通風風流基礎理論及空氣參數計算.

1、通風風流基礎理論通風風流基礎理論及空氣參數計算及空氣參數計算第二章第二章本章主要內容框架：本章主要內容框架：風壓計算及測試風壓計算及測試通風基通風基礎理論礎理論干濕空氣密度計算干濕空氣密度計算連續(xù)方程及風速測定連續(xù)方程及風速測定能量方程及應用能量方程及應用通風阻力及計算通風阻力及計算 風流理論與參數計算風流理論與參數計算u本部分主要討論以下問題：本部分主要討論以下問題：u1 1、干、濕空氣密度的計算；、干、濕空氣密度的計算；u2 2、風壓、風壓( (靜壓、動壓和全壓靜壓、動壓和全壓) )的計算及測定；的計算及測定；u3 3、通風連續(xù)方程及其應用；、通風連續(xù)方程及其應用；u4 4、通風風流型式、

2、風流結構及風速分布與風、通風風流型式、風流結構及風速分布與風速測定；速測定； u5 5、通風能量方程及其應用；、通風能量方程及其應用； u6 6、（通風阻力及其計算）。、（通風阻力及其計算）。第二章第二章 通風風流基礎理論通風風流基礎理論及空氣參數計算及空氣參數計算2.1 2.1 通風空氣參數通風空氣參數2.2 2.2 風流流動特性風流流動特性2.3 2.3 空氣流動過程的基本方程空氣流動過程的基本方程2.4 2.4 風流參數的測定風流參數的測定一、干、濕空氣密度的計算一、干、濕空氣密度的計算u密度定義式：單位體積空氣所具有的質量。密度定義式：單位體積空氣所具有的質量。kg/mkg/m3 3

3、， 用符號用符號表示：表示：u式中式中 M M空氣的質量，空氣的質量，kgkg；u V V空氣的體積，空氣的體積，m m3 3。u空氣密度隨空氣壓力、溫度及濕度而變化。空氣密度隨空氣壓力、溫度及濕度而變化。u實際空氣密度計算式由氣態(tài)方程求得。實際空氣密度計算式由氣態(tài)方程求得。VM2.1 2.1 通風空氣參數通風空氣參數一、干、濕空氣密度的計算一、干、濕空氣密度的計算u氣態(tài)方程：氣態(tài)方程：u式中式中干空氣實際密度，干空氣實際密度，kg/mkg/m3 3；u 0 0標準狀態(tài)干空氣的密度，標準狀態(tài)干空氣的密度，kg/mkg/m3 3；u P P、P P0 0分別為實際狀態(tài)及標準狀態(tài)下分別為實際狀態(tài)及

4、標準狀態(tài)下的空氣壓力，千帕（的空氣壓力，千帕（kpakpa）；）；u T T、T T0 0分別為實際狀態(tài)及標準狀態(tài)下分別為實際狀態(tài)及標準狀態(tài)下空氣的熱力學溫度，空氣的熱力學溫度，K K。TPPT000 一、干、濕空氣密度的計算一、干、濕空氣密度的計算u標準狀態(tài)：標準狀態(tài)：T T0 0=273K=273K，P P0 0=101.3kPa,=101.3kPa,干空氣干空氣密度密度0 0=1.293 kg/m=1.293 kg/m3 3。干空氣密度計算式干空氣密度計算式：u注意：注意：式中式中P P為空氣的絕對壓力，單位為為空氣的絕對壓力，單位為kPakPa；T T為空氣的熱力學溫度（為空氣的熱力學

5、溫度（K K），），T=273+t, tT=273+t, t為空氣的攝氏溫度（為空氣的攝氏溫度（）。）。 TP48. 3干、濕空氣密度的計算u濕空氣濕空氣：濕空氣壓力等于干空氣分壓與水蒸汽分：濕空氣壓力等于干空氣分壓與水蒸汽分壓之和。壓之和。 干空氣干空氣 P水蒸氣水蒸氣干空氣干空氣 濕空氣濕空氣 P干空氣干空氣 PdPs道爾頓分壓定律道爾頓分壓定律: P=Pd+Ps , Ps=Pbu根據道爾頓分壓定律即可推導出濕空根據道爾頓分壓定律即可推導出濕空氣密度計算式：氣密度計算式：u式中式中 w w 濕空氣密度濕空氣密度, kg/m, kg/m3 3；u 空氣相對濕度，空氣相對濕度，% %；u P

6、Pb b飽和水蒸汽壓力，飽和水蒸汽壓力，kPakPa)378. 01 (48. 3PPTPbw二、空氣壓力靜壓u風壓風壓：通風中空氣壓力也叫風流壓力（簡稱為風：通風中空氣壓力也叫風流壓力（簡稱為風壓），它是表示運動空氣所具有的能量壓），它是表示運動空氣所具有的能量, , 它包括靜它包括靜壓、動壓和全壓。標高越低壓力越大。壓、動壓和全壓。標高越低壓力越大。u靜壓靜壓：氣體分子對容器壁所施加的壓力。：氣體分子對容器壁所施加的壓力。u基本性質基本性質：靜壓總是垂直并指向作用面；靜壓各向：靜壓總是垂直并指向作用面；靜壓各向同值。同值。u表示形式表示形式：絕對靜壓絕對靜壓以絕對零壓作為基準的靜壓以絕對零

