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文檔簡介

關于空氣流動基本原理第1頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五本章學習目標1.掌握風道流動的空氣靜壓、位壓、動壓、全壓的概念及其相應關系2.掌握空氣流動的連續(xù)性方程和能量方程3.掌握紊流狀態(tài)下的摩擦阻力、局部阻力的計算4.了解風流流態(tài)與風道斷面的風速分布5.掌握通風網絡中風流的基本定律和簡單通風網路特性6.掌握自然風壓的計算方法7.了解風道通風壓力分布8.了解吸入口與吹出口氣流運動規(guī)律9.掌握均勻送風與置換通風方式的原理第2頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五第一節(jié)風流壓力

風流壓力:單位體積空氣所具有的能夠對外做功的機械能。一、靜壓

1.概念由分子熱運動產生的分子動能的一部分轉化的能夠對外做功的機械能叫靜壓能,用Ep表示(J/m3)。當空氣分子撞擊到器壁上時就有了力的效應,這種單位面積上力的效應稱為靜壓力,簡稱靜壓,用p表示(N/m2,即Pa)工業(yè)通風中,靜壓即單位面積上受到的垂直作用力。第3頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五2.特點(1)無論靜止的空氣還是流動的空氣都具有靜壓力。(2)風流中任一點的靜壓各向同值,且垂直作用面。(3)風流靜壓的大?。捎脙x表測量)反映了單位體積風流所具有的能夠對外做功的靜壓能的多少。

3.表示方法(1)絕對靜壓:以真空為測算零點(比較基準)而測得的壓力,用p表示。(2)相對靜壓:以當地當時同標高的大氣壓力為測算基準(零點)而測得的壓力,即表壓力,用h表示。第4頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五P0BAPAPPBPAPBhA(+)hB(-)真空(0)圖2-1-1絕對靜壓、相對靜壓和大氣壓之間的關系第5頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

風流的絕對靜壓(p)、相對靜壓(h)和與其對應的大氣壓(p0)三者之間的關系(見圖2-1-1):

h=p-p0二、動壓

1.概念當空氣流動時,除位壓和靜壓外,還有空氣定向運動的動能,用Ev表示,J/m3;其單位體積風流的動能所轉化顯現的壓力叫動壓或稱速壓,用hv表示,單位Pa。第6頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五2.計算設某點的空氣密度為ρi(kg/m3),其定向運動的流速即風速為i(m/s),則單位體積空氣所具有的動能為:

,J/m3Evi對外所呈現的動壓,Pa第7頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五3.特點(1)只有做定向流動的空氣才具有動壓,因此動壓具有方向性。(2)動壓總大于零。當作用面與流動方向有夾角時,其感受到的動壓值將小于動壓真值。故在測量動壓時,應使感壓孔垂直于運動方向。(3)在同一流動斷面上,由于風速分布的不均勻性,各點的風速不相等,所以其動壓值不等。(4)某斷面動壓即為該斷面平均風速計算值。第8頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五三、位壓

1.概念單位體積風流對于某基準面而具有的位能,稱為位壓,用hz表示。物體在地球重力場中因地球引力的作用,由于位置的不同而具有的一種能量,叫重力位能,簡稱位能,用Ep0表示。

Ep0=MgZ,J第9頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五abPiZ122211圖2-1-2位壓計算圖第10頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五2.計算在圖2-1-2所示的井筒中,求1-1、2-2兩斷面之間的位壓,取2-2點為基準面(2-2斷面的位能為零)。按下式計算1-1、2-2斷面間位壓:

,J/m3

此式是位壓的數學定義式。即兩斷面間的位壓的數值就等于兩斷面間單位面積上的空氣柱重量的數值。第11頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五3.位壓與靜壓的關系當空氣靜止時(v=0),如圖2-1-2的系統。由空氣靜力學可知,各斷面的機械能相等。設2-2斷面為基準面,

1-1斷面總機械能E1=Ep01+p12-2斷面總機械能E2=Ep02+p2

由E1=E2得:Ep01+p1=Ep02+p2

由于Ep02=0(以2-2斷面為基準面),Ep01=ρ12gZ12,又得p2=Ep01+p1=ρ12gZ12+p1

此即空氣靜止時,位壓與靜壓之間的關系。第12頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五4.位壓的特點(1)位壓是相對某一基準面具有的能量,它隨所選基準面的變化而變化。(2)位壓是一種潛在的能量,不能像靜壓那樣用儀表進行直接測量。(3)位壓和靜壓可以相互轉化,當空氣由標高高的斷面流至標高低的斷面時,位壓轉化為靜壓;反之,當空氣由標高低的斷面流至標高高的斷面時,靜壓轉化為位壓。第13頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五四、風流的全壓和機械能

