第二章 空气流动基本理论

1、Anhui University of Technology 建筑工程学院 1 1 第二章第二章 空气流动空气流动 基本理论基本理论 Anhui University of Technology 建筑工程学院 2 本章主要内容框架：本章主要内容框架： 风压计算及测试风压计算及测试 通风基通风基 础理论础理论 干湿空气密度计算干湿空气密度计算 连续方程及风速测定连续方程及风速测定 能量方程及应用能量方程及应用 通风阻力及计算通风阻力及计算 Anhui University of Technology 建筑工程学院 3 通风基础理论通风基础理论 本部分主要讨论以下问题：本部分主要讨论以下问题： 1

2、、干、湿空气密度的计算；、干、湿空气密度的计算； 2、风压、风压(静压、动压和全压静压、动压和全压)的计算及测定；的计算及测定； 3、通风连续方程及其应用；、通风连续方程及其应用； 4、通风风流型式、风流结构及风速分布与风速测定；、通风风流型式、风流结构及风速分布与风速测定； 5、通风能量方程及其应用；、通风能量方程及其应用； 6、（通风阻力及其计算）。、（通风阻力及其计算）。 Anhui University of Technology 建筑工程学院 4 第二章第二章 空气流动基础理论空气流动基础理论 2.1 通风空气参数通风空气参数 2.2 风流流动特性风流流动特性 2.3 空气流动过程的

3、基本方程空气流动过程的基本方程 2.4 风流参数的测定风流参数的测定 2.5 通风阻力及计算通风阻力及计算 Anhui University of Technology 建筑工程学院 5 一、干、湿空气密度的计算一、干、湿空气密度的计算 密度定义式：单位体积空气所具有的质量。密度定义式：单位体积空气所具有的质量。 kg/m3 ， 用符号用符号表示：表示： 式中式中 M空气的质量，空气的质量，kg； V空气的体积，空气的体积，m3。 空气密度随空气压力、温度及湿度而变化。空气密度随空气压力、温度及湿度而变化。 实际空气密度计算式由气态方程求得。实际空气密度计算式由气态方程求得。 V M 2.1

4、通风空气参数通风空气参数 Anhui University of Technology 建筑工程学院 6 一、干、湿空气密度的计算一、干、湿空气密度的计算 气态方程：气态方程： 式中：式中：干空气实际密度，干空气实际密度，kg/m3； 0标准状态干空气的密度，标准状态干空气的密度，kg/m3； P、P0分别为实际状态及标准状态下的空气分别为实际状态及标准状态下的空气 压力，千帕（压力，千帕（kpa）；）； T、T0分别为实际状态及标准状态下空气的分别为实际状态及标准状态下空气的 热力学温度，热力学温度，K。 TP PT 0 0 0 Anhui University of Technology

5、建筑工程学院 7 一、干、湿空气密度的计算一、干、湿空气密度的计算 标准状态：标准状态：T0=273K，P0=101.3kPa,干空干空 气密度气密度0=1.293 kg/m3。干空气密度计算干空气密度计算 式式： ！注意！注意！式中式中P为空气的绝对压力，单位为为空气的绝对压力，单位为 kPa；T为空气的热力学温度（为空气的热力学温度（K），）， T=273+t, t为空气的摄氏温度（为空气的摄氏温度（）。）。 T P 48. 3 Anhui University of Technology 建筑工程学院 8 一、干、湿空气密度的计算一、干、湿空气密度的计算 湿空气湿空气：湿空气压力等于干空

6、气分压与水蒸：湿空气压力等于干空气分压与水蒸 汽分压之和。汽分压之和。 干空气干空气 P 水蒸汽水蒸汽干空气干空气 湿空气湿空气 P 干空气干空气 Pd Ps 道尔顿分压定律道尔顿分压定律: P=Pd+Ps , Ps=Pb Anhui University of Technology 建筑工程学院 9 一、干、湿空气密度的计算一、干、湿空气密度的计算 根据道尔顿分压定律即可推导出湿空气密度计算根据道尔顿分压定律即可推导出湿空气密度计算 式：式： 式中：式中： w 湿空气密度湿空气密度, kg/m3； 空气相对湿度，空气相对湿度，%； Pb饱和水蒸汽压力，饱和水蒸汽压力，kPa )378. 01

7、 (48. 3 P P T P b w Anhui University of Technology 建筑工程学院 10 二、空气压力二、空气压力静压静压 风压风压：通风中空气压力也叫风流压力（简称为风压：通风中空气压力也叫风流压力（简称为风压 ），它是表示运动空气所具有的能量），它是表示运动空气所具有的能量, 它包括静压它包括静压 、动压和全压。、动压和全压。 静压静压：气体分子对容器壁所施加的压力。：气体分子对容器壁所施加的压力。 基本性质基本性质：静压总是垂直并指向作用面；静压各向：静压总是垂直并指向作用面；静压各向 同值。同值。 表示形式表示形式：绝对静压绝对静压以绝对零压作为基准的静