7、壓作為基準的靜壓, , 用用P Pk k表示；表示；相對靜壓相對靜壓以當地大氣壓力為基準的靜以當地大氣壓力為基準的靜壓壓, , 用用P Pr r表示表示。 二、空氣壓力靜壓u絕對靜壓和相對靜壓的關系：絕對靜壓和相對靜壓的關系：u關系式關系式: r = k -0 絕對零壓絕對零壓當地大氣壓當地大氣壓PkPrP0二、空氣壓力靜壓u不同標高靜壓計算不同標高靜壓計算：流體力學歐拉方程流體力學歐拉方程: u dp =gdz u積分即得靜壓計算式積分即得靜壓計算式： P =P0 -gz u式中式中z相對于基準的高度相對于基準的高度, m；u p0 z = 0基準處的空氣靜壓基準處的空氣靜壓,Pa( N/m

8、2)；u p 高度為高度為z處的空氣靜壓，處的空氣靜壓，Pa(N/m2)； u 空氣密度，空氣密度，kg/m3 ；u g 重力加速度，重力加速度，m/s2。二、空氣壓力靜壓u 可壓縮空氣密度可壓縮空氣密度：近似按等溫過程處理，：近似按等溫過程處理，即多變指數即多變指數n=1n=1，由氣態(tài)方程（，由氣態(tài)方程（P=RTP=RT）和）和歐拉方程得：歐拉方程得：u式中式中 T T空氣的熱力學溫度，空氣的熱力學溫度，K K；u R R空氣的氣體常數，空氣的氣體常數，R=287J/kgR=287J/kgK K。 u簡化計算式：展開成級數，略去高項。簡化計算式：展開成級數，略去高項。RTgzePP0)1(0

9、RTgzPP二、空氣壓力動壓，全壓u動壓：動壓：u動壓動壓單位體積風流運動所具有的動能。它單位體積風流運動所具有的動能。它恒為正，具有方向性，它的方向就是風流運恒為正，具有方向性，它的方向就是風流運動的方向。單位體積空氣的質量為動的方向。單位體積空氣的質量為（kg/mkg/m3 3），風流速度為），風流速度為(m/s)(m/s)，由動能公，由動能公式即得風流動壓式即得風流動壓H Hu u(Pa(Pa) )計算式：計算式：u H Hu u=2 2/ 2 / 2 u全壓：全壓：u 全壓全壓P Pt t等于靜壓等于靜壓P Ps s與動壓與動壓H Hu u之和，即之和，即u P Pt t = P =

10、Ps s + H + Hu u 空氣壓力空氣壓力動壓、靜壓、全壓關系動壓、靜壓、全壓關系 空氣壓力空氣壓力動壓、靜壓、全壓關系動壓、靜壓、全壓關系空氣壓力空氣壓力單位單位空氣壓力的國際單位為帕（空氣壓力的國際單位為帕（PaPa）、牛頓）、牛頓/ /米米2 2（N/mN/m2 2）。）。1Pa=1 N/m1Pa=1 N/m2 2。我國法定計量單。我國法定計量單位制規(guī)定，空氣壓力（壓強）的單位為帕。位制規(guī)定，空氣壓力（壓強）的單位為帕。帕（帕（PaPa）單位比較小，還可用百帕（）單位比較小，還可用百帕（hPahPa）、）、千帕（千帕（kPakPa）表示）表示 1hPa=100Pa1hPa=100P

11、a；1kPa=1000Pa1kPa=1000Pa?？諝鈮毫諝鈮毫y定測定u分為：分為：u空氣絕對壓力測定空氣絕對壓力測定u空氣相對壓力測定空氣相對壓力測定三、粘三、粘 度度u粘度粘度：表示空氣粘性大小的指標，分為動力粘度和：表示空氣粘性大小的指標，分為動力粘度和運動粘度。運動粘度。u動力粘度動力粘度：一般用：一般用 表示表示, , 其單位為其單位為NS/mNS/m2 2 (Pas), (Pas), 受氣溫影響受氣溫影響, , 與壓力無關。與壓力無關。u運動粘度運動粘度：一般用：一般用 表示，其單位為表示，其單位為m m2 2 /s /s，受溫度，受溫度和壓力影響。和壓力影響。u 與與 之間的

12、關系之間的關系：=/=/，其中，其中 為空氣的密度為空氣的密度（kg/mkg/m3 3）。計算中）。計算中, , 和和 可直接通過查表獲得?？芍苯油ㄟ^查表獲得。sdxduufu流態(tài)判據流態(tài)判據：雷諾數：雷諾數ReRe，當，當Re2300Re2300時為紊流，反之時為紊流，反之為層流。為層流。ReRe值計算式：值計算式：u m m流道流體平均速度，流道流體平均速度，m/s;m/s;u 空氣運動粘度，空氣運動粘度，m m2 2/s;/s;u D D流道直徑，流道直徑，m m。u非圓流道非圓流道：用等效直徑：用等效直徑 De=4S/PDe=4S/Px x 取代直徑取代直徑D D 。其。其中中S S為