1.風流的全壓風流中某一點的動壓和靜壓之和稱為全壓。全壓也分為絕對全壓(pt)和相對全壓(ht)。在風流中某點i的絕對全壓均可用下式表示

pti=pi+hvi式中pti——風流中i點的絕對全壓,Pa;

pi——風流中i點的絕對靜壓,Pa;

hvi——風流中i點的動壓,Pa。由上式可知,風流中的任一點的絕對全壓恒大于絕對靜壓;相對全壓有正負之分,與通風方式有關。第14頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五2.單位體積風流的機械能根據能量的概念,單位體積風流的機械能為單位體積風流的靜壓能、動能、位能之和,因此,從數值上來說,單位體積風流的機械能E等于靜壓、動壓和位壓之和,或等于全壓和位壓之和,即

E=pi+hvi+hZ或E=pti+hZ第15頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五第二節(jié)風流流動基本方程

包括風流流動的連續(xù)性方程和能量方程。本節(jié)主要介紹工業(yè)通風中空氣流動的壓力和能量變化規(guī)律,導出風道風流流動的連續(xù)性方程和能量方程。一、風流流動連續(xù)性方程風流在風道中的流動可以看作是穩(wěn)定流(流動參數不隨時間變化的流動)。質量守恒定律當空氣從風道的1斷面流向2斷面,且做定常流動時(即在流動過程中不漏風又無補給),則兩個過流斷面的空氣質量流量相等,即

ρ11S1=ρ22S2

第16頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

任一過流斷面的質量流量為Mi(kg/s),則

Mi=const這就是空氣流動的連續(xù)性方程,適用于可壓縮和不可壓縮流體。(1)可壓縮流體當S1=S2時,空氣的密度與其流速成反比。(2)不可壓縮流體(密度為常數)其通過任一斷面的體積流量Q(m3/s)相等,即

Q=iSi=const

風道斷面上風流的平均流速與過流斷面的面積成反比。第17頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五二、風流流動能量方程風流在圖2-2-1所示的風道中由1斷面流至2斷面,其間無其他動力源。設1kg空氣克服流動阻力消耗的能量為LR(J/kg),周圍介質傳遞給空氣的熱量為q(J/kg);設1、2斷面的參數分別為風流的絕對靜壓p1、p2(Pa),風流的平均流速1、2(m/s);風流的內能u1、u2(J/kg);風流的密度ρ1、ρ2(kg/m3);距基準面的高度Z1、Z2(m)。圖2-2-1傾斜風道示意圖0021Z1Z2第18頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

在1斷面下,1kg空氣具有的能量為到達2斷面時的能量為根據能量守恒定律,式中qR——風流克服通風阻力消耗的能量后所轉化的熱能,J/kg。第19頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

根據熱力學第一定律,傳給空氣的熱量(qR+q),一部分用于增加空氣的內能,一部分使空氣膨脹對外做功,即式中,v——空氣的比體積,m3/kg。又因為:將上兩式代入前面的公式,并整理可得

,J/kg

此即單位質量可壓縮空氣在無其他動力源的風道中流動時能量方程的一般形式。第20頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

進一步可求得:,J/kg此即單位質量可壓縮空氣在無其他動力源的風道中流動時的能量方程。同理,如有其他動力源并產生風壓Lt,則單位質量可壓縮空氣能量方程為:,J/kg第21頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

設1m3空氣流動過程中的能量損失為hR(Pa),則由體積和質量的關系,其值為1kg空氣流動過程中的能量損失(LR)乘以按流動過程狀態(tài)考慮計算的空氣密度ρm

,即

hR=LRρm將上式代入前面的式子,可得,J/m3。單位體積可壓縮空氣的能量方程(無其他動力源),J/m3。單位體積可壓縮空氣的能量方程(有其他動力源)第22頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五式中,p1-p2——靜壓差;

gρm(Z1-Z2)或——為1、2斷面的位壓差;

——是1、2斷面的速壓差。上式的物理意義為:1m3空氣在流動過程中的能量損失等于兩斷面間的機械能差。第23頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五三、使用單位體積流體能量方程的注意事項

1.由于風道斷面上風速分布的不均勻性和測量誤差,從嚴格意義上講,用實際測得的斷面平均風速計算出來的斷面總動能和斷面實際總動能是不等的。實際測得的斷面平均風速計算出來的斷面總動能應乘以動能系數加以修正。

動能系數Kv是斷面實際總動能與用實際測得的斷面平均風速計算出來的總動能的比值,計算式為:式中,vl為斷面S上微小面積dS的風速。

Kv值一般為1.02~1.1。在實際工業(yè)通風應用中,可取Kv=1。第24頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五2.在工業(yè)通風中,一般其動能差較小,式中ρm可分別用各自斷面上的密度來代替,以計算其動能差。