8、压以绝对零压作为基准的静压, 用用Pk表示；表示；相对静压相对静压以当地大气压力为基准的静以当地大气压力为基准的静 压压, 用用Pr表示表示。 Anhui University of Technology 建筑工程学院 11 二、空气压力二、空气压力静压静压 绝对静压和相对静压的关系：绝对静压和相对静压的关系： 关系式关系式: : r r = = k k - -0 0 绝对真空绝对真空 当地大气压当地大气压 Pk k Pr r P0 0 Anhui University of Technology 建筑工程学院 12 二、二、空气压力空气压力静压静压 不同标高静压计算不同标高静压计算：流体力学

9、欧拉方程流体力学欧拉方程: dp =g dz 积分即得静压计算式积分即得静压计算式： P =P0 -g z 式中式中z相对于基准的高度相对于基准的高度, m； p0z = 0基准处的空气静压基准处的空气静压,Pa( N/m2)； p 高度为高度为z处的空气静压，处的空气静压，Pa(N/m2)； 空气密度，空气密度，kg/m3 ； g重力加速度，重力加速度，m/s2。 Anhui University of Technology 建筑工程学院 13 二、二、空气压力空气压力静压静压 可压缩空气可压缩空气：近似按等温过程处理，即多变：近似按等温过程处理，即多变 指数指数n=1，由气态方程（，由气态

10、方程（P=RT）和欧拉方）和欧拉方 程得：程得： 式中式中 T空气的热力学温度，空气的热力学温度，K； R空气的气体常数，空气的气体常数，R=287J/kgK。 简化计算式：展开成级数，略去高阶小项。简化计算式：展开成级数，略去高阶小项。 RT gz ePP 0 )1( 0 RT gz PP Anhui University of Technology 建筑工程学院 14 二、二、空气压力空气压力动压，全压动压，全压 动压：动压： 动压动压单位体积风流运动所具有的动能。它恒为正，单位体积风流运动所具有的动能。它恒为正， 具有方向性，它的方向就是风流运动的方向。单位具有方向性，它的方向就是风流运

11、动的方向。单位 体积空气的质量为体积空气的质量为 （kg/mkg/m3 3），风流速度为），风流速度为 (m/s)(m/s)，由动能公式即得风流动压，由动能公式即得风流动压Hu(Pa)Hu(Pa)计算式：计算式： Hu =Hu =2 2/ 2 / 2 全压：全压： 全压全压PtPt等于静压等于静压PsPs与动压与动压HuHu之和，即之和，即 Pt = Ps + HuPt = Ps + Hu Anhui University of Technology 建筑工程学院 15 二、空气压力二、空气压力动压、静压、全压关系动压、静压、全压关系 Anhui University of Technolog

12、y 建筑工程学院 16 二、空气压力二、空气压力动压、静压、全压关系动压、静压、全压关系 Anhui University of Technology 建筑工程学院 17 二、空气压力二、空气压力单位单位 空气压力的国际单位为帕（空气压力的国际单位为帕（Pa）、牛顿）、牛顿/米米2 （N/m2）。）。1Pa=1 N/m2。我国法定计量单。我国法定计量单 位制规定，空气压力（压强）的单位为帕。位制规定，空气压力（压强）的单位为帕。 帕（帕（Pa）单位比较小，还可用百帕（）单位比较小，还可用百帕（hPa）、）、 千帕（千帕（kPa）表示）表示 1hPa=100Pa； 1kPa=1000Pa。 An

13、hui University of Technology 建筑工程学院 18 二、空气压力二、空气压力测定测定 分为：分为： 空气绝对压力测定空气绝对压力测定 空气相对压力测定空气相对压力测定 Anhui University of Technology 建筑工程学院 19 三、粘三、粘 度度 粘度粘度：表示空气粘性大小的指标，分为动力粘度和运：表示空气粘性大小的指标，分为动力粘度和运 动粘度。动粘度。 动力粘度动力粘度：一般用：一般用 表示表示, , 其单位为其单位为NS/mNS/m2 2 (Pas), (Pas), 受气温影响受气温影响, , 与压力无关。与压力无关。 运动粘度运动粘度：一

14、般用：一般用 表示，其单位为表示，其单位为mm2 2 /s /s，受温度，受温度 和压力影响。和压力影响。 与与 之间的关系之间的关系：=/=/，其中，其中 为空气的密度（为空气的密度（ kg/mkg/m3 3）。计算中）。计算中, , 和和 可直接通过查表获得。可直接通过查表获得。 Anhui University of Technology 建筑工程学院 20 流态判据流态判据：雷诺数：雷诺数Re，当，当Re2300时为紊流，反之为时为紊流，反之为 层流。层流。Re值计算式：值计算式： m流道流体平均速度，流道流体平均速度，m/s; 空气运动粘度，空气运动粘度，m2/s; D流道直径，流道

