空气流动基本理论（通风除尘技术）

风流的压力1静压2动压3全压4位压5风流的全压和机械能主要内容一、静压风流压力：单位体积空气所具有的能够对外做功的机械能1.概念由分子热运动产生的分子动能的一部分转化的能够对外做功的机械能叫静压能，用Ep表示（J/m3）当空气分子撞击到器壁上时就有了力的效应，这种单位面积上力的效应称为静压力，简称静压，用p表示（N/m2，即Pa）工业通风中，静压即单位面积上受到的垂直作用力一、静压2.特点3.（1）无论静止的空气还是流动的空气都具有静压力（2）风流中任一点的静压各向同值，且垂直作用面（3）风流静压的大小（可用仪表测量）反映了单位体积风流所具有的能够对外做功的静压能的多少（1）绝对静压：以真空为测算零点（比较基准）而测得的压力，用p表示（2）相对静压：以当地当时同标高的大气压力为测算基准（零点）而测得的压力，即表压力，用h表示表示方法一、静压P0ABPAPPBPAPBhA(+)hB(-)真空(0)P0风流的绝对静压（p）、相对静压（h）和与其对应的大气压（p0）三者之间的关系（见图）：h=p-p0二、动压1.概念其单位体积风流的动能所转化显现的压力叫动压或称速压，用hv表示，单位Pa当空气流动时，除位压和静压外，还有空气定向运动的动能，用Ev表示，J/m32.计算设某点的空气密度为ρi（kg/m3），其定向运动的流速即风速为

i（m/s），则单位体积空气所具有的动能为：二、动压4.某断面动压即为该断面平均风速计算值3.在同一流动断面上，由于风速分布的不均匀性，各点的风速不相等，所以其动压值不等2.动压总大于零。当作用面与流动方向有夹角时，其感受到的动压值将小于动压真值。故在测量动压时，应使感压孔垂直于运动方向1.只有做定向流动的空气才具有动压，因此动压具有方向性！3.特点三、全压风流中某一点的动压和静压之和称为全压，全压也分为绝对全压（pt）和相对全压（ht）,在风流中某点i的绝对全压均可用下式表示：pti=pi+hvi由上式可知，风流中的任一点的绝对全压恒大于绝对静压；相对全压有正负之分，与通风方式有关三、全压abPa真空P0PPbha(+)hbbP0PathvhathvhbtPbt抽出式通风压入式通风压入式通风抽出式通风a(-)四、位压1.概念单位体积风流对于某基准面而具有的位能，称为位压，用hz表示物体在地球重力场中因地球引力的作用，由于位置的不同而具有的一种能量，叫重力位能，简称位能，用Ep0表示Ep0=MgZ2.计算abPiZ122211

位压计算图在图所示的井筒中，求1-1、2-2两断面之间的位压，取2-2点为基准面此式是位压的数学定义式。即两断面间的位压的数值就等于两断面间单位面积上的空气柱重量的数值四、位压四、位压3.位压与静压的关系

当空气静止时（v=0），如上图的系统。由空气静力学可知，各断面的机械能相等。设2-2断面为基准面1-1断面总机械能:E1=Ep01+p12-2断面总机械能:E2=Ep02+p2由E1=E2得：Ep01+p1=Ep02+p2由于Ep02=0（以2-2断面为基准面），Ep01=ρ12gZ12，又得p2=Ep01+p1=ρ12gZ12+p1此即空气静止时，位压与静压之间的关系四、位压4.位压的特点1.位压是相对某一基准面具有的能量，它随所选基准面的变化而变化2.位压是一种潜在的能量，不能像静压那样用仪表进行直接测量3.位压和静压可以相互转化，当空气由标高高的断面流至标高低的断面时，位压转化为静压；反之，当空气由标高低的断面流至标高高的断面时，静压转化为位压四、位压根据能量的概念，单位体积风流的机械能为单位体积风流的静压能、动能、位能之和，因此，从数值上来说，单位体积风流的机械能E等于静压、动压和位压之和，或等于全压和位压之和，即或E=pti+hZE=pi+hvi+hZ风流流动的基本方程风流流动连续性方程1风流流动能量方程2使用单位体积流体能量方程的注意事项3主要内容一、风流流动连续性方程风流在风道中的流动可以看作是稳定流（流动参数不随时间变化的流动）当空气从风道的1断面流向2断面，且做定常流动时（即在流动过程中不漏风又无补给），则两个过流断面的空气质量流量相等，即ρ1