13、流道的斷面積（為流道的斷面積（m m2 2），），P Px x為流道斷面周長為流道斷面周長（m m）。）。一、一、 風流流態(tài)風流流態(tài)DRe2.2 2.2 風流流動特性風流流動特性二、風流型式及風速二、風流型式及風速u管道的體積風量管道的體積風量：u Q=s ui ds u ui 管管道橫斷面上任一點的風速，道橫斷面上任一點的風速，m/s;u S 管管道橫斷面積，道橫斷面積，m2;uQ 管管道橫斷面上通過的體積風量，道橫斷面上通過的體積風量，m3/s。風流型式及風速風流型式及風速射流射流u分為自由射流和有限射流分為自由射流和有限射流風流型式及風速風流型式及風速射流射流u自由射流風流結構主要參數自

14、由射流風流結構主要參數: 擴張角和射流邊界層寬度R, 它們的計算式為:u tg(/2)=3.4a tg(/2)=3.4a u R = X tg(/2) = 3.4 a R = X tg(/2) = 3.4 a X ua a射流風流結構系數射流風流結構系數, , 圓管圓管a a=0.06=0.060.08 ;0.08 ;uX X離射流極點的距離。離射流極點的距離。u射流體風速分布：射流體風速分布：uu un n射流體軸線的風速，射流體軸線的風速，m/s;m/s;uu ur r射流體內距軸線射流體內距軸線r r距離處的風速距離處的風速,m/s,m/s。25 . 1)/(1 Rruunr風流型式及風

15、速風流型式及風速匯流匯流u分自由匯流分自由匯流( (如空間點匯如空間點匯) )和有限匯流和有限匯流( (如實如實際風筒入口的匯流際風筒入口的匯流) )?？臻g點匯風速計算：?？臻g點匯風速計算：u Q Q匯流體積風量，匯流體積風量，m m3 3/s/s；u r r距點匯的距離，距點匯的距離，m m；u r rr r點處的風速，點處的風速，m/sm/s。u風速與距離風速與距離r r的平方成反比的平方成反比, , 即距離增大即距離增大, , 風速激劇降低。風速激劇降低。24rQurr一、連續(xù)方程計算一、連續(xù)方程計算u 流體力學連續(xù)方程流體力學連續(xù)方程:u u一維流道：一維流道：u s u ds = 常

16、數常數u 穩(wěn)定一維流動，流經流道各斷面的空氣質量相等。穩(wěn)定一維流動，流經流道各斷面的空氣質量相等。u平均速度平均速度Um： 0)(udivtSdsUsm2.3 2.3 空氣流動過程的基本方程空氣流動過程的基本方程 一、連續(xù)方程計算一、連續(xù)方程計算u一維流道風流質量連續(xù)方程一維流道風流質量連續(xù)方程：u Um1S11=Um2S22 u式中式中 Um1、Um2流道流道1、2斷面的平均風斷面的平均風速，速，m/s；u S1、S2流道流道1、2斷面的斷面積，斷面的斷面積，m2；u1、2流道流道1、2斷面的空氣密度，斷面的空氣密度，kg/m3。u等密度等密度：即即1=2時：時：u Um1S1 = Um2S

17、2 一、連續(xù)方程計算一、連續(xù)方程計算u多支管多支管( (巷巷) )道連續(xù)方程：道連續(xù)方程：u節(jié)點分析法原理：流入、流出節(jié)點的質量節(jié)點分析法原理：流入、流出節(jié)點的質量流量的代數和為零。流量的代數和為零。u u式中下標式中下標i i表示節(jié)點處的第表示節(jié)點處的第i i分支；分支；un n表示節(jié)點處總的分支數；表示節(jié)點處總的分支數；u“”表示風流的流動方向。表示風流的流動方向。01inimiSU二、能量方程二、能量方程u能量方程是風流運動中能量守恒的數學表達式。能量方程是風流運動中能量守恒的數學表達式。u流體運動所具有的能量包括流體運動所具有的能量包括內能內能U和和機械能機械能E，而機械能包括流體的靜

18、壓能而機械能包括流體的靜壓能P，動壓能，動壓能2/2和和位勢能位勢能Zg，即，即uE = P + Zg +2/2 u如圖所示的流體微束，流體從斷面如圖所示的流體微束，流體從斷面1運動到斷運動到斷面面2的過程，由于與外界發(fā)生熱交換及對外界的過程，由于與外界發(fā)生熱交換及對外界做功，其能量就要發(fā)生變化。做功，其能量就要發(fā)生變化。二、能量方程二、能量方程二、能量方程二、能量方程u根據熱力學第一定律有根據熱力學第一定律有u（U1 + E1）-（U2 + E2）= q + h uU1、U2分別為斷面分別為斷面1、2流體的內能；流體的內能； E1、E2分別為斷面分別為斷面l、2流體的機械能；流體的機械能；