3.風流流動必須是穩(wěn)定流,即斷面上的參數不隨時間的變化而變化,所研究的始、末斷面要選在緩變流場上。

4.風流總是從總能量(機械能)大的地方流向總能量小的地方。在判斷風流方向時,應用始、末兩斷面上的總能量來進行。

5.在始、末斷面有壓源時,壓源的作用方向與風流的方向一致,壓源為正,說明壓源對風流做功;反之,則為通風阻力。

6.單位質量或單位體積流量的能量方程只適用于1、2斷面間流量不變的條件,對于流動過程中有流量變化的情況,應按總能量的守恒定律列方程。第25頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五第三節(jié)通風阻力

通風阻力是當空氣沿風道運動時,由于風流的黏滯性和慣性以及風道壁面等對風流的阻滯、擾動作用而形成的,它是造成風流能量損失的原因。通風阻力包括摩擦阻力(沿程阻力)和局部阻力。一、風流流態(tài)與風道斷面風速分布

1.管道風流流態(tài)

層流:在流速較低時,流體質點互不混雜,沿著與管軸方向平行的方向做層狀運動,稱為層流(或滯流)。

紊流:在流速較大時,流體質點的運動速度在大小和方向上都隨時發(fā)生變化,成為相互混雜的紊亂流動,稱為紊流(或湍流)。第26頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五第27頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

管道內流動的狀態(tài)的變化,可用無量綱雷諾數來表征式中v——氣流速度,m/s;

D——管道直徑,m;

ρ——氣體密度,kg/m3;

μ——氣體動力黏度,Pa·S。流體在直圓管內流動時,流動狀態(tài)的變化:

Re<2320(下臨界雷諾數):層流;

2320<Re<4000:不穩(wěn)定的過渡區(qū);

Re>4000(上臨界雷諾數):紊流。實際工程計算中,以Re=2300作為管道流動流態(tài)的判定準數,即:Re<2300層流;Re>2300紊流。第28頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五(a)層流(b)紊流圖2-3-1風流流態(tài)與風道斷面風速分布示意圖指數曲線拋物線vcvc第29頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五2.風道斷面風速分布

層流流態(tài)的風流,斷面上的流速分布為拋物線形,中心最大速度v0為平均流速的2倍(圖2-3-1)。

紊流狀態(tài)下,管道內流速的分布取決于Re的大小。距管中心r處的流速與管中心(r=0)最大流速v0的比值服從于指數定律(圖2-3-1)。式中r0——管道半徑;

n——取決于Re的指數:當Re=50000時,n=1/7;Re=200000時,n=1/8;Re=2000000時,n=1/10。第30頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

設斷面上任一點風速為vi,則風道斷面的平均風速v為式中,S為斷面面積,即為通過斷面S上的風量Q,則

Q=vS

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

其值與風道粗糙度有關。風道壁面愈光滑,該值愈大,即斷面上風速分布愈均勻。第31頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五二、一般管道通風摩擦阻力及計算圓形風道的摩擦阻力hr可按下式計算:,Pa式中λ——摩擦阻力無量綱系數;v——風道內空氣的平均流速,m/s;ρ——空氣的密度,kg/m3;

L——風道長度,m;

D——圓形風道直徑,m。如將風道長度為1m摩擦阻力稱為比摩阻,并以hb表示,則,Pa/m第32頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

當量直徑:指以與非圓形風道有相等比摩阻值的圓形風道直徑。分為流速當量直徑和流量當量直徑兩種,工程中一般用流速當量直徑De計算。

流速當量直徑:假想一圓形風道中的空氣流速與矩形風道的空氣流速相等,且單位長度摩擦阻力(比摩阻)也相等,計算出的圓形風道直徑??傻昧魉佼斄恐睆紻e與斷面積S、斷面周長U的關系為:對于不同形狀的通風斷面,其周長U與斷面面積S的關系:式中,C——斷面形狀系數(梯形C=4.16,三心拱C=3.85,半圓拱C=3.90)。第33頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

摩擦阻力無量綱系數λ與風道內空氣的流動狀態(tài)和管壁的粗糙度有關。管壁的粗糙度分為絕對粗糙度K和相對粗糙度K/D。

1.當流動處于層流區(qū)、層流紊流過渡區(qū)、紊流光滑區(qū),即時,λ主要與Re有關,與K/D無明顯關系;2.當流動處于紊流光滑區(qū)向紊流粗糙區(qū)過渡時,即Re介于兩者之間時,λ主要與Re、K/D均有關系;3.當流動處于阻力平方區(qū)(紊流粗糙區(qū))時,即時,λ只與K/D有關。第34頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