15、直径，m。 非圆流道非圆流道：用等效直径：用等效直径 De=4S/Px 取代直径取代直径D 。其中。其中 S为流道的断面积（为流道的断面积（m2），），Px为流道断面周长（为流道断面周长（m ）。）。 一、一、 风流流态风流流态 m e UD R 2.2 风流流动特性风流流动特性 Anhui University of Technology 建筑工程学院 21 二、风流型式及风速二、风流型式及风速 管道的体积风量管道的体积风量： Q=s ui ds ui管管道横断面上任一点的风速，道横断面上任一点的风速，m/s; S管管道横断面积，道横断面积，m2; Q管管道横断面上通过的体积风量，道横断面上

16、通过的体积风量，m3/s。 Anhui University of Technology 建筑工程学院 22 二、风流型式及风速二、风流型式及风速射流射流 分为自由射流和有限射流分为自由射流和有限射流 Anhui University of Technology 建筑工程学院 23 二、风流型式及风速二、风流型式及风速射流射流 自由射流风流结构主要参数自由射流风流结构主要参数: 扩张角扩张角和射流边界层和射流边界层 宽度宽度R, 它们的计算式为它们的计算式为: tg(/2)=3.4a R = X tg(/2) = 3.4 a X a射流风流结构系数射流风流结构系数, 圆管圆管a = 0.060

17、.08 ; X离射流极点的距离。离射流极点的距离。 射流体风速分布：射流体风速分布： un射流体轴线的风速，射流体轴线的风速，m/s; ur射流体内距轴线射流体内距轴线r距离处的风速距离处的风速,m/s。 25 . 1 )/(1 Rr u u n r Anhui University of Technology 建筑工程学院 24 二、风流型式及风速二、风流型式及风速汇流汇流 分自由汇流分自由汇流(如空间点汇如空间点汇)和有限汇流和有限汇流(如实际风管、吸如实际风管、吸 气罩入口的汇流气罩入口的汇流)。空间点汇风速计算：。空间点汇风速计算： Q汇流体积风量，汇流体积风量，m3/s； r距点汇的

18、距离，距点汇的距离，m； rr点处的风速，点处的风速，m/s。 风速与距离风速与距离r的平方成反比的平方成反比, 即距离增大即距离增大, 风速急剧降风速急剧降 低。低。 2 4r Q u r r Anhui University of Technology 建筑工程学院 25 一、连续方程计算一、连续方程计算 流体力学连续方程流体力学连续方程: 一维流道：一维流道： s u ds = 常数常数 稳定一维流动，流经流道各断面的空气质量稳定一维流动，流经流道各断面的空气质量 相等。相等。 平均速度平均速度Um： 0)( udiv t S ds U s m 2.3 空气流动过程的基本方程空气流动过程

19、的基本方程 Anhui University of Technology 建筑工程学院 26 一、连续方程计算一、连续方程计算 一维流道风流质量连续方程一维流道风流质量连续方程： UmUm1 1S S1 1 1 1=Um=Um2 2S S2 2 2 2 式中：式中： UmUm1 1、UmUm2 2流道流道1 1、2 2断面的平均风速断面的平均风速 ，m/sm/s； S S1 1、S S2 2流道流道1 1、2 2断面的断面积，断面的断面积，mm2 2； 1 1、 2 2流道流道1 1、2 2断面的空气密度，断面的空气密度，kg/mkg/m3 3。 等密度等密度：即即 1 1=2 2时：时： U

20、mUm1 1S S1 1 = Um= Um2 2S S2 2 Anhui University of Technology 建筑工程学院 27 一、连续方程计算一、连续方程计算 多支管道连续方程：多支管道连续方程： 节点分析法原理：流入、流出节点的质量流量的代节点分析法原理：流入、流出节点的质量流量的代 数和为零。数和为零。 式中下标式中下标i表示节点处的第表示节点处的第i分支；分支； n表示节点处总的分支数；表示节点处总的分支数； “”表示风流的流动方向。表示风流的流动方向。 0 1 i n i miS U Anhui University of Technology 建筑工程学院 28 二

21、、能量方程二、能量方程 能量方程是风流运动中能量守恒的数学表达式。能量方程是风流运动中能量守恒的数学表达式。 流体运动所具有的能量包括流体运动所具有的能量包括内能内能U U和和机械能机械能E E，而机械，而机械 能包括流体的静压能能包括流体的静压能P P，动压能，动压能2 2/2/2和位势能和位势能 ZgZg，即，即 E = P + Zg +E = P + Zg +2 2/2 /2 如图所示的流体微束，流体从断面如图所示的流体微束，流体从断面1 1运动到断面运动到断面2 2的过的过 程，由于与外界发生热交换及对外界做功，其能量程，由于与外界发生热交换及对外界做功，其能量 就要发生变化。就要发生