19、q流體與外界交換的熱量；流體與外界交換的熱量；uh流體對外界所做的功。流體對外界所做的功。u對于絕熱過程對于絕熱過程q = 0；對于等溫過程；對于等溫過程U1=U2。則不可壓縮流體絕熱、等溫的穩(wěn)定流動過程則不可壓縮流體絕熱、等溫的穩(wěn)定流動過程的能量方程為：的能量方程為：12222221112P2P hvgZvgZ二、能量方程應用二、能量方程應用u有風機能量方程：有風機能量方程：u u水平管道，進口與出口均為大氣壓時，風機水平管道，進口與出口均為大氣壓時，風機風壓風壓H H與風流阻力與風流阻力h h1212之間的計算式：之間的計算式：u H = H = 2 2 2 2/2 + h/2 + h12

20、12 12222221112P2P hvgZHvgZ 一、空氣壓力一、空氣壓力測定測定u絕對壓力：絕對壓力：u水銀氣壓計水銀氣壓計u空盒氣壓計空盒氣壓計水銀氣壓計水銀氣壓計2.4 2.4 風流參數的測定風流參數的測定空氣壓力空氣壓力測定測定u水銀氣壓計水銀氣壓計u空盒氣壓計空盒氣壓計空氣壓力空氣壓力測定測定空盒氣壓計空盒氣壓計空氣壓力空氣壓力測定測定u相對壓力測定方法：相對壓力測定方法：uU U型壓力計型壓力計u傾斜壓力計傾斜壓力計u補償微壓計補償微壓計u壓力傳感器型直讀壓力計壓力傳感器型直讀壓力計空氣壓力空氣壓力測定測定uU U型壓力計型壓力計空氣壓力空氣壓力測定測定補償式微壓計補償式微壓計

21、空氣壓力空氣壓力測定測定補償式微壓計補償式微壓計空氣壓力空氣壓力測定測定補償式微壓計補償式微壓計二、風速測定方法二、風速測定方法風風速速測測定定方方法法（表表2-2）方 法 應 用量程（m/s）精度（%）示蹤技術適用于低速，方向性強，但測定麻煩，多用于風流結構的測定0.025-0.2510-20卡他計法適用于低速，無方向性，測定麻煩，多用于室內定0.1-1機械風表無方向性，適用于一般風速測定，也可用于地下井巷風速。易損，應定期校正0.5-155-20動壓法多用于管道風速測定，在量程下精度較低3-50(U)0.9-50(微)1-5熱球風速儀可用于管道、井巷風速測定，在量程下限精度較低0.05-3

22、03-20熱線風速儀適用于低速定向或非定向的風速測定0.005-51-20激光測速儀適用于各種流速的測定0.0001-10001-10風速測定方法風速測定方法機械風表機械風表u類型：杯式和翼式兩種。類型：杯式和翼式兩種。風速測定方法風速測定方法機械風表機械風表u輕便型磁感風向風速表 u數字風速表 風速測定風速測定機械風表機械風表u杯式：用于杯式：用于10m/s10m/s的高風速測定；的高風速測定；u翼式：用于翼式：用于0.10.110m/s10m/s的中等風速測定，高靈敏度的中等風速測定，高靈敏度翼式風表可測定翼式風表可測定0.10.10.5m/s0.5m/s的低風速。的低風速。u測定計算：風

23、表指示表速測定計算：風表指示表速N N（轉（轉/s/s或或m/sm/s） u N=(NN=(Nt t-N-N0 0) / t) / t u實際風速實際風速u u換算：換算： u = aN+bu = aN+b u N N0 0、 N Nt t風表的初始和最終讀數，轉；風表的初始和最終讀數，轉；u t t測定時間，測定時間，s s；u a a、b b常數；常數；u u u測定的實際風速，測定的實際風速，m/sm/s。風速測定風速測定機械風表機械風表風速測定風速測定熱球風速儀熱球風速儀 風速測定風速測定熱球風速儀熱球風速儀熱式風速計熱式風速計 風速測定風速測定動壓法動壓法u測出風流動壓測出風流動壓H

24、 Hu u，后按下式計算出風速：，后按下式計算出風速：uH Hu u為斷面風流平均動壓為斷面風流平均動壓(Pa)(Pa)，為空氣密度為空氣密度(kg/m(kg/m3 3) )u平均動壓平均動壓H Hu u確定：確定：u圓管等環(huán)面積法：測點圓環(huán)半徑計算圓管等環(huán)面積法：測點圓環(huán)半徑計算uH2niRRi212 風速測定風速測定動壓法動壓法uR Ri i第第I I個測點圓環(huán)半徑，個測點圓環(huán)半徑，m m；uR R管道半徑，管道半徑，m m；ui i從管道中心算起圓環(huán)序號；從管道中心算起圓環(huán)序號；un n測點圓環(huán)數。測點圓環(huán)數。u一般直徑為一般直徑為300300500mm500mm時，時，n n取取3 3

25、，直徑為，直徑為500500800mm800mm時，時，n n取取4 4。u 管道斷面平均動壓管道斷面平均動壓HuHu（PaPa）計算式：）計算式：221)(nHHHHumuuu風速測定動壓法通風阻力通風阻力u重點和難點：重點和難點：1. 1. 通風阻力分類以及產生的原因通風阻力分類以及產生的原因2. 2. 通風阻力的規(guī)律與計算方法以及降低管道通風阻力的通風阻力的規(guī)律與計算方法以及降低管道通風阻力的主要措施主要措施 當空氣沿管道運動時，由于風流的粘滯性和慣性以及當空氣沿管道運動時，由于風流的粘滯性和慣性以及管道壁面等對風流的阻滯、擾動作用而形成通風阻力，管道壁面等對風流的阻滯、擾動作用而形成通