對于流動為紊流光滑區(qū)向阻力平方區(qū)過渡時的摩擦阻力無量綱系數λ,中國于1976年編制的《全國通用通風管道計算表》采用的公式為:式中K——風道內壁的當量絕對粗糙度,mm;D——風道直徑,mm。第35頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

在實際通風系統中,風道直徑很小、表面粗糙的磚、混凝土風道內和隧道及地下風道的流動狀態(tài)屬于阻力平方區(qū);除此以外,一般的通風管道的空氣流動狀態(tài)大多屬于紊流光滑區(qū)到紊流粗糙區(qū)之間的過渡區(qū)。在設計通風管道時,為避免繁瑣的計算,可根據前面的公式制成各種表格或線算圖?!度珖ㄓ猛L管道計算表》即是一種表格形式。圖2-3-2則是根據上述公式得到的線算圖,適用于K=0.15mm薄鋼板風道。第36頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五第37頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

工程計算中還常用一些簡化公式,如

運用線算圖或計算表,只要已知流量、管徑、流速、阻力四個參數中的任意兩個,即可求得其余兩個參數。必須指出:各種線算圖或計算表格,都是在一些特定的條件下作出的,使用時必須注意。第38頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

當實際條件與圖表條件相差較大時,應加以修正。修正的內容主要有以下三類:(1)粗糙度的修正當風道內壁的粗糙度K≠0.15mm時,可先由圖2-3-2查出hb0,再近似按下式修正:,Pa/m式中hb——實際比摩阻,Pa/m;

hb0——圖上查出的比摩阻,Pa/m;

Kr——風道內壁粗糙度修正系數;

K——風道內壁粗糙度,mm;

v——風道內空氣流速,m/s。第39頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

(2)空氣溫度和大氣壓力的修正按下式修正:,Pa/m式中,Kt——溫度修正系數,即

t——實際的空氣溫度,℃;

KB——大氣壓力修正系數,即

B——實際的大氣壓力,kPa。第40頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五Kt和KB也可以直接由圖2-3-3查得。從圖中可看出,在0~100℃范圍內,可近似把溫度和壓力的影響看作是直線關系。1.11.00.90.80.70.660708090100-50050100150t/℃B/kPaKBKtB圖2-3-3溫度與大氣壓的修正系數第41頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五【例1】

已知太原市某廠一通風系統采用鋼板制圓形風道,風量L=1000m3/h,管內空氣流速v=10m/s,空氣溫度t=80℃,求風管的管徑和單位長度的沿程損失。(太原市大氣壓力為91.9kPa)

解:由線算圖查得:D=200hb0=6.8Pa/m,太原市大氣壓力:B=91.9kPa

由圖2-3-3查得:Kt=0.86,KB=0.92

所以,

hb=KtKBhb0=0.86×0.92×6.8=5.38Pa/m第42頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五【例2】

有一鋼板制矩形風道,K=0.15mm,斷面尺寸為500×250mm,流量為L=2700m3/h,空氣溫度為t=50℃,求單位長度摩擦阻力損失。解:矩形風管內空氣流速

=m/s流速當量直徑

==m由=6m/s,=330mm,查圖2-3-2得:hb0=1.2Pa/m由圖2-3-3查得:t=50℃時,Kt=0.92所以hb=Kthb0=0.92×1.2=1.1Pa/m第43頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

(3)密度和黏度的修正

,Pa/m式中ρ——實際的空氣密度,kg/m3;

v——實際的空氣運動黏度,m2/s?!纠?】

有一表面光滑的磚砌風道(K=3mm),斷面尺寸為500×400mm,流量為L=1m3/S(3600m3/h),求單位長度摩擦阻力。第44頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五三、阻力平方區(qū)通風風道摩擦阻力及計算對于紊流粗糙區(qū)(阻力平方區(qū))的摩擦阻力無量綱系數λ一般采用以下公式或第45頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

在實際通風系統中,紊流粗糙區(qū)的風道如為非圓形,在前面計算圓形風道摩擦阻力hr的式子中,用當量直徑De代替D,則得到阻力平方區(qū)風道的摩擦阻力hr計算式:因此,對于幾何尺寸和風道壁面已定型的紊流粗糙區(qū)通風風道,λ之與K/D有關,可視為定值,在標準狀態(tài)下空氣密度為1.2kg/m3,故令,摩擦阻力系數,kg/m3或Ns2/m4。第46頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

前人通過大量實驗和實測所得的、在標準狀態(tài)(密度為1.2kg/m3)條件下的各類風道的摩擦阻力系數,即標準值α0見附錄10。當風道中空氣密度ρ不等于1.2kg/m3時,可按下式修正:將α代入摩擦阻力計算公式,可得若通過風道的風量為Q(m3/s)時,則對于已定型的風道,L、S、U等為已知,故令,風道的摩擦風阻,kg/m7或Ns2/m8