22、变化。 Anhui University of Technology 建筑工程学院 29 二、能量方程二、能量方程 Anhui University of Technology 建筑工程学院 30 二、能量方程二、能量方程 根据热力学第一定律有根据热力学第一定律有 （U1 + E1U1 + E1）- -（U2 + E2U2 + E2）= q + h = q + h 式中：式中：U1、U2分别为断面分别为断面1、2流体的内能；流体的内能； E1、E2分别为断面分别为断面l、2流体的机械能；流体的机械能； q流体与外界交换的热量；流体与外界交换的热量； h流体对外界所做的功。流体对外界所做的功。

23、对于绝热过程对于绝热过程q = 0；对于等温过程；对于等温过程U1=U2。则不可压缩流。则不可压缩流 体绝热、等温的稳定流动过程的能量方程为：体绝热、等温的稳定流动过程的能量方程为： 12 2 2 22 2 1 11 2 P 2 P h v gZ v gZ Anhui University of Technology 建筑工程学院 31 二、能量方程应用二、能量方程应用 有风机能量方程：有风机能量方程： 水平管道，进口与出口均为大气压时，风机风水平管道，进口与出口均为大气压时，风机风 压压H与风流阻力与风流阻力h12之间的计算式：之间的计算式： H = 2 2/2 + h12 12 2 2 2

24、2 2 1 11 2 P 2 P h v gZH v gZ Anhui University of Technology 建筑工程学院 32 一、空气压力一、空气压力测定测定 绝对压力：绝对压力： 水银气压计水银气压计 空盒气压计空盒气压计 水银气压计水银气压计 2.4 风流参数的测定风流参数的测定 Anhui University of Technology 建筑工程学院 33 一、空气压力一、空气压力测定测定 水银气压计水银气压计 空盒气压计空盒气压计 Anhui University of Technology 建筑工程学院 34 一、空气压力一、空气压力测定测定 空盒气压计空盒气压计

25、Anhui University of Technology 建筑工程学院 35 一、空气压力一、空气压力测定测定 相对压力测定方法：相对压力测定方法： U U型压力计型压力计 倾斜压力计倾斜压力计 补偿微压计补偿微压计 压力传感器型直读压力计压力传感器型直读压力计 Anhui University of Technology 建筑工程学院 36 一、空气压力一、空气压力测定测定 U U型压力计型压力计 Anhui University of Technology 建筑工程学院 37 一、空气压力一、空气压力测定测定 原原 理理 P=gP=g（h1+ h2h1+ h2） =g=g（1+ F2/

26、F11+ F2/F1）h2h2 =g =g（1+ F2/F11+ F2/F1）LsinLsin =KgL =KgL K K仪器校正系数；仪器校正系数； uLL倾斜管的始末读数差，倾斜管的始末读数差，mmmm； u液体的密度，液体的密度，kg/m3kg/m3 Anhui University of Technology 建筑工程学院 38 一、空气压力一、空气压力测定测定 补偿式微压计补偿式微压计 Anhui University of Technology 建筑工程学院 39 二、风速测定方法二、风速测定方法 Anhui University of Technology 建筑工程学院 40 P

27、IV Anhui University of Technology 建筑工程学院 41 二、风速测定方法二、风速测定方法机械风表机械风表 类型：杯式和翼式两种。类型：杯式和翼式两种。 Anhui University of Technology 建筑工程学院 42 二、风速测定方法二、风速测定方法机械风表机械风表 轻便型磁感风向风速表 数字风速表数字风速表 Anhui University of Technology 建筑工程学院 43 二、风速测定二、风速测定机械风表机械风表 杯式：用于杯式：用于10m/s10m/s的高风速测定；的高风速测定； 翼式：用于翼式：用于0.10.110m/s10

28、m/s的中等风速测定，高敏度翼的中等风速测定，高敏度翼 式风表可测定式风表可测定0.10.10.5m/s0.5m/s的低风速。的低风速。 测定计算：风表指示表速测定计算：风表指示表速N N（转（转/s/s或或m/sm/s） N=(Nt-N0) / tN=(Nt-N0) / t 实际风速实际风速u u换算：换算： u = aN+bu = aN+b N0 N0、 NtNt风表的初始和最终读数，转；风表的初始和最终读数，转； tt测定时间，测定时间，s s； a a、bb常数；常数； uu测定的实际风速，测定的实际风速，m/sm/s。 Anhui University of Technology 建