26、風阻力，它是造成風流能量損失的原因。管道通風阻力可分為它是造成風流能量損失的原因。管道通風阻力可分為兩類：摩擦阻力兩類：摩擦阻力( (也稱為沿程阻力也稱為沿程阻力) )和局部阻力。和局部阻力。一、風流流態(tài)一、風流流態(tài)1 1、管道流、管道流 同一流體在同一管道中流動時，不同的流速會形成不同的流動狀態(tài)。當流速較低同一流體在同一管道中流動時，不同的流速會形成不同的流動狀態(tài)。當流速較低時，流體質點互不混雜，流體運動軌跡為規(guī)則的直線或平滑的曲線，且與管道的時，流體質點互不混雜，流體運動軌跡為規(guī)則的直線或平滑的曲線，且與管道的軸線方向基本平行。沿著與管軸平行的方向作層狀運動，稱為層流軸線方向基本平行。沿著

27、與管軸平行的方向作層狀運動，稱為層流( (或滯流或滯流) )。當。當流速較大時，流體質點的運動速度在大小和方向上都隨時發(fā)生變化，成為互相混流速較大時，流體質點的運動速度在大小和方向上都隨時發(fā)生變化，成為互相混雜的紊亂流動，稱為雜的紊亂流動，稱為紊流紊流( (或湍流或湍流) )。 （）雷諾數）雷諾數Re Re 式中：平均流速式中：平均流速v v 管道直徑管道直徑d d 流體的運動粘性系數流體的運動粘性系數 。 VdRe 第一節(jié)第一節(jié) 管道斷面上風速分布管道斷面上風速分布（）當量直徑）當量直徑 對于非圓形斷面的管道，對于非圓形斷面的管道，Re Re 數中的管道直徑數中的管道直徑d d應以管道斷面的

28、當量應以管道斷面的當量直徑直徑dede來表示：來表示： 因此，非圓形斷面管道的雷諾數可用下式表示：因此，非圓形斷面管道的雷諾數可用下式表示： 對于不同形狀的管道斷面，其周長對于不同形狀的管道斷面，其周長U U與斷面積與斷面積S S的關系，可用下式表的關系，可用下式表示：示： 式中：式中：C C斷面形狀系數：梯形斷面形狀系數：梯形C C=4.16=4.16；三心拱；三心拱C C=3.85=3.85；半圓拱；半圓拱C C=3.90=3.90。 USde4UVSRe 4 SCU 在實際工程計算中，為簡便起見，通常以在實際工程計算中，為簡便起見，通常以R Re e=2300=2300作為管道流動流態(tài)作

29、為管道流動流態(tài)的判定準數，即：的判定準數，即： R Re e2300 2300 層流，層流， R Re e2300 2300 紊流紊流（）紊流脈動（）紊流脈動 風流中各點的流速、壓力等物理參數隨時間作不規(guī)則變化風流中各點的流速、壓力等物理參數隨時間作不規(guī)則變化（）時均速度（）時均速度 瞬時速度瞬時速度 v vx x 隨時間隨時間的變化。其值雖然不斷變化，但在一足夠長的時間段的變化。其值雖然不斷變化，但在一足夠長的時間段 T T 內，流速內，流速 v vx x 總是圍繞著某一平均值上下波動?？偸菄@著某一平均值上下波動。Tvxvxt二、管道斷面上風速分布二、管道斷面上風速分布層流邊層：在貼近壁面

30、處仍存在層流運動薄層，即層流邊層。其厚度隨Re增加而變薄，它的存在對流動阻力、傳熱和傳質過程有較大影響。在層流邊層以外，從巷壁向巷道軸心方向，風速逐漸增大，呈拋物線分布。平均風速： 式中： 巷道通過風量Q。則：QV SSiSvSvd1SiSv dvvmaxvmax( (）巷道風速分布）巷道風速分布 由于空氣的粘性和管道壁面摩擦影響，管道斷面上風速分布是由于空氣的粘性和管道壁面摩擦影響，管道斷面上風速分布是不均勻的。不均勻的。風量 風速分布系數：斷面上平均風速v與最大風速vmax的比值稱為風速分布系數(速度場系數)，用Kv表示： 巷壁愈光滑，Kv值愈大，即斷面上風速分布愈均勻。 砌碹巷道，Kv=

31、0.80.86；木棚支護巷道，Kv=0.680.82； 無支護巷道，Kv=0.740.81。maxvvKv 風風 速速 分分 布布 系系 數數一、摩擦阻力一、摩擦阻力 風流在管道中作均勻流動時，由于流體層間的摩擦和流體與管道壁面之間風流在管道中作均勻流動時，由于流體層間的摩擦和流體與管道壁面之間的摩擦所形成的阻力稱為摩擦阻力的摩擦所形成的阻力稱為摩擦阻力( (也叫沿程阻力也叫沿程阻力) )。 注：均勻流動指的是風流速度大小和方向都不變，且各斷面速度分布是一注：均勻流動指的是風流速度大小和方向都不變，且各斷面速度分布是一致的。由流體力學可知，無論層流還是紊流，以風流壓能損失來反映的摩擦致的。由流