第47頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

在正常條件下當某一風道中的空氣密度一般變化不大時,可將Rr看作是反映風道幾何特征的參數。代入摩擦阻力計算公式,則有,Pa

此式就是紊流粗糙區(qū)(阻力平方區(qū))下的摩擦阻力定律。即當摩擦風阻一定時,摩擦阻力與風量的平方成正比。第48頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

例某設計地下風道為梯形斷面S=8m2,L=1000m,采用工字鋼棚支護,支架截面高度d0=14cm,縱口徑Δ=5,計劃通過風量Q=1200m3/min。預計風道中空氣密度ρ=1.25kg/m3,求該段風道的通風阻力。

解:根據所給的d0、Δ、Q值,由附錄10查得α0=284.2×10-4×0.88=0.025Ns2/m4

則風道實際摩擦阻力系數

Ns2/m4

風道摩擦風阻

Ns2/m8

風道摩擦阻力

Pa第49頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五四、局部阻力及其計算由于風道斷面、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)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等,造成風流的能量損失,這種阻力稱為局部阻力。

1.局部阻力的成因第50頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五2.局部阻力及其計算局部阻力hl一般用動壓的倍數來表示式中,ξ——局部阻力系數,無量綱,通過實驗確定。若通過風道的風量為Q(m3/s)時,則上式變?yōu)椋捍罅繉嶒炞C明,ξ只取決于局部構件的形狀。令,局部風阻代入上式,有此即紊流流動下的局部阻力定律。第51頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五第52頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五五、減少通風阻力的措施

h=hr+hl1.減少通風摩擦阻力措施(1)減小相對粗糙度;(2)保證有足夠大的風道斷面;(3)選用斷面周長較小的風道;(4)減少風道長度;(5)避免風道內風量過于集中。第53頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五2.減少局部通風阻力措施(1)盡量避免風道斷面的突然變化第54頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

(2)風流交叉或匯合處連接合理第55頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

(3)盡量避免風流急轉彎第56頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

(4)降低出口流速第57頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

(5)風道與風機的連接應當合理保證氣流在進出風機時均勻分布,避免發(fā)生流向和流速的突然變化,以減小阻力(和噪聲)。第58頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五第四節(jié)通風網絡中風流的基本定律

通風網絡:指若干風流按照各自的風流方向順序相連而成的網狀線路。包括:風量平衡定律、風壓平衡定律和通風阻力定律。一、風量平衡定律節(jié)點:兩條風路或兩條以上風路的交點。分支:匯合處每條支風路?;芈罚河蓛蓷l或兩條以上首尾相連形成的閉合線路。根據質量守恒定律,在穩(wěn)態(tài)通風條件下,流入與流出某節(jié)點的各分支的質量流量的代數和為零,即

ΣMi=0第59頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

在不考慮風流密度變化的情況下,取流入的風量為正,流出的風量為負,則流入與流出某節(jié)點或回路的各分支的體積流量(風量)的代數和為零,即

ΣQi=0156324145321278435618234567(a)(b)圖2-4-1風流匯合及回路示意圖第60頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

如圖2-4-1(a)所示,當不考慮風流密度變化時,圖中節(jié)點4處的風量平衡方程為

Q1-4+Q2-4+Q3-4-Q4-5-Q4-6=0

對于圖2-4-1(b)所示閉合回路的情況,同樣有

Q1-2+Q3-4=Q5-6+Q7-8或者Q1-2+Q3-4-Q5-6-Q7-8=0第61頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五二、風壓平衡定律若任何一回路中沒有附加動力,根據能量平衡定律,則不同方向的風流的風壓或通風阻力必然平衡或相等。對于圖2-4-1(b),可得

h2-4+h4-5+h5-7=h2-7

取順時針方向的風壓為正,逆時針方向的風壓為負,則

h2-4+h4-5+h5-7-h2-7=0

對于任何一回路,則有式中,hi為第i段分支的風壓或阻力。第62頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

風壓平衡定律:沒有附加動力回路中,不同方向的風流,其風壓或阻力代數和等于零。若回路中有附加動力,則其風壓或阻力代數和等于附加動力產生風壓的代數和。即式中,HJ為附加動力產生風壓的代數和。第63頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五三、通風阻力定律

