118 空調(diào)通風(fēng)管道的阻力性能測(cè)試分析

1、空調(diào)通風(fēng)管道的阻力性能測(cè)試分析李曉冬 王莉 王彪摘要：空調(diào)通風(fēng)管道系統(tǒng)的阻力構(gòu)件主要有風(fēng)管，三通、四通、彎頭，本文主要選取三種不同材料的風(fēng)管（鍍鋅鐵皮風(fēng)管、無(wú)機(jī)玻璃鋼風(fēng)管、鋁箔聚氨酯復(fù)合風(fēng)管）、彎頭為研究對(duì)象，采用實(shí)驗(yàn)研究和理論分析相結(jié)合的方法，針對(duì)不同材料的風(fēng)管的阻力性能進(jìn)行測(cè)試研究；對(duì)多種彎頭的阻力性能進(jìn)行測(cè)試研究。對(duì)它們進(jìn)行綜合的比較分析，從而得出較客觀的評(píng)價(jià)。關(guān)鍵詞：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度阻力損失；局部阻力系數(shù)；曲率半徑；導(dǎo)流葉片1. 引言文中選取三種不同材料的風(fēng)管、彎頭為研究對(duì)象，進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理分析得出風(fēng)管的單位長(zhǎng)度阻力損失隨風(fēng)速的變化規(guī)律，并擬合出各風(fēng)管的單位長(zhǎng)度阻力損失公式，對(duì)

2、各風(fēng)管的阻力性能進(jìn)行了比較分析；得出彎頭的局部阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上研究了加大彎頭曲率半徑和在彎頭內(nèi)增設(shè)導(dǎo)流葉片這兩種方法的減阻效果。2. 測(cè)試內(nèi)容與方案設(shè)計(jì)21測(cè)試因素的確定上游管段的長(zhǎng)度對(duì)局部構(gòu)件中的流動(dòng)有重要的影響，對(duì)于下游管段，如果流速分布未恢復(fù)正常，則實(shí)測(cè)的局部阻力系數(shù)就會(huì)偏小。同一個(gè)構(gòu)件，進(jìn)出口段長(zhǎng)度不同時(shí)的阻力值也不同，應(yīng)該盡量地采取足夠長(zhǎng)的進(jìn)出口直管段進(jìn)行局部阻力試驗(yàn)，根據(jù)文獻(xiàn)，風(fēng)機(jī)出口管段大于8de(de為流速當(dāng)量直徑，de=2hb/(h+b)，h，b分別為矩形風(fēng)管的寬和高)時(shí)，沿程動(dòng)壓基本趨于穩(wěn)定，此后的管段就可作為測(cè)量段。為此根據(jù)我們的實(shí)驗(yàn)條件，選擇試件

3、的進(jìn)口段長(zhǎng)度（即風(fēng)機(jī)出風(fēng)段長(zhǎng)度）L=10de 。測(cè)試采用標(biāo)準(zhǔn)畢托管與數(shù)字微壓力計(jì)相配合，直接測(cè)量風(fēng)管內(nèi)的全壓和靜壓的方法。測(cè)量時(shí)，需將畢托管伸進(jìn)風(fēng)管中，并且使總壓管的測(cè)頭正對(duì)氣流來(lái)流方向。合理地選擇測(cè)量斷面，可以最大限度地減少氣流擾動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。測(cè)量不同材料的風(fēng)管時(shí)，由于風(fēng)管本身不是局部構(gòu)件，空氣經(jīng)過(guò)時(shí)沒有風(fēng)速大小及方向的變化，因此，測(cè)量時(shí)，將測(cè)量斷面設(shè)置在試件下游距離為2.5倍管徑，上游管段為2倍管徑的位置上；測(cè)量彎頭局部阻力系數(shù)時(shí)，將測(cè)量斷面，設(shè)在試件下游距離為6倍管徑，上游管段為2倍管徑的位置上。對(duì)于測(cè)點(diǎn)分布的選擇，采用中間矩形法。本實(shí)驗(yàn)中的管道斷面尺寸為500mm400mm，其測(cè)