32、體力學可知，無論層流還是紊流，以風流壓能損失來反映的摩擦阻力可用下式來計算：阻力可用下式來計算： Pa Pa 無因次系數，即摩擦阻力系數，通過實驗求得。無因次系數，即摩擦阻力系數，通過實驗求得。 d d圓形風管直徑，非圓形管用當量直徑；圓形風管直徑，非圓形管用當量直徑；摩擦風阻與阻力摩擦風阻與阻力2 2vdLhf實際流體在流動過程中，沿程能量損失一方面（內因）取決于粘滯力和慣實際流體在流動過程中，沿程能量損失一方面（內因）取決于粘滯力和慣性力的比值，用雷諾數性力的比值，用雷諾數ReRe來衡量；另一方面（外因）是固體壁面對流體流來衡量；另一方面（外因）是固體壁面對流體流動的阻礙作用，故沿程能量損

33、失又與管道長度、斷面形狀及大小、壁面粗動的阻礙作用，故沿程能量損失又與管道長度、斷面形狀及大小、壁面粗糙度有關。其中壁面粗糙度的影響通過糙度有關。其中壁面粗糙度的影響通過值來反映。值來反映。 1932193219331933年間，尼古拉茲把經過篩分、粒徑為年間，尼古拉茲把經過篩分、粒徑為的砂粒均勻粘貼于管的砂粒均勻粘貼于管壁。砂粒的直徑壁。砂粒的直徑就是管壁凸起的高度，稱為絕對糙度；絕對糙度就是管壁凸起的高度，稱為絕對糙度；絕對糙度與管與管道半徑道半徑r r的比值的比值/r /r 稱為相對糙度。以水作為流動介質、對相對糙度分別稱為相對糙度。以水作為流動介質、對相對糙度分別為為1/151/15、

34、1/30.61/30.6、1/601/60、1/1261/126、1/2561/256、1/5071/507六種不同的管道進行試驗研六種不同的管道進行試驗研究。對實驗數據進行分析整理，在對數坐標紙上畫出究。對實驗數據進行分析整理，在對數坐標紙上畫出與與ReRe的關系曲線，的關系曲線，如圖所示。如圖所示。1 1尼古拉茲實驗尼古拉茲實驗 區(qū)區(qū)層流區(qū)層流區(qū)。當當ReRe2320(2320(即即lgRelgRe3.36)3.36)時，不論管時，不論管道粗糙度如何，其實驗結果都集中分布于直線道粗糙度如何，其實驗結果都集中分布于直線上。這表上。這表明明與相對糙度與相對糙度/r/r無關，只與無關，只與ReR

35、e有關，且有關，且=64/=64/ReRe。與與相對粗糙度無關相對粗糙度無關 結論分析：結論分析：層流區(qū)區(qū)區(qū)過渡流區(qū)過渡流區(qū)。23202320ReRe4000(4000(即即3.36lg3.36lgReRe3.6)3.6)，在此區(qū)間內，不同相對糙度的管內，在此區(qū)間內，不同相對糙度的管內流體的流態(tài)由層流轉變?yōu)槲闪?。所有的實驗點幾乎都集流體的流態(tài)由層流轉變?yōu)槲闪?。所有的實驗點幾乎都集中在線段中在線段上。上。隨隨ReRe增大而增大，與相對糙度無明顯增大而增大，與相對糙度無明顯關系。關系。區(qū)區(qū)過渡流區(qū)過渡流區(qū)過渡流區(qū)區(qū)區(qū)水力光滑管區(qū)水力光滑管區(qū)。在此區(qū)段內，管內流動雖然都已處于紊流狀在此區(qū)段內，管內流

36、動雖然都已處于紊流狀態(tài)態(tài)( (ReRe4000)4000)，但在一定的雷諾數下，當層流邊層的厚度，但在一定的雷諾數下，當層流邊層的厚度大于管道大于管道的絕對糙度的絕對糙度（稱為水力光滑管）時，其實驗點均集中在直線（稱為水力光滑管）時，其實驗點均集中在直線上，上，表明表明與與仍然無關，而只與仍然無關，而只與ReRe有關。隨著有關。隨著ReRe的增大，相對糙度大的的增大，相對糙度大的管道，實驗點在較低管道，實驗點在較低ReRe時就偏離直線時就偏離直線，而相對糙度小的管道要在，而相對糙度小的管道要在ReRe較大時才偏離直線較大時才偏離直線。區(qū)區(qū)水力光滑管區(qū)水力光滑管區(qū)水力光滑區(qū) 區(qū)區(qū)紊流過渡區(qū)紊流過

