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1、8.1 风管内气体流动的流态和阻力 8.2 风管内的压力分布 8.3 通风管道的设计计算 8.4 均匀送风管道设计计算 8.5 通风管道设计中的常见问题及其处理措施 8.6 气力输送系统的管道设计计算,第8章 通风管道系统的设计计算,主要内容： 掌握风管内气体流动的流态和阻力; 熟悉风管内的压力分布; 掌握通风管道的设计计算; 熟悉通风管道的设计选型. 重点及难点 风管内的压力分布 ; 通风管道的设计计算.,通风管道定义：把符合卫生标准的新鲜空气输送到室内各需要地点，把室内局部地区或设备散发的污浊、有害气体直接排送到室外或经净化处理后排送到室外的管道。,概 述,分类：包括通风除尘管道、空调管道
2、等。,作用：把通风进风口、空气的热、湿及净化处理设备、送(排)风口、部件和风机连成一个整体，使之有效运转。,设计内容：风管(部件)的布置；管径的确定；管内气体流动时能量损耗的计算；风机和电动机功率的选择。,设计目标：在满足工艺设计要求和保证使用效果的前提下，合理地组织空气流动，使系统的初投资和日常运行维护费用最优。,8.1 风管内气体流动的流态和阻力,8.1.1 两种流态及其判别分析,流体在管道内流动时可以分为层流、紊流。 雷诺数既能判别流体在风道中流动时的流动状态，又是计算风道摩擦阻力系数的基本参数。,在通风与空调工程中，雷诺数通常用右式表示：,在通风和空调管道系统中，一般雷诺数都大于400
3、0，因此薄钢板风管的空气流动状态大多属于紊流光滑区到粗糙区之间的过渡区和紊流粗糙区。通常，高速风管的空气流动状态也处于过渡区。只有直径很小表面粗糙度很大的砖、混凝土风管的空气流动状态才属于粗糙区。,8.1.2 风管内空气流动的阻力,产生阻力的原因： 空气在风管内流动产生阻力是因为空气是具有粘滞性的实际流体，在运动过程中要克服内部相对运动出现的摩擦阻力以及风管材料内表面的粗糙程度对气体的阻滞作用和扰动作用。 阻力的分类： 风管内空气流动的阻力有两种。 一种是由于空气本身的粘滞性及其与管壁间的摩擦而引起的沿程能量损失，称为摩擦阻力或沿程阻力； 一种是空气在流经各种管件或设备时，由于速度大小或方向的
4、变化以及由此产生的涡流造成的比较集中的能量损失，称为局部阻力。,1 沿程阻力,空气在任意横断面形状不变的管道中流动时，根据流体力学原理，它的沿程阻力可以按下式确定：,对于圆形截面风管，其阻力由下式计算：,单位长度的摩擦阻力又称比摩阻。对于圆形风管，由上式可知其比摩阻为：,（1）圆形风管的沿程阻力计算,摩擦阻力系数与管内流态和风管管壁的粗糙度K/D有关,图8-1 摩擦阻力系数随雷诺数和相对粗糙度的变化,层流,湍流光滑区,湍流粗糙管阻力平方区,过渡区,湍流粗糙管过渡区,1.层流区:Re2000,过渡区:2000Re3160,层流向湍流过渡的不稳定区 ,Re的范围窄，阻力规律研究的不够充分。,经验公
5、式：,经验公式：,只与Re有关而与相对粗糙度无关,只与Re有关而与相对粗糙度无关,所以,适用范围：3160Re105,勃拉休斯公式：,普朗特公式为：,适用范围： Re103106,只与有关而与无关,湍流光滑管区: 3160Re23d/,计算公式：,阻力平方区（自动模拟区）: Re560d/,.湍流粗糙管过渡区: 23d/Re560d/,C.F.Colebrook公式:,与和都有关,只与有关而与无关,所以,沿程阻力与速度的平方成正比，故称平方阻力区。,由于这一区域，阻力系数与Re无关，Re自动满足相似，故称自模区。,在某些模型实验中，若按相似准则算得的速度高于自模Re对应的速度，就按自模Re进行