1S1=ρ2

2S2

一、风流流动连续性方程Mi=const任一过流断面的质量流量为Mi（kg/s），则当S1=S2时，空气的密度与其流速成反比其通过任一断面的体积流量Q（m3/s）相等，即：Q=

iSi=const风道断面上风流的平均流速与过流断面的面积成反比可压缩流体01不可压缩流体（密度为常数）02二、风流流动能量方程风流在图所示的风道中由1断面流至2断面，其间无其他动力源。设1kg空气克服流动阻力消耗的能量为LR，周围介质传递给空气的热量为q；设1、2断面的参数分别为风流的绝对静压p1、p2，风流的平均流速

1、

2；风流的内能u1、u2；风流的密度ρ1、ρ2；距基准面的高度Z1、Z20021Z1Z2倾斜风道示意图二、风流流动能量方程0021Z1Z2倾斜风道示意图在1断面下，1kg空气具有的能量为：到达2断面时的能量为：根据能量守恒定律：二、风流流动能量方程0021Z1Z2倾斜风道示意图二、风流流动能量方程例在某一通风井巷中，测得1、2两断面的绝对静压分别为101324.7Pa和101858Pa，若S1=S2，两断面间的高差Z1-Z2=100米，巷道中

m12=1.2kg/m3，求：1、2两断面间的通风阻力，并判断风流方向0021Z1Z2解：假设风流方向1

2，列能量方程由于阻力值为正，所以原假设风流方向正确，即1

2

由于风道断面上风速分布的不均匀性和测量误差，从严格意义上讲，用实际测得的断面平均风速计算出来的断面总动能和断面实际总动能是不等的。实际测得的断面平均风速计算出来的断面总动能应乘以动能系数加以修正01在工业通风中，一般其动能差较小，式中ρm可分别用各自断面上的密度来代替，以计算其动能差02三、使用单位体积流体能量方程的注意事项风流流动必须是稳定流，即断面上的参数不随时间的变化而变化，所研究的始、末断面要选在缓变流场上03风流总是从总能量（机械能）大的地方流向总能量小的地方。在判断风流方向时，应用始、末两断面上的总能量来进行04三、使用单位体积流体能量方程的注意事项！三、使用单位体积流体能量方程的注意事项在始、末断面有压源时，压源的作用方向与风流的方向一致，压源为正，说明压源对风流做功；反之，则为通风阻力05单位质量或单位体积流量的能量方程只适用于1、2断面间流量不变的条件，对于流动过程中有流量变化的情况，应按总能量的守恒定律列方程06风流流态与风道断面风速分布1.风流流态DBAC墨水流线玻璃管雷诺实验雷诺实验01雷诺现象021.风流流态(a)层流(c)过渡流(b)湍流流体质点做直线运动；流体分层流动，层间不相混合、不碰撞；流动阻力来源于层间粘性摩擦力不是独立流型（层流+湍流），流体处于不稳定状态（易发生流型转变）主体做轴向运动，同时有径向脉动；特征：流体质点的脉动雷诺现象021.风流流态（a）层流（b）紊流