1.阻力平方區(qū)流動的摩擦阻力定律:風流流動處于紊流粗糙區(qū)時,如摩擦風阻一定,摩擦阻力與風量的平方成正比。

hr=RrQ22.紊流流動局部阻力定律:紊流流動下,如局部風阻一定,局部阻力與風量的平方成正比。

hl=RlQ23.將上兩式相加,則得出阻力平方區(qū)流動總阻力定律。令h=hr+hl為某通風系統分支的通風總阻力;R=Rr+Rl為某通風系統的通風總風阻,則有:

h=RQ2

此即紊流粗糙區(qū)流動總阻力定律。第64頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五第五節(jié)簡單通風網路特性一、通風網路基本形式

1.串聯風路由兩條或兩條以上分支彼此首尾相連,中間沒有風流分匯點的線路。

2.并聯風路由兩條或兩條以上具有相同始節(jié)點和末節(jié)點的分支所組成的通風網路。

3.角聯風路內部存在角聯分支的通風網路。

角聯分支:位于通風網路的任意兩條有向通路之間、且不與兩通路的公共節(jié)點相連的分支。簡單角聯風路;復雜角聯風路。第65頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五第66頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五4.復雜風路以上三種均為簡單風路,至少包含以上兩種或以上簡單風路的通風網路稱為復雜風路。二、串聯風路特性

1.總風量等于各分支的風量即:M1=M2=M3=…=Mn

當各分支的空氣密度相等時,或將所有風量換算為同一標準狀態(tài)的風量后,

Q1=Q2=Q3=…=Qn

2.如系統中無位能差和附加通風動力,則總風壓(阻力)等于各分支風壓(阻力)之和。

hs=h1+h2+…+hn=第67頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五3.阻力平方區(qū)流動的總風阻等于各分支風阻之和。即繪制阻力平方區(qū)流動的串聯風路等效阻力特性曲線,方法如下圖:第68頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五“風量相等,阻力疊加”串聯風路等效阻力特性曲線第69頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五三、并聯風路特性

1.總風量等于各分支的風量之和即

當各分支的空氣密度相等時,或將所有風量換算為同一標準狀態(tài)的風量后,

2.如系統中無位能差和附加通風動力,總風壓等于各分支風壓

Q1=Q2=Q3=…=Qn

注意:當各分支的位能差不相等,或分支中存在風機等通風動力時,并聯分支的阻力并不相等。第70頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五3.阻力平方區(qū)流動并聯風路總風阻與各分支風阻的關系即

4.并聯風路的風量分配若已知并聯風路的總風量,在不考慮其他通風動力及風流密度變化時,可由下式計算出分支i的風量即分支風量取決于總風阻與該分支風阻之比。第71頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五并聯風路等效阻力特性曲線“阻力相等,風量疊加”第72頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五四、阻力平方區(qū)流動角聯風路特性在角聯風路中,角聯分支的風向取決于其始末節(jié)點間的壓能差。通過改變角聯分支兩側的邊緣分支的風阻,來改變角聯分支的風向。對于圖2-5-1(C),推導出如下角聯分支風流方向判別式

第73頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

由該判別式可以看出,簡單角聯風路中角聯分支的風向完全取決于邊緣風路的風阻比,而與角聯分支本身的風阻無關。角聯分支一方面具有容易調節(jié)風向的優(yōu)點,另一方面又有出現風流不穩(wěn)定的可能性。第74頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五第六節(jié)自然通風及火災煙氣流動原理

自然通風:由有限空間內外空氣的密度差、大氣運動、大氣壓力差等自然因素引起有限空間內外空氣能量差,促使有限空間的氣體流動并與大氣交換的現象。

自然通風動力(自然風壓):促使有限空間內氣體流動的能量差。自然通風的應用:(1)單層工業(yè)廠房(2)多層或高層工業(yè)建筑中的熱車間(3)特種(殊)建筑物、構筑物及容器(4)各類建筑物中的防排煙系統第75頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五一、自然通風的產生例1:煙囪內外密度差形成(煙囪效應)例2:工業(yè)廠房密度差形成第76頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

例3:礦井密度差形成的自然通風第77頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

例4:大氣運動形成的自然通風第78頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五二、自然風壓的計算

1.密度差形成的自然風壓計算根據自然風壓定義,圖2-6-2所示系統的自然風壓HN可用下式計算式中Z——與大氣溫度或密度不等的有限空間高度,m;

g——重力加速度,m/s2;ρ1、ρ2——分別為圖2-6-2中0-1-2和5-4-3空間的dZ段空氣密度,kg/m3。分別以空氣密度平均值ρm1、ρm2代替ρ1、ρ2后,簡化可得:

第79頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五2.大氣運動(風壓)形成的自然風壓計算風向一定時,建筑物外表面上某一點的風壓大小和室外氣流的動壓成正比,HN可用下式表示式中A——空氣動力系數;(為正,該點風壓為正)

vw——室外空氣流速,m/s;

