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、干、湿空气密度的计算；、干、湿空气密

2、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

3、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。VM2.1 通风空气参数通风空气参数Anhui University of Technology建

4、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。TPPT000Anhui University of Technology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.

5、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（）。）。 TP48. 3Anhui 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

6、PdPs道尔顿分压定律道尔顿分压定律: P=Pd+Ps , Ps=PbAnhui 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 (48. 3PPTPbwAnhui 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

7、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

8、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 kPr rP0 0Anhui 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

9、 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。RTgz

10、ePP0)1(0RTgzPPAnhui 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

11、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 Technology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）。）。1P

12、a=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。Anhui 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

13、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

14、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meUDR2.2 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、

15、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

16、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 = 0.060.08 ;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 RruunrAnhui 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

17、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。24rQurrAnhui 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

18、量相等。相等。平均速度平均速度Um： 0)(udivtSdsUsm2.3 空气流动过程的基本方程空气流动过程的基本方程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

19、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： UmUm1 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。01inimiSUAnhui Univ

20、ersity of Technology建筑工程学院28二、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

21、换及对外界做功，其能量就要发生变化。就要发生变化。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

22、对外界所做的功。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：12222221112P2P hvgZvgZAnhui 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 12222221112P2P hvgZHvg

23、ZAnhui 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Anhui University of Technology建筑工程学院35一、空气压力一、空气

24、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/F11+ F2/F1）h2h2 =g =g（1+ F2/F11+ F2/F1）LsinLsin =KgL =KgL K K仪器校正系

25、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/m3Anhui 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40PIVAnhui 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

26、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/s10m/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

27、/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Anh

28、ui 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)，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uH2niRRi212 Anhui University of Technology建筑工程学院4

29、8 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7001000mm时，时，n取取4。 管道断面平均动压管道断面平均动压Hu（Pa）计算式：）计算式：221)(mHHHHumuuuAnhui 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502.5 通风阻力及计算通风

30、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

31、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 2vdLhfAnhui University of Technology建筑工程学院51uP1dFFP21122l232dlupAF由哈根方程：由哈根方程：则能量损失：则能量损失：22Re

32、64264322222)()(udludludldlupfduh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

33、 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=3.85=3.85；半圆拱；半圆拱C C=3.90=3.90。USde4UvSRe4SCU 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

34、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：du2.5 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

35、；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

36、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。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

37、/=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 University 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

38、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

39、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

40、与相对糙度有关。摩擦阻力与流速平方无关，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：22lg274. 11KD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，

41、对于湍流运动，=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：23288QSLUvSLUhf2.5 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，值已进入阻力平方区，值只与相对粗糙度

42、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=1.2kg/m=1.2kg/m3 3）条件

43、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。823QSLUhf2.10Anhui University of Technology建筑工程学院612 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 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/

44、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平方区) )下的摩擦阻力定律。下的摩擦阻力定律。 3SLURf2QRhff2

45、.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

46、）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

47、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

48、2vhl222QShl2.5 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

49、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

50、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 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

51、、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672、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683、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Anhui University