。21 等截面烟道沿程阻力系数 及 K 值的实验研究烟气在等截面烟道内流动为克服沿程阻力引起的能量损失用压强损失表达：(1)从公式(1)可以看出，沿程阻力计算的核心问题是各种流动条件下无因次系数 的取值。尼古拉兹实验比较完整地反映了沿程损失系数 的变化规律，并揭示了影响 变化的主要因素有雷诺数 Re 与相对粗糙度 K/d。本课题最初的实验是采用原型烟道以空气为流动介质进行流动阻力测定，再依据结果计算出相应的 K 值，但多次实验的结果均不理想。原因可能有几方面：测定风量和风压的仪器精度不够，测定误差较大；烟道

4、总长度不够，总沿程损失较小，使仪器精度误差的影响成为主要因素；风机性能有限，使管内流动难以保持在阻力平方区附近等。所以决定改用水为流动介质进行模型实验。1.1 实验装置及实验原理实验系统如图 1 所示，它是由水箱 1、出水阀门 2（调节流量用）、受试管段 3（外截面尺寸为 100mm100mm，壁厚 10mm）、测压管 4（读取测定断面的静压差）、三角堰 5（测量流量用）、回水沟 6、水池 7 及水泵 8 等组成。根据相似理论，模型实验应与其原型之间有相似性。本实验的目的是测定烟道内壁的 K 值。实验采用了实际烟道，所以模型与实型的 K 值是相等的，对实验结果无须修正。但是水和空气是两种性质的

5、流体，两者的粘滞系数差别很大，只有满足下述情况中的一种时从实验推导出的结果才能被采信：即模型的流动状态处于不3受模型律制约的范围内；或者是两种流动的同名准则数虽然不相等，但可以认为两者的沿程阻力系数 都与雷诺数 Re 及管壁相对粗糙度 K/d 有关。所以，在实验过程中，保证了管内高水流速度（通过减小烟道截面尺寸、提高水箱位置等实现），以使流动状态接近或进入阻力平方区；并保持测压管水位的高差在 10cm 以上，以使读数准确。由于水泥烟道是吸水材料，在实验之前对其进行相关处理。 图 1 沿程阻力系数检测系统示意图1.2 实验结果及分析烟道沿程阻力系数 及内壁绝对粗糙度 K 值的实验测定结果如表 1

6、 所示。其中，根据实验数据推导出的 值，K1 是采用柯列勃洛克公式(式 2)计算而得；K2 是采用阿里特苏里公式(式 3)计算得出的；K3 则是采用粗糙区的希弗林松公式(式 4)算出来的。平均值 KPJ 是不同情况下 K1 值的平均。（2）（3）（4）表 1 等截面烟道沿程阻力系数测定 当量直径(m)长度(m)流量(l/s)4流速(m/s)沿程损失(Pa)沿程阻力系数 雷诺数 ReK(mm)K1K2K30.08367.4850.004210.680.0580.0274434000.190.190.320.005000.8150.0840.0282515440.230.250.360.00568

7、0.920.1060.0276585540.220.230.330.006841.100.1530.0275705120.230.2560.330.007201.160.1650.0268742230.210.220.29KPJ0.22表 1 中的沿程阻力系数是根据公式（1）计算得出得。根据表 1 中所列不同流速时的沿程阻力系数 及雷诺数 Re，对照莫迪图发现，此次实验过程中烟道内的水流的流动状态处于紊流过渡区内，因此 值既与烟道内壁绝对粗糙度 K 值有关，也与雷诺数 Re 有关。对比 K1、K2、K3 的计算值可以看出，采用柯列勃洛克公式算得的 K1 值相对比较精确；而用粗糙区的希弗林松公式

8、算出的 K3 值因为没有考虑 Re 对 的影响，导致结果偏大且误差较大。由表 1 可知，受测烟道的内壁绝对粗糙度 K 约为 0.22mm。但在烟道设计中还不能直接采用该值。因为批量生产的烟道的均匀性比较差（目前烟道生产主要采用手工方式），而且在施工安装时各节烟道的接口处会有水泥凸出，另外还要考虑到7使用后烟道内的积油污等。所以，笔者认为在系统设计时，K 值可根据实际工程中烟道产品的选用状况在 0.5mm1.5mm 的范围内进行选择。烟道产品制作以及系统施工时，采用精良的制作工艺，减小 K 值，是减小烟道截面积同时保证系统有良好运行效果的一个重要前提。有些企业已经开始改用机械化生产，烟道质量有望

9、提高。1.3 实际设计时沿程阻力系数 的确定当 K 值确定以后，不同应用条件下的沿程阻力系数 也就可以通过计算确定了，进而就可以计算沿程阻力。大部分情况下烟道内烟气的流动状态处于紊流光滑区和紊流过渡区，此时粗糙区的希弗林松公式显然不适用，而柯列勃洛克公式又过于繁琐，不适合工程计算使用，那么，选用阿里特苏里公式计算 值是否能够得到合理的结果呢？表 2 中的数据是笔者根据表 1 中列出的 K1 及相应的 Re 采用阿里特苏里公式反算 （表中定义为 a）值，并将计算结果与实验所得的 值进行比较。表 2 采用不同公式计算 值所得结果比较 K10.190.230.220.230.218Re4340051