6、实验。,自模Re：阻力系数不随Re变化所对应的雷诺数， 不同物体其值不同。,有关过渡区的摩擦阻力系数计算公式很多，我国编制的全国通用通风管道计算表采用该公式：,附录4所示的通风管道单位长度摩擦阻力线算图，可供计算管道阻力时使用。运用线算图或计算表，只要已知流量、管径、流速、阻力四个参数中的任意两个，即可求得其余两个参数。,湍流粗糙管过渡区,附录4 通风管道单位长度摩擦阻力线算图,需要说明的是，附录4的线算图是是按过渡区的值，在压力B0=101.3kPa、温度t0=20、空气密度0=1.24kg/m3、运动粘度=15.0610-6m2/s、壁粗糙度K=0.15mm、圆形风管、气流与管壁间无热量交
7、换等条件下得的。当实际条件与上述不符时，应进行修正。,1）密度和粘度的修正,2）空气温度和大气压力的修正,3）管壁粗糙度的修正,有一通风系统，采用薄钢板圆形风管（ K = 0.15 mm），已知风量L3600 m2/h（1 m3/s）。管径D300 mm，空气温度t30。求风管管内空气流速和单位长度摩擦阻力。,例8-1,2. 矩形风管的沿程阻力计算,全国通用通风管道计算表和附录4的线算图是按圆形风管得出的，在进行矩形风管的摩擦阻力计算时，需要把矩形风管断面尺寸折算成与之相当的圆形风管直径，即当量直径，再由此求得矩形风管的单位长度摩擦阻力。,所谓“当量直径”，就是与矩形风管有相同单位长度摩擦阻力
8、的圆形风管直径，它有流速当量直径和流量当量直径两种。,假设某一圆形风管中的空气流速与矩形风管中的空气流速相等，并且两者的单位长度摩擦阻力也相等，则该圆形风管的直径就称为此矩形风管的流速当量直径，以 表示。,（1）流速当量直径,称为边长ab的矩形风管的流速当量直径。如果矩形风管内的流速与管径为D的圆形风管内的流速相同，两者的单位长度摩擦阻力也相等。因此，根据矩形风管的流速当量直径和实际流速，由附录4可以查得矩形风管的单位长度摩擦阻力。,圆形风管的水力半径,流速当量直径推导,矩形风管的水力半径,设某一圆形风管中的空气流量与矩形风管的空气流量相等，并且单位长度摩擦阻力也相等，则该圆形风管的直径就称为
9、此矩形风管的流量当量直径，以DL表示。根据推导流量当量直径可近似按下式计算。,以流量当量直径DL和矩形风管的流量L，查附录4所得的单位长度摩擦阻力，即为矩形风管的单位长度摩擦阻力。,必须指出，利用当量直径求矩形风管的阻力，要注意其对应关系：采用流速当量直径时，必须用矩形风管中的空气流速去查出阻力；采用流量当量直径时，必须用矩形风管中的空气流量去查出阻力。用两种方法求得的矩形风管单位长度摩擦阻力是相等的。,（2）流量当量直径,解 矩道风道内空气流速 1）根据矩形风管的流速当量直径Dv和实际流速V，求矩形风管的单位长度摩擦阻力。,有一表面光滑的砖砌风道（K=3mm），横断面尺寸为500mm 400
10、mm,流量L=1m3/s(3600m3/h)，求单位长度摩阻力。,例8-2,由V=5m/s、Dv=444mm查图得Rm0=0.62Pa/m,粗糙度修正系数,Kr=1.3m/s,由L=1m3/s、DL=493mm查图得Rm0=0.61Pa/m Rm=KrRm0=0.793Pa/m,2）用流量当量直径求矩形风管单位长度摩擦阻力。 矩形风道的流量当量直径,2 局部阻力,一般情况下，通风除尘、空气调节和气力输送管道都要安装一些诸如断面变化的管件(如各种变径管、变形管、风管进出口、阀门)、流向变化的管件（弯头）和流量变化的管件(如三通、四通、风管的侧面送、排风口)，用以控制和调节管内的气流流动。 流体经
11、过这些管件时，由于边壁或流量的变化，均匀流在这一局部地区遭到破坏，引起流速的大小，方向或分布的变化，或者气流的合流与分流，使得气流中出现涡流区，由此产生了局部损失。,多数局部阻力的计算还不能从理论上解决，必须借助于由实验得来的经验公式或系数。局部阻力一般按下面公式确定：,局部阻力系数也不能从理论上求得，一般用实验方法确定。在附录5中列出了部分常见管件的局部阻力系数。 由于通风、空调系统中空气的流动都处于自模区，局部阻力系数只取决于管件的形状，一般不考虑雷诺数的影响。,局部阻力在通风、空调系统中占有较大的比例，在设计时应加以注意。减小局部阻力的着眼点在于防止或推迟气流与壁面的分离，避免漩涡区的产