ρm——室外空氣密度,kg/m3。穿堂風

3.密度差與大氣運動(風壓)合成的自然風壓計算第80頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五三、自然風壓的影響因素

1.密度差形成的自然風壓的影響因素可用下式來表示

(1)溫度差影響氣溫差的主要因素是大氣氣溫和風流與有限空間內的熱交換。

(2)空氣成分和濕度

(3)與大氣溫度或密度不等的有限空間高度(4)大氣壓力第81頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五2.大氣運動(風壓)形成自然風壓的影響因素

(1)室外空氣風速

(2)室外溫度T、大氣壓p和相對濕度φ

(3)建筑物形狀、風向在實際通風設計中,自然通風僅以密度差形成自然風壓作用計算。第82頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五四、火災煙氣流動基本原理

1.火災煙氣的成分和危害性燃燒分為兩個階段:熱分解過程和燃燒過程。

火災煙氣:指火災時各種物質在熱分解和燃燒作用下生成的產物與剩余空氣的混合物,是懸浮的固態(tài)粒子、液態(tài)粒子和氣體的混合物。煙氣的危險性:(1)毒害性(2)遮光作用(3)高溫危害第83頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五2.促使地面建筑物煙氣流動的主要因素(1)煙囪效應(2)氣體熱膨脹(3)大氣運動風力(4)通風空調系統第84頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五第七節(jié)風道通風壓力(能量)分布及分析一、水平風道通風壓力(能量)分布及分析通風機-水平風道通風系統如圖2-7-1所示,以縱坐標為壓力(相對壓力或絕對壓力),橫坐標為風流流程,作出壓力(能量)分布線。

第85頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五第86頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

從圖中可以看出:(1)由于風道水平,各斷面間無位能差,任意兩斷面間的通風阻力等于兩斷面的全壓損失(全壓差)(5-6段除外)。(2)絕對全壓(相對全壓)沿程逐漸減??;絕對靜壓(相對靜壓)沿程分布隨動壓的大小變化而變化。在全壓一定的條件下,風流的靜壓和動壓可以相互轉化,故靜壓坡度線是沿程起伏變化的。(3)風機的全壓Ht等于風機進、出口的全壓差,或等于風道的總阻力及出口動壓損失之和。

Ht=pt5–pt6Ht=h0-12+hv12

即通風機全壓是用以克服風道阻力和出口動能損失。第87頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

將通風機用于克服風道阻力的那一部分能量叫通風機的靜壓Hs,則有Hs=h0-12=Ht-hv12表明Hs一定,出口動壓越小,所需通風機的全壓也越小。(4)風機吸入段的全壓和靜壓均為負值,在風機入口處負壓最大;風機壓出段的全壓均是正值,在風機出口處全壓最大。而壓出段的靜壓則不一定。(5)各并聯分支的阻力總是相等。第88頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五二、包含非水平風道通風壓力(能量)分布及分析圖2-7-2為簡化的包含非水平風道的地下通風系統。第89頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五1.風流壓力(能量)分布線的繪制設若干測點,即1、2、3、4點,測出各點的絕對靜壓、風速、溫度、濕度、標高等參數;然后以最低水平2-3為基準面,計算出各斷面的總壓能;再選擇坐標系和適當的比例,以壓能為縱坐標,風流流程為橫坐標,把各斷面的靜壓、動壓和位能描在圖2-7-3的坐標系中,即得1、2、3、4斷面的總能量,分別用a、b、c、d點表示,以a1、b1、c1、d1分別表示各斷面的全壓,其中b、c和b1、c1重合;a2、b2、c2、d2點分別表示各斷面的靜壓;最后在壓力(縱坐標)-風流流程(橫坐標)坐標圖上描出各測點,將同名參數點用折線連接起來,即得1-2-3-4流程上的壓力(能量)分布線,如圖2-7-3所示。第90頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五第91頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五2.包含非水平風道風流壓力(能量)分布分析(1)全能量沿程逐漸下降,通風阻力等于斷面上全能量的下降值;全能量坡度差的坡度反映了流動路線上的通風阻力分布狀況。(2)絕對全壓和絕對靜壓坡度線的變化與全能量坡度線的變化不同,其坡度線變化有起伏。(3)位能差(Ep01—Ep04)是自然風壓(HN),自然風壓和通風機全壓共同克服風道通風阻力和出口動能損失。第92頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五第八節(jié)局部通風進出口氣流運動規(guī)律

與均勻送風原理一、吸入口氣流運動規(guī)律第93頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

吸氣口附近形成負壓位于自由空間的點匯吸氣口【圖2-8-1(a)】的吸氣量Q為

式中,v1、v2——分別為點1和點2的空氣流速,m/s;r1、r2——分別為點1和點2至吸氣口的距離,m。若在吸氣口四周加上擋板【圖2-8-1(b)】,吸氣氣流受到限制,吸氣量為第94頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