10、5445855470512742230.02740.02820.02760.02750.0268a0.02740.02780.02730.02720.0266误差 |-a|/100%901.421.091.090.75由表 2 可知，在 K 值与 Re 值都相等的情况下，分别采用柯列勃洛克公式和阿里特苏里公式算出的 值其误差不大于 1.5%。此外，笔者亦曾用阿氏公式计算过在不同 K/d 的情况下，烟道内气体流速较高时的沿程阻力系数 值，并将其与有关资料提供的相应条件下的 值进行对比，发现两者的误差不大于 4%（通常稍偏小）。所以，烟道系统设计时，在已确定 K 值与 Re 值的情况下，采用阿里特

11、苏里公式计算沿程阻力系数 是可行的。2 气流模拟分析与沿程阻力简化计算方法通过上一节中对沿程阻力实验结果的分析可知：实际工程烟道设计时取 K1.5，并由此得出 K/d 的值，再根据相应的 Re 选取 进行沿程阻力计算是安全的。然而，经由莫迪图查得 值再通过公式(1)计算得到气流流过某一定距离所要克服的沿程损失的值毕竟是比较麻烦的。所以笔者结合对多个实际烟道系统的测试结果并采用气流模拟计算后，提出了一种简便的估算方法。表 3 烟道截面尺寸表(烟道壁厚 10mm) 适用层数10同时使用系数同时开机数烟道尺寸(mm)670%525030071813400500193060%1850050031503

12、0600600注：表中的同时开机数是笔者对每一类中楼层数最多的住宅楼按同时使用系数为60%计算。11表 3 列出的是目前有关设计图集规定的不同层数住宅厨房适用的烟道截面尺寸。对应每层用户的排风量为 300m3/h。笔者采用 fluent 软件按照表中的条件分别进行气流模拟，以期得出一定流速的气流流经单位长度特定截面尺寸的烟道所需克服的沿程阻力。2.1 模型的建立由于实际空气是粘性流体，流动基本为湍流流动，因此 fluent 计算选择 K 两方程模型作为湍流模型。将空气设定为理想气体。由 K 方程、 方程、动量方程、能量方程、连续方程一起构成了室内空气流动与换热的基本控制方程。其通用形式为：(5

13、)在 Fluent 的离散选项中对离散方法做出如下选择：对压力 P 选用标准方法，压力速度耦合采用 SIMPLE 算法；湍流动能 K 和湍流耗散率 ，能量和动量选用一阶迎风格式；收敛准则：各流动项残差小于 10-3，能量项残差小于 10-6；选用标准K 方程。计算时选用六面体结构网格，并假设颗粒均匀分布，即默认 c0.5 取值。气流模拟分别对烟道内壁绝对粗糙度 K=1.5 和 K=1.0 两种情况进行了计算。之所以取 K=1.0 主要是考虑到目前的烟道制作加工工艺相对于以前已经有了很大的改进与提高，在某些系统施工较精良的场合，不使沿程阻力的估算值与实际相比偏大太多，造成不必要的设备选型的浪费。

14、2.2 气流模拟结果分析气流模拟计算结果如表 4 与表 5 所示。将其与通风管道单位长度摩擦阻力线解图12对比后发现，当 K1.5 和 K1.0 时，四种情况下所求得的比摩阻与线解图提供的数据基本相符。因此，可以采用表中数据对系统的沿程阻力进行估算。表 4 K=1.5 时烟道内的比摩阻 适用层数同时使用系数同时开机数末段烟道内流速(m/s)烟道尺寸(mm)比摩阻(Pa/m)6100%66.672503003.0271870%13135.424005001.06193060%1865005001.113150306.946006001.14表 5 K1.0 时烟道内的比摩阻 适用层数同时使用系数

15、同时开机数14末段烟道内流速(m/s)烟道尺寸(mm)比摩阻(Pa/m)6100%66.672503002.6871870%135.424005000.90193060%186500500150.963150306.946006000.982.3 沿程阻力简化计算方法由于不同层数的用户向同一烟道内排烟，造成了等截面烟道内各段的流量、流速都不同，沿程阻力计算虽然不难，但却非常烦琐。烟气在系统内流动所要克服的沿程阻力可由公式(6)计算得到。(6)式中，总沿程阻力，Pai 第 i 段烟道的沿程阻力系数，对应于该层烟道内的流速 vi l 每层烟道的长度，m；N 总层数；n 同时开机数。因沿程阻力损失，

16、所以，其中，0；同时，由于 i 的数量级与的数量级相比非常小，因此16即 (7)由式 7 可以推出烟气流经烟道系统产生的沿程损失的估算公式 8：(8)式中，Rmn对应于系统总风量的烟道比摩阻，Pa/m。从上述公式推导可知，。表 6 列出了当 K1.5，排风量为300m3/h、400m3/h、500m3/h 及 600m3/h 时分别采用公式(6)、(8)计算 6 层、18 层、30 层及 50 层烟道系统总沿程阻力的结果。表中数据显示，烟道系统总沿程阻力的理论计算结果通常约为估算结果的 80%90%，具体偏差值的大小和系统内的排风量有关。因此，对式(8)乘以一个修正系数 a，即可得到较为精确的系统总沿程阻力的估算值，不同排风量下 a 的取值如表 7 所示。(9)表 6 两种方法计算 K=1.5 时烟道系统总沿程阻力结果比较 适用层数同时使用系数同时开机数排风量(m3/