37、渡區(qū)，即圖中即圖中所示區(qū)段。在這個區(qū)所示區(qū)段。在這個區(qū)段內，各種不同相對糙度的實驗點各自分散呈一波狀段內，各種不同相對糙度的實驗點各自分散呈一波狀曲線，曲線，值既與值既與ReRe有關，也與有關，也與/ /r r有關有關。區(qū)區(qū)紊流過渡區(qū)紊流過渡區(qū)紊流層區(qū)區(qū)水力粗糙管區(qū)水力粗糙管區(qū)。在。在該區(qū)段，該區(qū)段，ReRe值較大，管內液流的層流邊層值較大，管內液流的層流邊層已變得極薄，有已變得極薄，有，砂粒凸起高度幾乎全暴露在紊流核心，砂粒凸起高度幾乎全暴露在紊流核心中，中，故故ReRe對對值的影響極小值的影響極小，略去不計，相對糙度成為，略去不計，相對糙度成為的唯一影響的唯一影響因素。故在該區(qū)段，因素。故

38、在該區(qū)段，與與ReRe無關，而只與相對糙度有關。摩擦阻無關，而只與相對糙度有關。摩擦阻力與流速平方成正比，故稱為阻力平方區(qū)，尼古拉茲公式：力與流速平方成正比，故稱為阻力平方區(qū)，尼古拉茲公式：2lg274.11r區(qū)區(qū)水力粗糙管區(qū)水力粗糙管區(qū)當流體在圓形管道中作層流流動時，從理論上可以導出摩擦阻力計算式：當流體在圓形管道中作層流流動時，從理論上可以導出摩擦阻力計算式： = = 可得圓管層流時的沿程阻力系數：可得圓管層流時的沿程阻力系數： 古拉茲實驗所得到的層流時古拉茲實驗所得到的層流時與與ReRe的關系，與理論分析得到的關系完全相的關系，與理論分析得到的關系完全相同，理論與實驗的正確性得到相互的驗

39、證。同，理論與實驗的正確性得到相互的驗證。 層流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比。層流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比。2 2層流摩擦阻力層流摩擦阻力vdLhf232VdRe 2 642vdLRehfRe643 3、紊流摩擦阻力、紊流摩擦阻力 對于紊流運動，對于紊流運動，=f (Re=f (Re，/r)/r)，關系比較復雜。用當，關系比較復雜。用當量直徑量直徑dede=4=4S S/ /U U代替代替d d，代入阻力通式，則得到紊流狀態(tài)，代入阻力通式，則得到紊流狀態(tài)下管道的摩擦阻力計算式：下管道的摩擦阻力計算式：23288QSLUvSLUhf3 3、紊流摩擦阻力、紊流摩擦阻力1 1摩擦阻力系數

40、摩擦阻力系數 大多數通風管道風流的大多數通風管道風流的ReRe值已進入阻力平方區(qū)，值已進入阻力平方區(qū)，值只與相對糙度有關，值只與相對糙度有關，對于幾何尺寸和支護已定型的管道，相對糙度一定，則對于幾何尺寸和支護已定型的管道，相對糙度一定，則可視為定值；在可視為定值；在標準狀態(tài)下空氣密度標準狀態(tài)下空氣密度=1.2kg/m=1.2kg/m3 3。 對上式，對上式， 令：令： 稱為摩擦阻力系數稱為摩擦阻力系數，單位為，單位為 kg/mkg/m3 3 或或 N.sN.s2 2/m/m4 4。二、摩擦阻力系數與摩擦風阻二、摩擦阻力系數與摩擦風阻823QSLUhf則得到紊流狀態(tài)下管道的摩擦阻力計算式寫為：則

41、得到紊流狀態(tài)下管道的摩擦阻力計算式寫為：標準摩擦阻力系數：標準摩擦阻力系數：8 通過大量實驗和實測所得的、在標準狀態(tài)通過大量實驗和實測所得的、在標準狀態(tài)（0 0=1.2kg/m=1.2kg/m3 3）條件下的管道的摩擦阻力）條件下的管道的摩擦阻力 系數，即所謂標準值系數，即所謂標準值0 0值，當管道中空氣值，當管道中空氣 密度密度1.2kg/m1.2kg/m3 3時，其時，其值應按下式修正：值應按下式修正：2.10值的修正值的修正對于已給定的管道，對于已給定的管道，L L、U U、S S都為已知數，故可把上式中的都為已知數，故可把上式中的、L L、U U、S S 歸歸結為一個參數結為一個參數R

42、 Rf f：R Rf f 稱為摩擦風阻，其單位為：稱為摩擦風阻，其單位為：kg/mkg/m7 7 或或 N.sN.s2 2/m/m8 8。工程單位：工程單位：kgfkgf .s .s2 2/m/m8 8 ，或寫成：，或寫成：kk。1 N.s1 N.s2 2/m/m8 8= 9.8 k= 9.8 k R Rf ff ( ,S,U,L)f ( ,S,U,L) 。在正常條件下當某一段管道中的空氣密度。在正常條件下當某一段管道中的空氣密度 一般變化不大時，可將一般變化不大時，可將R R f f 看作是反映管道幾何特征的參數?？醋魇欠从彻艿缼缀翁卣鞯膮怠t得到紊流狀態(tài)下管道的摩擦阻力計算式寫為：則得到