4、點(diǎn)在測(cè)量斷面上的分布如圖2-1 所示。圖2-1實(shí)驗(yàn)管道測(cè)量點(diǎn)分布圖2.2測(cè)試裝置系統(tǒng)圖實(shí)驗(yàn)裝置原理圖如圖2-2和圖2-3所示。1風(fēng)機(jī) 2.軟接頭 3.靜壓箱 4.風(fēng)量調(diào)節(jié)閥 1風(fēng)機(jī) 2.軟接頭 3.靜壓箱 4. 風(fēng)量調(diào)節(jié)閥5.測(cè)驗(yàn)管 6.不同材料的風(fēng)管 5.測(cè)壓管 6.待測(cè)管段 圖2-2不同風(fēng)管材料實(shí)驗(yàn)圖 圖2-3彎頭實(shí)驗(yàn)圖2.3測(cè)試步驟2.3.1不同材料的風(fēng)管的測(cè)量調(diào)節(jié)變頻器，在1040HZ由小到大每隔5HZ作為一個(gè)工況，在每個(gè)工況下，分別測(cè)出個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力值。 測(cè)定室內(nèi)溫度和大氣壓力。 做好測(cè)定靜壓、全壓的準(zhǔn)備。 啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)變頻器的頻率。 讀取斷面上的靜壓值、全壓值。 調(diào)節(jié)變頻器的頻率，

5、改變風(fēng)量后重復(fù)上述步驟的各項(xiàng)測(cè)定，每個(gè)工況重復(fù)測(cè)量?jī)纱巍?更換風(fēng)管，重復(fù)以上測(cè)量步驟，并記錄測(cè)量結(jié)果。2.3.290彎頭的測(cè)量 測(cè)定室內(nèi)溫度和大氣壓力。 做好測(cè)定靜壓、全壓的準(zhǔn)備。 啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)變頻器的頻率。 讀取斷面上的靜壓值、全壓值。 調(diào)節(jié)變頻器的頻率，改變風(fēng)量后重復(fù)上述步驟的各項(xiàng)測(cè)定，每個(gè)工況重復(fù)測(cè)量?jī)纱巍?更換彎頭，重復(fù)以上測(cè)量步驟，并記錄測(cè)量結(jié)果。2.4測(cè)試誤差的分析為正確評(píng)定測(cè)試裝置的綜合誤差，通常是按間接測(cè)量隨機(jī)誤差的傳遞公式來(lái)估算的，也就是 （2-1）對(duì)于風(fēng)管單位長(zhǎng)度沿程阻力來(lái)說(shuō)，對(duì)于彎頭局部阻力系數(shù)來(lái)說(shuō)，式中、分別為斷面1全壓、斷面2全壓、測(cè)量試件與測(cè)量斷面之間摩擦阻力損失

6、、斷面1的靜壓、風(fēng)管測(cè)量長(zhǎng)度引起的相對(duì)誤差。，由于各測(cè)量斷面與試件之間的摩擦損失對(duì)和的計(jì)算結(jié)果影響甚小，故在誤差傳遞計(jì)算中忽略掉的影響，于是有對(duì)于風(fēng)管單位長(zhǎng)度沿程阻力來(lái)說(shuō)，對(duì)于彎頭局部阻力系數(shù)來(lái)說(shuō)，由于實(shí)驗(yàn)使用的壓力測(cè)量?jī)x器相同為數(shù)值微壓計(jì)，則=2000.5%=1Pa ；長(zhǎng)度測(cè)量的絕對(duì)誤差=0.01m 。對(duì)于風(fēng)管單位長(zhǎng)度沿程阻力來(lái)說(shuō)，于是對(duì)于彎頭局部阻力系數(shù)來(lái)說(shuō)， ，于是3.測(cè)試結(jié)果與分析3.1不同材料風(fēng)管的測(cè)試結(jié)果與分析3.1.1鍍鋅鐵皮風(fēng)管的測(cè)試結(jié)果與分析測(cè)量完畢后，根據(jù)不同工況下鍍鋅鐵皮風(fēng)管的測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)繪制出鍍鋅鐵皮風(fēng)管的風(fēng)速單位長(zhǎng)度摩擦阻力Rm的關(guān)系曲線圖，見圖3-1。并由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可