29、筑工程学院 44 二、风速测定二、风速测定机械风表机械风表 Anhui University of Technology 建筑工程学院 45 二、风速测定二、风速测定热球风速仪热球风速仪 热球风速仪热球风速仪 Anhui University of Technology 建筑工程学院 46 二、风速测定二、风速测定热球风速仪热球风速仪 热式风速计热式风速计 Anhui University of Technology 建筑工程学院 47 二、风速测定二、风速测定动压法动压法 测出风流动压测出风流动压Hu，后按下式计算出风速：，后按下式计算出风速： Hu为断面风流平均动压为断面风流平均动压(Pa

30、)，为空气密度为空气密度(kg/m3) 平均动压平均动压Hu确定：确定： 圆管等环面积法：测点圆环半径计算圆管等环面积法：测点圆环半径计算 u H2 n i RRi 2 12 Anhui University of Technology 建筑工程学院 48 二、风速测定二、风速测定动压法动压法 Ri第第I个测点圆环半径，个测点圆环半径，m； R管道半径，管道半径，m； i从管道中心算起圆环序号；从管道中心算起圆环序号； n测点圆环数。测点圆环数。 一般直径为一般直径为300600mm时，时，n取取3，直径为，直径为700 1000mm时，时，n取取4。 管道断面平均动压管道断面平均动压Hu（P

31、a）计算式：）计算式： 221 )( m HHH H umuu u Anhui University of Technology 建筑工程学院 49 二、风速测定二、风速测定动压法动压法 Anhui University of Technology 建筑工程学院 50 2.5 通风阻力及计算通风阻力及计算-摩擦阻力摩擦阻力 当空气沿风道运动时，由于风流的粘性和惯性以及风道壁面等对风流的当空气沿风道运动时，由于风流的粘性和惯性以及风道壁面等对风流的 阻滞、扰动作用而形成通风阻力，它是造成风流能量损失的原因。风道阻滞、扰动作用而形成通风阻力，它是造成风流能量损失的原因。风道 通风阻力可分为两类：摩

32、擦阻力通风阻力可分为两类：摩擦阻力( (也称为沿程阻力也称为沿程阻力) )和局部阻力。和局部阻力。 一、摩擦阻力计算式一、摩擦阻力计算式 （1 1）风流在风道中作沿程流动时，由于流体层间的摩）风流在风道中作沿程流动时，由于流体层间的摩 擦和流体与风道壁面之间的摩擦所形成的阻力称为擦和流体与风道壁面之间的摩擦所形成的阻力称为摩摩 擦阻力擦阻力( (也叫沿程阻力也叫沿程阻力) )。 由流体力学可知，无论层流还是湍流，以风流压能损由流体力学可知，无论层流还是湍流，以风流压能损 失来反映的摩擦阻力可用下式来计算：失来反映的摩擦阻力可用下式来计算： PaPa 无因次系数，即摩擦阻力系数，通过实验求得。无

33、因次系数，即摩擦阻力系数，通过实验求得。 d d圆形风管直径，非圆形管用当量直径；圆形风管直径，非圆形管用当量直径； 2 2 v d L h f Anhui University of Technology 建筑工程学院 51 u P1 d F F P2 1 1 2 2 l 2 32 d lu pAF 由哈根方程：由哈根方程： 则能量损失：则能量损失： 22Re 64 2 64 32 22 2 2 )()( u d lu d l u d l d lup f du h 式中：式中： 沿程阻力系数，沿程阻力系数， =64/Re=64/Re 磨擦阻力计算式磨擦阻力计算式 2.5 通风阻力及计算通风阻

34、力及计算-摩擦阻力摩擦阻力 Anhui University of Technology 建筑工程学院 52 （）当量直径（）当量直径 对于非圆形断面的风道，管道直径对于非圆形断面的风道，管道直径d d应以风道断面的当量直径应以风道断面的当量直径dede来表来表 示：示： 因此，非圆形断面风道的雷诺数可用下式表示：因此，非圆形断面风道的雷诺数可用下式表示： 对于不同形状的风道断面，其周长对于不同形状的风道断面，其周长U U与断面积与断面积S S的关系，可用下式表的关系，可用下式表 示：示： 式中：式中：C C断面形状系数：断面形状系数：梯形梯形C C=4.16=4.16；三心拱；三心拱C C=

35、3.85=3.85；半圆拱；半圆拱 C C=3.90=3.90。 U S de4 U vS Re 4 SCU 2.5 通风阻力及计算通风阻力及计算-摩擦阻力摩擦阻力 Anhui University of Technology 建筑工程学院 53 （3 3）磨擦阻力系数）磨擦阻力系数- -尼古拉兹实验尼古拉兹实验 实际流体在流动过程中，沿程能量损失一方面（实际流体在流动过程中，沿程能量损失一方面（内因内因 ）取决于粘滞力和惯性力的比值，用雷诺数）取决于粘滞力和惯性力的比值，用雷诺数ReRe来衡量；另来衡量；另 一方面（一方面（外因外因）是固体壁面对流体流动的阻碍作用，故沿）是固体壁面对流体流动