风流流态与风道断面风速分布示意图抛物线vc指数曲线vc1.风流流态雷诺数03当Re≤2320(下临界雷诺数)时，为层流在实际工程计算中，通常以Re=2300作为管道流动流态的判定准数在Re=2320～4000的区域内，流动状态不是固定的，因此称为不稳定的过渡区当Re>4000(上临界雷诺数)时，流动状态为紊流即：Re≤2300层流Re>2300紊流1.风流流态当量直径04对于不同形状的井巷断面，其周长U与断面积S的关系，可用下式表示：式中：C—断面形状系数：梯形C=4.16三心拱C=3.85半圆拱C=3.902.风道断面风速分布vOttC点A处流体质点的速度脉动曲线示意图2.风道断面风速分布Re≥4000ururRd湍流时流体在圆管中的速度分布umaxδ巷道断面风速分布减少通风阻力的措施1.减少通风摩擦阻力措施减小相对粗糙度1保证有足够大的风道断面2选用断面周长较小的风道3减少风道长度4避免风道内风量过于集中52.减少局部通风阻力措施渐扩管内的空气流动合流三通尽量避免风道断面的突然变化风流交叉或汇合处连接合理0102尽量避免风流急转弯032.减少局部通风阻力措施几种弯头局部阻力系数降低出口流速042.减少局部通风阻力措施进出口风道阻力风道与风机的连接应当合理052.减少局部通风阻力措施保证气流在进出风机时均匀分布，避免发生流向和流速的突然变化，以减小阻力（和噪声）局部阻力及计算定义局部阻力及其计算由于风道断面、方向变化以及分岔或汇合等原因，使均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，造成风流的能量损失，这种阻力称为局部阻力。1.局部阻力的成因局部阻力物附近的风流状况若通过风道的风量为Q（m3/s）时，则上式变为：局部阻力hl一般用动压的倍数来表示:式中:ξ—局部阻力系数，无量纲，通过实验确定。大量实验证明，ξ只取决于局部构件的形状。2.局部阻力及其计算局部风阻代入上式，有:令:

一般管道通风摩擦阻力与计算一般管道通风摩擦阻力及计算风流在井巷中作沿程流动时，由于流体层间的摩擦和流体与井巷壁面之间的摩擦所形成的阻力称为摩擦阻力(也叫沿程阻力)式中：L——风道长度，md——圆形风道直径，或非圆形风道的当量直径，mv——断面平均风速，m/sρ——空气密度，kg/m3λ——无因次系数(沿程阻力系数)，其值通过实验求得一般管道通风摩擦阻力及计算在实际通风系统中，风道直径很小、表面粗糙的砖、混凝土风道内和隧道及地下风道的流动状态属于阻力平方区；除此以外，一般的通风管道的空气流动状态大多属于紊流光滑区到紊流粗糙区之间的过渡区在设计通风管道时，为避免繁琐的计算，可根据前面的公式制成各种表格或线算图《全国通用通风管道计算表》即是一种表格形式。图1则是根据上述公式得到的线算图，适用于K=0.15mm薄钢板风道一般管道通风摩擦阻力及计算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必须指出：各种线算图或计算表格，都是在一些特定的条件下作出的，使用时必须注意图1通风管道单位长度摩擦阻力线算图当风道内壁的粗糙度K≠0.15mm时，可先由图2-3-2查出hb0，再近似按下式修正：式中：hb——实际比摩阻，Pa/mhb0——图上查出的比摩阻，Pa/mKr——风道内壁粗糙度修正系数K——风道内壁粗糙度，mmv——风道内空气流速，m/s1.粗糙度的修正1.11.00.90.80.70.660708090100-50050100150t/℃B/kPaKBKtB