7、得鍍鋅鐵皮風(fēng)管單位長(zhǎng)度摩擦阻力隨風(fēng)速變化的擬合公式 Rm = -0.0005273v4 + 0.01813 v3 -0.2028 v2 + 1.164 v-1.964 (3-1)式中 Rm單位長(zhǎng)度阻力損失（Pa/m）； v風(fēng)速（m/s）。式（3-1）的擬合度為99.89%。 0.000.501.001.502.002.503.003.504.004.505.000.005.0010.0015.0020.00風(fēng)速（m/s）單位長(zhǎng)度摩擦阻力（Pa/m）圖3-1鍍鋅鐵皮風(fēng)管的單位長(zhǎng)度摩擦阻力與風(fēng)速的關(guān)系曲線3.1.2無(wú)機(jī)玻璃鋼風(fēng)管的測(cè)試結(jié)果與分析根據(jù)根據(jù)不同工況下無(wú)機(jī)玻璃鋼風(fēng)管的測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)繪制無(wú)機(jī)

8、玻璃鋼風(fēng)管的風(fēng)速單位長(zhǎng)度摩擦阻力Rm的關(guān)系曲線圖，見圖3-2。此外，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)可得無(wú)機(jī)玻璃鋼風(fēng)管單位長(zhǎng)度摩擦阻力隨風(fēng)速變化的擬合公式： Rm = -0.00022v4 + 0.0077 v3 -0.08 v2 + 0.5856 v-1.043 (3-2)式（3-2）的擬合度為99.94%。 0.000.501.001.502.002.503.003.504.004.505.000.002.004.006.008.0010.0012.0014.0016.00風(fēng)速（m/s）單位長(zhǎng)度摩擦阻力（Pa/m）圖3-2無(wú)機(jī)玻璃鋼風(fēng)管的單位長(zhǎng)度摩擦阻力與風(fēng)速關(guān)系曲線3.1.3鋁箔聚氨酯復(fù)合風(fēng)管的測(cè)試結(jié)果與分

9、析根據(jù)根據(jù)不同工況下鋁箔聚氨酯復(fù)合風(fēng)管的測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)繪制風(fēng)速單位長(zhǎng)度摩擦阻力Rm的關(guān)系曲線圖，見圖3-3。此外，根據(jù)測(cè)試所得數(shù)據(jù)可得鋁箔聚氨酯復(fù)合風(fēng)管單位長(zhǎng)度摩擦阻力隨風(fēng)速變化的擬合公式： Rm = -0.00145 v4 + 0.05234 v3 -0.6101v2 + 3.364 v -5.608 (3-3)式（3-3）的擬合度為99.53%。 0.002.004.006.008.0010.0012.000.002.004.006.008.0010.0012.0014.0016.00風(fēng)速（m/s）單位長(zhǎng)度摩擦阻力（Pa/m）圖3-3鋁箔聚氨酯復(fù)合風(fēng)管的單位長(zhǎng)度摩擦阻力與風(fēng)速關(guān)系曲線3.1.

10、4三種風(fēng)管的比較有上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可繪制出三種風(fēng)管單位長(zhǎng)度摩擦阻力性能比較圖，如圖3-4所示，可看出無(wú)機(jī)玻璃鋼風(fēng)管與鍍鋅鐵皮風(fēng)管的阻力性能隨風(fēng)速的變化相似，無(wú)機(jī)玻璃鋼風(fēng)管的單位長(zhǎng)度摩擦阻力稍大于鍍鋅鐵皮的。鋁箔聚氨酯風(fēng)管的單位長(zhǎng)度摩擦阻力遠(yuǎn)大于無(wú)機(jī)玻璃鋼和鍍鋅鐵皮風(fēng)管的，約是它們的22.4倍。鋁箔聚氨酯風(fēng)管的單位長(zhǎng)度阻力損失大的主要原因是為保證風(fēng)管的穩(wěn)固性，在內(nèi)部每隔一段距離設(shè)置一根加固支柱，這就增加了風(fēng)管內(nèi)空氣的擾動(dòng)，從而增加了阻力損失。另一個(gè)原因是鋁箔聚氨酯風(fēng)管的內(nèi)表面的粗糙度比其它兩種風(fēng)管大。根據(jù)各風(fēng)管的擬合曲線公式求出的特定風(fēng)速下的Rm值，如表3-1。圖3-4三種風(fēng)管單位長(zhǎng)度摩擦阻力性能比