由上式可以看出,點匯吸氣口外某一點的空氣流速與該點至吸氣口距離的平方成反比,且隨吸氣口吸氣范圍的減小而增大。圖2-8-2為通過實驗求得四周無法蘭邊和四周有法蘭邊的圓形吸氣口的速度分布圖。第95頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

實驗結果也可用式(2-8-4)和式(2-8-5)表示:對于四周無法蘭邊的圓形吸氣口,對于四周有法蘭邊的圓形吸氣口,式中,v0——吸氣口的平均流速,m/s;

vx——控制點上必需的氣流速度即控制風速,m/s;

x——控制點至吸氣口的距離,m;

F——吸氣口面積,m2。(2-8-4)(2-8-5)第96頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

對于寬長比不小于1:3的矩形吸氣口,上兩式也適用。但上兩式僅適用于x≤1.5d的場合,當x>1.5d時,實際的速度衰減要比計算值大。二、吹出口氣流運動規(guī)律空氣從吹氣口吹出,在空間形成一股氣流稱為吹出氣流或射流。根據空間界壁對射流的約束條件,射流又分為自由射流(吹向無限空間)和受限射流(吹向有限空間);按射流內部溫度的變化情況,可分為等溫射流和非等溫射流。第97頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五1.自由淹沒射流圖2-8-3所示為自由淹沒射流的流動圖,第98頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

具有如下特點:(1)出現并發(fā)展邊界層(2)全流場或局部流場氣流參數分布具有自模性(3)與吸氣口比,軸向速度衰減慢,流場中橫向分速可被忽略。

等溫自由紊流(圓)射流的軸心速度vx、橫斷面直徑dx、起始段長度ln的計算公式為

(2-8-6)第99頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五2.附壁受限射流當射流邊界的擴展受到房間邊壁的影響時,就稱為受限射流(或有限空間射流)。當射流斷面面積達到有限空間橫斷面面積的1/5時,射流受限,成為有限空間射流。第100頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

若以附壁射流為基礎,將無量綱距離定為或式中,Sn是垂直于射流的空間斷面面積。當時,射流的擴散規(guī)律與自由射流相同,并稱的斷面為第一臨界斷面。當時,射流擴散受限,射流斷面與流量增加變緩,動量不再守恒,且到時射流流量最大,射流斷面在稍后處亦達最大,稱的斷面為第二臨界斷面。(2-8-7)第101頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五三、均勻送風原理

均勻送風:指通風系統的風道把等量的空氣沿風道側壁的成排孔口或短管均勻送出。靜壓差產生的流速為空氣在風道內的流速為式中pj——風道內空氣的靜壓;

pd——風道內空氣的動壓。設孔口實際流速為v,孔口出流與風道軸線間的夾角為α,則它們與孔口面積f0、孔口在氣流垂直方向上的投影面積f、靜壓差產生的流速vj有如下關系(2-8-8)(2-8-9)(2-8-10)第102頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五第103頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五

則,孔口出流流量為從上式可以看出,要使各側孔的送風量保持相等,必須保證各側孔相等,下面為實現的途徑:

1.保持和均相等(1)保持各側孔流量系數相等,出流角α盡量大(2)保持各側孔相等,三種實現途徑a.各側孔孔口面積f0相等,風道斷面變化保持各側孔靜壓pj相等。(2-8-11)第104頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五第105頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五b.風道斷面相等,各側孔孔口面積f0變化使得相等

c.同時變化風道斷面、各側孔孔口面積f0,使得相等

2.變化,也隨之變化第106頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五【例6.4】如下圖所示的薄鋼板圓錐形側孔均勻送風道??偹惋L量為7200m3/h,開設6個等面積的側孔,孔間距為1.5m,試確定側孔面積、各斷面直徑及風道總阻力損失。均勻送風管道第107頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五解1.計算靜壓速度和側孔面積設側孔平均流速=4.5m/s,孔口流量系數=0.6,則側孔靜壓流速

=m/s側孔面積

m2

取側孔的尺寸高×寬:250×300mm第108頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五2.計算斷面1處流速和斷面尺寸由≥60°,即≥1.73的原則確定斷面1處流速

=m/s取=4m/s,斷面1動壓

=Pa斷面1直徑

m第109頁,共124頁,2023年,2月20日,星期五3.計算管段1~2的阻力損失由風量L=6000m3/h,近似以=800mm作為平均直徑,查線算圖得

=0.14Pa/m沿程損失

Pa空氣流過側孔直通部分的局部阻力系數

局部損失管段1~2總損失

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