36、的阻碍作用，故沿 程能量损失又与管道长度、断面形状及大小、壁面粗糙度程能量损失又与管道长度、断面形状及大小、壁面粗糙度 有关。其中壁面粗糙度的影响通过有关。其中壁面粗糙度的影响通过值来反映。值来反映。 q绝对粗糙度绝对粗糙度K： 管壁粗糙部分的平均高度。管壁粗糙部分的平均高度。 q相对粗糙度相对粗糙度K /D： d u 2.5 通风阻力及计算通风阻力及计算-摩擦阻力摩擦阻力 Anhui University of Technology 建筑工程学院 54 材料与加工精度；材料与加工精度； 光滑管：玻璃管，铜管等；光滑管：玻璃管，铜管等； 粗糙管：钢管、铸铁管等。粗糙管：钢管、铸铁管等。 使用时

37、间；使用时间； 绝对粗糙度可查表或相关手册。绝对粗糙度可查表或相关手册。 p 粗糙度的产生粗糙度的产生 2.5 通风阻力及计算通风阻力及计算-摩擦阻力摩擦阻力 Anhui University of Technology 建筑工程学院 55 1932193219331933年间，尼古拉兹把经过筛分、粒径为年间，尼古拉兹把经过筛分、粒径为K K的砂粒均匀粘的砂粒均匀粘 贴于管壁。砂粒的直径贴于管壁。砂粒的直径K K就是管壁凸起的高度，称为就是管壁凸起的高度，称为绝对粗糙度绝对粗糙度 ；绝对粗糙度；绝对粗糙度K K与管径与管径D D的比值的比值K/DK/D称为称为相对粗糙度相对粗糙度。以水作为流。

38、以水作为流 动介质、对动介质、对相对粗糙度相对粗糙度不同的六种管道进行试验研究。对实验不同的六种管道进行试验研究。对实验 数据进行分析整理，画出数据进行分析整理，画出与与ReRe的关系曲线，如图所示。的关系曲线，如图所示。 结论分析：结论分析： 区区层流区层流区。当。当ReRe23202320时，不论管道粗糙度如何，其实时，不论管道粗糙度如何，其实 验结果都集中分布于直线验结果都集中分布于直线上。这表明上。这表明与相对粗糙度与相对粗糙度K/DK/D无关无关 ，只与，只与ReRe有关，且有关，且=64/=64/ReRe。 2.5 通风阻力及计算通风阻力及计算-摩擦阻力摩擦阻力 Anhui Uni

39、versity of Technology 建筑工程学院 56 摩擦系数与雷诺准数、相对粗糙度的关系摩擦系数与雷诺准数、相对粗糙度的关系 Anhui University of Technology 建筑工程学院 57 区区过渡流区过渡流区。23202320ReRe40004000，在此区间内，不同相对，在此区间内，不同相对 粗糙度的管内流体的流态由层流转变为湍流。所有的实验粗糙度的管内流体的流态由层流转变为湍流。所有的实验 点几乎都集中在线段点几乎都集中在线段上。上。随随ReRe增大而增大，与相对粗增大而增大，与相对粗 糙度无明显关系。糙度无明显关系。 区区水力光滑管区水力光滑管区。在此区段

40、内，管内流动虽然都已处于。在此区段内，管内流动虽然都已处于 湍流状态湍流状态( (ReRe4000)4000)，但，但在一定的雷诺数下，在一定的雷诺数下，当层流边层当层流边层 的厚度的厚度大于管道的绝对粗糙度大于管道的绝对粗糙度K K（称为水力光滑管）时，（称为水力光滑管）时， 其实验点均集中在直线其实验点均集中在直线上，表明上，表明与与K K仍然无关，而只与仍然无关，而只与 ReRe有关有关。随着。随着ReRe的增大，相对粗糙度大的管道，实验点在的增大，相对粗糙度大的管道，实验点在 较低较低ReRe时就偏离直线时就偏离直线，而相对粗糙度小的管道要在，而相对粗糙度小的管道要在ReRe较较 大时

41、才偏离直线大时才偏离直线。 2.5 通风阻力及计算通风阻力及计算-摩擦阻力摩擦阻力 Anhui University of Technology 建筑工程学院 58 区区水力粗糙管区水力粗糙管区。在该区段，。在该区段，ReRe值较大，管内液流值较大，管内液流 的层流边层已变得极薄，有的层流边层已变得极薄，有KK，砂粒凸起高度几乎，砂粒凸起高度几乎 全暴露在湍流核心中，故全暴露在湍流核心中，故ReRe对对值的影响极小值的影响极小，略去不，略去不 计，相对糙度成为计，相对糙度成为的唯一影响因素。故在该区段，的唯一影响因素。故在该区段， 与与ReRe无关，而只与相对糙度有关。摩擦阻力与流速平方无关，