11、較圖表3-1風(fēng)管單位長(zhǎng)度阻力損失風(fēng)管風(fēng)速（m/s）鍍鋅鐵皮風(fēng)管無(wú)機(jī)玻璃鋼風(fēng)管鋁箔聚氨酯風(fēng)管 30.150.180.2950.720.711.671.211.252.5291.871.923.89112.762.766.01133.773.78.6154.544.6410.823.290彎頭的測(cè)試結(jié)果與分析空氣流經(jīng)彎頭時(shí)，雖然過(guò)流斷面未發(fā)生變化，但彎頭內(nèi)流體流向發(fā)生變化。由于氣流慣性，在彎頭前半段，外側(cè)壓力沿程增大，內(nèi)測(cè)壓力沿程減??；而流速則是外側(cè)減小，內(nèi)測(cè)增大，外側(cè)的減速增壓區(qū)內(nèi)會(huì)發(fā)生邊界層脫離形成旋渦；在彎頭后半段，情況剛好相反，外側(cè)壓力沿程減小，內(nèi)測(cè)壓力沿程增大；而流速則是外側(cè)增大，內(nèi)測(cè)減

12、小，此時(shí)，內(nèi)側(cè)的減速增壓區(qū)內(nèi)也會(huì)發(fā)生邊界層脫離形成旋渦。內(nèi)側(cè)的旋渦，不論大小還是強(qiáng)度，一般都比外側(cè)的大。因此，要減小彎頭的局部阻力，就必須設(shè)法減少形成這兩個(gè)旋渦的原因。為此，可采取加大曲率半徑以減小曲率的措施，也可采用在彎頭內(nèi)加設(shè)導(dǎo)流葉片來(lái)減小彎頭的局部阻力系數(shù)的方法1-3。下文就從加大彎頭曲率半徑和在彎頭內(nèi)加設(shè)導(dǎo)流葉片兩個(gè)方面來(lái)研究減小彎頭局部阻力。3.2.1弧形彎頭(無(wú)導(dǎo)流葉片，R/d=0.5)根據(jù)測(cè)量結(jié)果可得出不同工況下弧形無(wú)導(dǎo)流葉片彎頭（R/d=0.5）的局部阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化關(guān)系圖，見圖3-5。由圖3-5可看出，隨著雷諾數(shù)的增加，弧形無(wú)導(dǎo)流葉片彎頭（R/d=0.5）的局部阻力系數(shù)

13、有所增加，但增加幅度不大。在Re1105時(shí)，彎頭的局部阻力系數(shù)在0.210.24范圍內(nèi)。3.2.2弧形彎頭(有導(dǎo)流葉片，R/d=0.5)根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果可得出不同工況下弧形有導(dǎo)流葉片彎頭（R/d=0.5）的局部阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化關(guān)系圖，見圖3-6。由圖3-6可看出隨著雷諾數(shù)的增加，弧形有導(dǎo)流葉片彎頭（R/d=0.5）的局部阻力系數(shù)先是有所降低，隨后又有所增加，但變化幅度不大。在Re1105時(shí)，彎頭的局部阻力系數(shù)在0.110.13范圍內(nèi)。 0.0000.0400.0800.1200.1600.2000.2400.280050000100000150000200000250000300000雷

14、諾數(shù)局部阻力系數(shù)圖3-5 弧形彎頭（無(wú)導(dǎo)流，R/d=0.5）的局部阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化曲線 0.0000.0200.0400.0600.0800.1000.1200.1400.160050000100000150000200000250000300000局部阻力系數(shù)雷諾數(shù) 圖3-6 弧形彎頭（有導(dǎo)流，R/d=0.5）的局部阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化曲線3.2.3直角彎頭(無(wú)導(dǎo)流葉片)根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果可得出不同工況下直角無(wú)導(dǎo)流葉片彎頭的局部阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化關(guān)系圖，見圖3-7。由圖3-7可看出隨著雷諾數(shù)的增加，直角無(wú)導(dǎo)流葉片彎頭的局部阻力系數(shù)先是有所降低，隨后又有所增加，但變化幅度不大。在Re