温度与大气压的修正系数式中：Kt——温度修正系数t——实际的空气温度，℃KB——大气压力修正系数B——实际的大气压力，kPa2.空气温度和大气压力的修正3.密度和黏度的修正式中：ρ——实际的空气密度，kg/m3v——实际的空气运动黏度，m2/s一般管道通风摩擦阻力及计算例：已知太原市某厂一通风系统采用钢板制圆形风道，风量L=1000m3/h，管内空气流速v=10m/s，空气温度t=80℃，求风管的管径和单位长度的沿程损失。（太原市大气压力为91.9kPa）解：由线算图查得：D=200,hb0=6.8Pa/m，由图查得：Kt=0.86，KB=0.92所以hb=KtKBhb0=0.86×0.92×6.8=5.38Pa/m太原市大气压力：B=91.9kPa阻力平方区通风风道摩擦阻力及计算1.摩擦阻力系数α在标准状态下空气密度ρ=1.2kg/m3，令：α称为摩擦阻力系数，单位为kg/m3或Ns2/m4

当井巷中空气密度ρ≠1.2kg/m3时，其α值应按下式修正：2.摩擦风阻RfRf称为摩擦风阻，其单位为：kg/m7或Ns2/m8Rf是空气密度、管道粗糙程度、断面、周长、沿程长度诸参数的函数。在正常条件下当某一段管道中的空气密度ρ一般变化不大时，可将Rf看作是反映管道几何特征的参数有一钢板制矩形风道，K=0.15mm，断面尺寸为500×250mm，流量为L=2700m3/h，空气温度为t=50℃，求单位长度摩擦阻力损失解：矩形风管内空气流速例1：阻力平方区通风风道摩擦阻力及计算流速当量直径由v=6m/s，Dv=330mm，查图得：hb0=1.2Pa/m有一钢板制矩形风道，K=0.15mm，断面尺寸为500×250mm，流量为L=2700m3/h，空气温度为t=50℃，求单位长度摩擦阻力损失解：矩形风管内空气流速例2：阻力平方区通风风道摩擦阻力及计算流速当量直径由v=6m/s，Dv=330mm，查图得：hb0=1.2Pa/m由图查得：t=50℃时，Kt=0.92，所以：hb=Kthb0=0.92×1.2=1.1Pa/m1.11.00.90.80.70.660708090100-50050100150t/℃B/kPaKBKtB

温度与大气压的修正系数阻力平方区通风风道摩擦阻力及计算设计地下风道为梯形断面S=8m2，L=1000m，采用工字钢棚支护，支架截面高度d0=14cm，纵口径Δ=5，计划通过风量Q=1200m3/min。预计风道中空气密度ρ=1.25kg/m3，求该段风道的通风阻力例3：解：根据所给的d0、Δ、Q值，由附录10查得α0=284.2×10-4×0.88=0.025风道实际摩擦阻力系数:风道摩擦风阻:风道摩擦阻力:通风网络中风流的基本定律通风网络中风流的基本定律通风网络：指若干风流按照各自的风流方向顺序相连而成的网状线路。包括：风量平衡定律、风压平衡定律和通风阻力定律节点：两条风路或两条以上风路的交点分支：汇合处每条支风路回路：由两条或两条以上首尾相连形成的闭合线路1278435618234567一、风量平衡定律ΣMi=0156324145321278435618234567

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

Q1-2=Q5-6+Q7-8+Q3-4

（a）（b）二、风压力平衡定律没有附加动力回路中，其风压或阻力代数和等于零h2-4+h4-5+h5-7=h2-7取顺时针方向的风压为正，逆时针方向的风压为负h2-4+h4-5+h5-7-h2-7=0若回路中有附加动力，则其风压或阻力代数和等于附加动力产生风压的代数和，即1278435618234567三、通风阻力定律020103阻力平方区流动的摩擦阻力定律紊流流动局部阻力定律将上两式相加，则得出阻力平方区流动总阻力定律hr=RrQ2hl=RlQ2h=RQ2简单通风网络特性主要内容1234通风网络基本形式串联风路特性并联风路特性阻力平方区流动角联风路特性一、通风网络基本形式1串联风路由两条或两条以上分支彼此首尾相连，中间没有风流分汇点的线路一、通风网络基本形式2并联风路由两条或两