12、生或减小漩涡区的大小和强度。,减小局部阻力的措施,当气流流经面积变化或形状变化管件时，由于管道断面的突然变化使气流产生冲击，周围出现涡流区，造成局部阻力。扩散角大的渐扩管局部阻力系数也较大，尽量避免风管断面的突然变化，用渐缩或渐扩管代替突然缩小或突然扩大，中心角最好在810，不要超过45。下图给出了渐扩和渐缩管件连接的优劣比较。,（1） 渐扩管和渐缩管,几种常见的局部阻力产生的类型： 、突变 紊流通过突变部分时，由于惯性作用，出现主流与边壁脱离的现象，在主流与边壁之间形成涡漩区，从而增加能量损失。 、渐变 主要是由于沿流动方向出现减速增压现象，在边壁附近产生涡漩。因为 V hv p ，压差的作
13、用方向与流动方向相反，使边壁附近，流速本来就小，趋于0, 在这些地方主流与边壁面脱离，出现面涡漩。,、转弯处 流体质点在转弯处受到离心力作用，在外侧出现减速增压，出现涡漩。 、分岔与会合 上述的综合。 局部阻力的产生主要是与涡漩区有关，涡漩区愈大，能量损失愈多，局部阻力愈大。,（2） 三通,三通内流速不同的两股气流汇合时的碰撞，以及气流速度改变时形成涡流是造成局部阻力的原因。两股气流在汇合过程中的能量损失一般是不相同的，它们的局部阻力应分别计算。 合流三通内直管的气流速度大于支管的气流速度时，会发生直管气流引射支管气流的作用，即流速大的直管气流失去能量，流速小的支管气流得到能量，因而支管的局部
14、阻力有时出现负值。同理，直管的局部阻力有时也会出现负值。但是，不可能同时为负值。,图8-4 三通支管和干管的连接,三通的局部阻力大小，取决于三通断面的形状、分支管中心夹角、支管与总管的截面积比、支管与总管的流量比以及三通的使用情况(用作分流还是合流)。,布置管道时，应尽量取直线，减少弯管，或者用弧弯代替直角弯。弯管的阻力系数在一定范围内随曲率半径的增大而减小，圆形风管弯管的曲率半径一般应大于12倍管径（见图8-5）；矩形风管弯管断面的长宽比(B/A)愈大，阻力愈小，见图8-6，其曲率半径一般为当量直径的612倍。对于断面大的弯管，可在弯管内部布置一组导流叶片，见图8-7，以减小漩涡区和二次流，
15、降低弯管的阻力系数。,（3）弯管,图8-5 圆形风管弯头,图8-6 矩形风管弯头,图8-7 设有导流片的直角弯头,气流进入风管时，由于产生气流与管道内壁分离和涡流现象造成局部阻力。气流从风管出口排出时，其在排出前所具有的能量全都损失。当出口处无阻挡时，此能量损失在数值上等于出口动压，当有阻挡(如风帽、网格、百叶)时，能量损失将大于出口动压，局部阻力系数会大于1。因此，只有与局部阻力系数大于1的部分相应的阻力才是出口局部阻力(即阻挡造成)，等于1的部分是出口动压损失。对于不同的进口形式，局部阻力相差较大。,（4） 管道进出口,图8-8 风管进出口阻力,管道与风机的连接应当保证气流在进出风机时均匀
16、分布，避免发生流向和流速的突然变化，避免在接管处产生局部涡流。为了使风机正常运行，减少不必要的阻力，最好使连接风机的风管管径与风机的进、出口尺寸大致相同。 如果在风机的吸入口安装多叶形或插板式阀门时，最好将其设置在离风机进口至少5倍于风管直径的地方，避免由于吸入口处气流的涡流影响风机效率。在风机的出口处避免安装阀门，连接风机出口的风管最好用一段直管。如果受到安装位置的限制，需要在风机出口处直接安装弯管时，弯管的转向应与风机叶轮的旋转方向一致。图8-9给出了进出口管道连接的优劣比较。,（5） 管道和风机的连接,图8-9 风机进出口管道连接,8.2 风管内的压力分布,8.2.1 动压、静压和全压,空气在风管中流动时，由于风管阻力和流速变化，空气的压力是不断变化的。分析的原理是风流的能量方程和静压、动压与全压的关系式。,根据能量守恒定律，可以写出空气在管道内流动时不同断面间的能量