15、1105時(shí)，彎頭的局部阻力系數(shù)在0.30.33范圍內(nèi)。0.0000.0400.0800.1200.1600.2000.2400.2800.3200.3600.400050000100000150000200000250000300000雷諾數(shù)局部阻力系數(shù)圖3-7直角無(wú)導(dǎo)流葉片彎頭的局部阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化曲線3.2.4直角彎頭(有導(dǎo)流葉片)根據(jù)測(cè)試結(jié)果可得出不同工況下弧形無(wú)導(dǎo)流葉片彎頭（R/d=0.5）的局部阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化關(guān)系圖，見圖3-8。由圖3-8可看出隨著雷諾數(shù)的增加，直角有導(dǎo)流葉片彎頭的局部阻力系數(shù)先是有所降低，隨后又有所增加，但變化幅度不大。在Re1105時(shí)，彎頭的局部阻力

16、系數(shù)在0.240.26范圍內(nèi)。0.0000.0400.0800.1200.1600.2000.2400.280050000100000150000200000250000300000雷諾數(shù)局部阻力系數(shù)圖3-8 直角有導(dǎo)流葉片彎頭的局部阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化曲線3.2.5弧形彎頭(無(wú)導(dǎo)流葉片，R/d=1)根據(jù)測(cè)量結(jié)果可得出不同工況下弧形無(wú)導(dǎo)流葉片彎頭（R/d=0.5）的局部阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化關(guān)系圖，圖3-9。由圖3-9可看出隨著雷諾數(shù)的增加，弧形無(wú)導(dǎo)流導(dǎo)流葉片彎頭（R/d=1）的局部阻力系數(shù)先是有所降低，隨后又有所增加，但變化幅度不大。在Re1105時(shí)，彎頭的局部阻力系數(shù)在0.130.15范

17、圍內(nèi)。0.0000.0200.0400.0600.0800.1000.1200.1400.1600.180050000100000150000200000250000300000雷諾數(shù)局部阻力系數(shù)圖3-9弧形彎頭（無(wú)導(dǎo)流，R/d=1）的局部阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化關(guān)系圖3.2.6彎頭的綜合比較分析將以上五種彎頭的局部阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化曲線做比較，見圖3-10。由圖可看出Re1105時(shí)，弧形無(wú)導(dǎo)流葉片彎頭（R/d=0.5）的局部阻力系數(shù)是逐漸增大的，增大的幅度很小；其他四種彎頭隨著雷諾數(shù)的增大，先是逐漸減小，后又逐漸增大，但不論是減小還是增大，其幅度都是很小的（最大幅度15%），在一定的范圍內(nèi)

18、。可認(rèn)為在Re1105后，彎頭局部阻力系數(shù)基本與雷諾數(shù)無(wú)關(guān)，這時(shí)局部損失與流速的平方成正比，流動(dòng)進(jìn)入阻力平方區(qū)，局部阻力系數(shù)進(jìn)入自模區(qū)。由圖3-10及測(cè)試結(jié)果還可知道，弧形有導(dǎo)流葉片彎頭（R/d=0.5）的局部阻力系數(shù)約是弧形無(wú)導(dǎo)流葉片彎頭（R/d=0.5）的55%，同等條件下局部阻力損失減小45%；直角有導(dǎo)流葉片彎頭的局部阻力系數(shù)約是直角無(wú)導(dǎo)流葉片彎頭的80%，同等條件下局部阻力損失減小20%；弧形無(wú)導(dǎo)流葉片彎頭（R/d=1）的局部阻力系數(shù)約是弧形無(wú)導(dǎo)流葉片彎頭（R/d=0.5）的63%，同等條件下局部阻力損失減小37%。圖3-10 五種彎頭的局部阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化曲線比較圖參考文獻(xiàn)1R. Keith Mobley. Hydraulic Fundamentals. The Plant Performance Group. 2001:6396462Richard Gentle, Pete