42、而只与相对糙度有关。摩擦阻力与流速平方 成正比，故称为阻力平方区，尼古拉兹公式：成正比，故称为阻力平方区，尼古拉兹公式： 2 2 lg274. 1 1 K D 区区湍流过渡区湍流过渡区，即图中，即图中所示区段。在这个区段内所示区段。在这个区段内 ，各种不同相对粗糙度的实验点各自分散呈一波状曲线，各种不同相对粗糙度的实验点各自分散呈一波状曲线， 值既与值既与Re有关，也与有关，也与K/D有关有关。 2.5 通风阻力及计算通风阻力及计算-摩擦阻力摩擦阻力 Anhui University of Technology 建筑工程学院 59 (4)(4)湍流摩擦阻力湍流摩擦阻力 对于湍流运动，对于湍流运

43、动，=f (Re=f (Re，K/D)K/D)，关系比较复杂。，关系比较复杂。 用当量直径用当量直径dede=4=4S S/ /U U代替代替d d，代入阻力通式，则得，代入阻力通式，则得 到湍流状态下风道的摩擦阻力计算式：到湍流状态下风道的摩擦阻力计算式： 2 3 2 88 Q S LU v S LU hf 2.5 通风阻力及计算通风阻力及计算-摩擦阻力摩擦阻力 Anhui University of Technology 建筑工程学院 60 二、摩擦阻力系数与摩擦风阻二、摩擦阻力系数与摩擦风阻 1 1摩擦阻力系数摩擦阻力系数 如果风道风流的如果风道风流的ReRe值已进入阻力平方区，值已进入

44、阻力平方区，值只与相对粗糙度有关值只与相对粗糙度有关 ，对于已定型的风道，相对粗糙度一定，则，对于已定型的风道，相对粗糙度一定，则可视为定值；在可视为定值；在2020 状态下空气密度状态下空气密度=1.2kg/m=1.2kg/m3 3。 对上式，对上式， 令：令： 称为摩擦阻力系数称为摩擦阻力系数，单位为，单位为 kg/mkg/m3 3 或 或 N.sN.s2 2/m/m4 4。 则得到湍流状态下风道的摩擦阻力计算式写为：则得到湍流状态下风道的摩擦阻力计算式写为： 标准摩擦阻力系数：标准摩擦阻力系数： 通过大量实验和实测所得的、在通过大量实验和实测所得的、在2020状态（状态（0 0=1.2k

45、g/m=1.2kg/m3 3）条件下的）条件下的 风道的摩擦阻力系数，风道的摩擦阻力系数，即所谓标准值即所谓标准值0 0值值，当风道中空气密度，当风道中空气密度 1.2kg/m1.2kg/m3 3时，其时，其值应按上式修正。值应按上式修正。 8 2 3 Q S LU h f 2.1 0 Anhui University of Technology 建筑工程学院 61 2 2摩擦风阻摩擦风阻R Rf f 对于已给定的风道，对于已给定的风道，L L、U U、S S都为已知数，故可把上式中的都为已知数，故可把上式中的、L L、 U U、S S 归结为一个参数归结为一个参数R Rf f： R Rf f

46、 称为风道的摩擦风阻，其单位为： 称为风道的摩擦风阻，其单位为：kg/mkg/m7 7 或 或 N.sN.s2 2/m/m8 8。 工程单位：工程单位：kgf .skgf .s2 2/m/m8 8 R Rf ff ( ,S,U,L)f ( ,S,U,L) 。在正常条件下当某一段风道中的空气密度。在正常条件下当某一段风道中的空气密度 一般变化不大时，可将一般变化不大时，可将R R f f 看作是反映风道几何特征的参数。 看作是反映风道几何特征的参数。 则得到湍流状态下风道的摩擦阻力计算式写为：则得到湍流状态下风道的摩擦阻力计算式写为： 此式就是完全湍流此式就是完全湍流( (进入阻力平方区进入阻力

47、平方区) )下的摩擦阻力定律。下的摩擦阻力定律。 3 S LU R f 2 QRh ff 2.5 通风阻力及计算通风阻力及计算-摩擦阻力摩擦阻力 Anhui University of Technology 建筑工程学院 62 三、减小通风摩擦阻力措施三、减小通风摩擦阻力措施 （1）选用断面周长较小的风道。在风道断面相同的条件下，圆）选用断面周长较小的风道。在风道断面相同的条件下，圆 形断面的周长最小，拱形断面次之，矩形、梯形断面的周长形断面的周长最小，拱形断面次之，矩形、梯形断面的周长 较大。较大。 （2）减小相对粗糙度，即减小了磨擦阻力系数。要求尽可能使）减小相对粗糙度，即减小了磨擦阻力系