43、紊流狀態(tài)下管道的摩擦阻力計算式寫為：此式就是完全紊流此式就是完全紊流( (進入阻力平方區(qū)進入阻力平方區(qū)) )下的摩擦阻力定律。下的摩擦阻力定律。2 2摩擦風阻摩擦風阻R Rf f3SLURf2QRhff3.選用周界較小的管道w減少摩擦阻力的措施減少摩擦阻力的措施1.降低摩擦阻力系數2.擴大巷道斷面4.減小巷道的長度5.避免巷道內風量過大6. 避免巷道內風量過于集中一、局部阻力一、局部阻力由于管道斷面、方向變化以及分岔或匯合等原因，使均勻流動在局部由于管道斷面、方向變化以及分岔或匯合等原因，使均勻流動在局部地區(qū)風流受到影響而破壞，從而引起風流速度場分布變化和產生渦流地區(qū)風流受到影響而破壞，從而引

44、起風流速度場分布變化和產生渦流等，因而在局部地點產生一種附加的阻力，造成風流的能量損失，這等，因而在局部地點產生一種附加的阻力，造成風流的能量損失，這種阻力稱為局部阻力。局部阻力所產生風流速度場分布的變化比較復種阻力稱為局部阻力。局部阻力所產生風流速度場分布的變化比較復雜。局部阻力一般發(fā)生在巷道拐彎、分叉、匯合、巷道斷面變化處、雜。局部阻力一般發(fā)生在巷道拐彎、分叉、匯合、巷道斷面變化處、進風井口、回風井口處等。進風井口、回風井口處等。第三節(jié)第三節(jié) 局部風阻與阻力局部風阻與阻力、突變、突變 紊流通過突變部分時，由于慣性作用，出現(xiàn)主流與邊壁脫離脫離的現(xiàn)象, 在主流與邊壁之間形成渦漩區(qū)渦漩區(qū)，從而增

45、加能量損失。突然擴大狀態(tài)突然擴大狀態(tài) 突然縮小狀態(tài)突然縮小狀態(tài)幾種常見的局部阻力產生的類型幾種常見的局部阻力產生的類型交匯合流三通、漸變、漸變 主要是由于沿流動方向出現(xiàn)減速增壓現(xiàn)象，在邊壁附近產生主要是由于沿流動方向出現(xiàn)減速增壓現(xiàn)象，在邊壁附近產生渦漩。因為渦漩。因為 V hV hv v p p ，壓差的作用方向與流動方向相反，壓差的作用方向與流動方向相反，使邊壁附近，流速本來就小，趨于使邊壁附近，流速本來就小，趨于0, 0, 在這些地方主流與邊在這些地方主流與邊壁面脫離，出現(xiàn)與主流相反的流動，呈現(xiàn)渦漩。壁面脫離，出現(xiàn)與主流相反的流動，呈現(xiàn)渦漩。漸變狀態(tài)漸變狀態(tài) 、轉彎處、轉彎處u流體質點在轉

46、彎處受到離心力作用，在外側出現(xiàn)減速增壓，出現(xiàn)渦漩。u u u 轉彎狀態(tài)轉彎狀態(tài)、分岔與匯合、分岔與匯合u 局部阻力的產生主要是與渦流區(qū)有關，渦流區(qū)愈大，能量損失愈多，局部阻力愈大。2312312二、局部阻力及其計算二、局部阻力及其計算 根據水力學包達根據水力學包達卡諾定律，局部阻力卡諾定律，局部阻力hl一般也用動壓的倍一般也用動壓的倍數來表示：數來表示： ，局部阻力，局部阻力h hl l一般也用動壓的倍數來表示：一般也用動壓的倍數來表示： 式中：式中：局部阻力系數，無因次。局部阻力系數，無因次。 計算局部阻力，關計算局部阻力，關鍵是局部阻力系數確定，因鍵是局部阻力系數確定，因v=Q/S,v=Q

47、/S,當當確定后，便可用以下確定后，便可用以下式子計算。式子計算。 22vhlReB222QShl 三、局部阻力系數三、局部阻力系數(一一) 局部阻力系數局部阻力系數 紊流狀態(tài)局部阻力系數紊流狀態(tài)局部阻力系數一般主要取決于局部阻力物的一般主要取決于局部阻力物的形狀，而邊壁的粗糙程度為次要因素。形狀，而邊壁的粗糙程度為次要因素。 主要有以下幾種代表性狀態(tài)主要有以下幾種代表性狀態(tài)1突然擴大；突然擴大；2突然縮?。煌蝗豢s??；3逐漸擴大；逐漸擴大；4轉彎。轉彎。1 1突然擴大突然擴大2211211222122211QSvvSShl根據水力學根據水力學包達包達卡諾定律卡諾定律 2222222222122221QSvvSShl式中：式中： v1、v2分別為小斷面和大斷分別為小斷面和大斷面的平均流速，面的平均流速，m/s； S1、S2分別為小斷面和大分別為小斷面和大斷面的面積，斷面的面積，m； m空氣平均密度，空氣平均密度，kg/m3。2 2突然縮小突然縮小1215 . 0SS013. 013逐漸擴大逐漸擴大 逐漸擴大的局部阻力比突然擴大小得多，其能量損失可認為由摩擦逐漸擴大的局部阻力比突然擴大小得多，其能量損失可認為由摩擦損失和擴張損失兩部分組成。損失和擴張損失兩部分組成。 當當2020時，漸擴段的局部阻力系數時，漸擴段的局部阻力系數可用下式求算：可用下式求算