48、数。要求尽可能使 风道壁面平整光滑。风道壁面平整光滑。 （3）保证有足够大的风道断面，可减小通风阻力和能耗，应尽）保证有足够大的风道断面，可减小通风阻力和能耗，应尽 量采用经济断面。量采用经济断面。 （4）避免风道风量过于集中，磨擦阻力与风量的平方成正比。）避免风道风量过于集中，磨擦阻力与风量的平方成正比。 （5）减小风道长度。）减小风道长度。 2.5 通风阻力及计算通风阻力及计算-摩擦阻力摩擦阻力 Anhui University of Technology 建筑工程学院 63 由于风道断面、方向变化以及分叉或汇合等原因，使均匀流动在局部地区受由于风道断面、方向变化以及分叉或汇合等原因，使均

49、匀流动在局部地区受 到影响而破坏，从而引起风流速度场分布变化和产生涡流等，造成风流到影响而破坏，从而引起风流速度场分布变化和产生涡流等，造成风流 的能量损失，这种阻力称为的能量损失，这种阻力称为局部阻力局部阻力。 由于局部阻力所产生风流速度场由于局部阻力所产生风流速度场 分布的变化比较复杂，对局部阻力的计算一般采用经验公式。分布的变化比较复杂，对局部阻力的计算一般采用经验公式。 一、局部阻力及其计算一、局部阻力及其计算 和摩擦阻力类似，局部阻力和摩擦阻力类似，局部阻力h hl l一般也用动压的倍数来表示：一般也用动压的倍数来表示： 式中：式中：局部阻力系数，无因次。局部阻力系数，无因次。 计算

50、局部阻力计算局部阻力，关键是局部阻力系数确定，因，关键是局部阻力系数确定，因v=Q/S,v=Q/S,当当确定后，便可用确定后，便可用 2 2 vh l 2 2 2 Q S h l 2.5 通风阻力及计算通风阻力及计算-局部阻力局部阻力 Anhui University of Technology 建筑工程学院 64 几种常见的局部阻力产生的类型：几种常见的局部阻力产生的类型： 、突变、突变 湍流通过突变部分时，由于惯性作用，出现主流与边壁脱离的现湍流通过突变部分时，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流区，从而增加能量损失。象，在主流与边壁之间形成涡流区，从而增加能

51、量损失。 、渐变、渐变 主要是由于沿流动方向出现减速增压现象，在边壁附近产生涡流主要是由于沿流动方向出现减速增压现象，在边壁附近产生涡流 。因为。因为 V hV hv v p p ，压差的作用方，压差的作用方 向与流动方向相反，边壁附近，流速本来就小，趋于向与流动方向相反，边壁附近，流速本来就小，趋于0, 0, 在这些在这些 地方主流与边壁面脱离，出现与主流相反的流动，涡流。地方主流与边壁面脱离，出现与主流相反的流动，涡流。 2.5 通风阻力及计算通风阻力及计算-局部阻力局部阻力 Anhui University of Technology 建筑工程学院 65 、转弯处、转弯处 流体质点在转弯

52、处受到离心力作用，在外侧出现减速增压，流体质点在转弯处受到离心力作用，在外侧出现减速增压， 出现涡流。出现涡流。过了拐弯处，如流速较大且转弯曲率半径较小，过了拐弯处，如流速较大且转弯曲率半径较小， 则由于惯性作用，可在内侧又出现涡流区，它的大小和强度则由于惯性作用，可在内侧又出现涡流区，它的大小和强度 都比外侧的涡流区大，是能量损失的主要部分。都比外侧的涡流区大，是能量损失的主要部分。 、分岔与会合、分岔与会合 上述的综合。上述的综合。 局部阻力的产生主要是与涡流区有关，涡流区愈大，能量局部阻力的产生主要是与涡流区有关，涡流区愈大，能量 损失愈多，局部阻力愈大。损失愈多，局部阻力愈大。 2.5

53、 通风阻力及计算通风阻力及计算-局部阻力局部阻力 Anhui University of Technology 建筑工程学院 66 二、减小局部通风阻力措施二、减小局部通风阻力措施 1、尽量避免风流急转弯、尽量避免风流急转弯 2.5 通风阻力及计算通风阻力及计算-局部阻力局部阻力 Anhui University of Technology 建筑工程学院 67 2、风流分叉或汇合处连接合理、风流分叉或汇合处连接合理 减小分支风道的夹角，汇合点不要在减小分支风道的夹角，汇合点不要在 同一断面上同一断面上 2.5 通风阻力及计算通风阻力及计算-局部阻力局部阻力 Anhui University of Technology 建筑工程学院 68 3、尽量避免风道断面的突然变化、尽量避免风道断面的突然变化 用渐缩或渐扩风道代替突然缩小或突然用渐缩或渐扩风道代替突然缩小或突然 扩大扩大 2.5 通风阻力及计算通风阻力及计算-局部阻力局部阻力