通风风流基础理论及空气参数计算.

1、通风风流基础理论通风风流基础理论及空气参数计算及空气参数计算第二章第二章本章主要内容框架：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 风流理论与参数计算风流理论与参数计算u本部分主要讨论以下问题：本部分主要讨论以下问题：u1 1、干、湿空气密度的计算；、干、湿空气密度的计算；u2 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；u3 3、通风连续方程及其应用；、通风连续方程及其应用；u4 4、通风风流型式、

2、风流结构及风速分布与风、通风风流型式、风流结构及风速分布与风速测定；速测定； u5 5、通风能量方程及其应用；、通风能量方程及其应用； u6 6、（通风阻力及其计算）。、（通风阻力及其计算）。第二章第二章 通风风流基础理论通风风流基础理论及空气参数计算及空气参数计算2.1 2.1 通风空气参数通风空气参数2.2 2.2 风流流动特性风流流动特性2.3 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 2.4 风流参数的测定风流参数的测定一、干、湿空气密度的计算一、干、湿空气密度的计算u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/mkg/m3 3

3、， 用符号用符号表示：表示：u式中式中 M M空气的质量，空气的质量，kgkg；u V V空气的体积，空气的体积，m m3 3。u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。u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 2.1 通风空气参数通风空气参数一、干、湿空气密度的计算一、干、湿空气密度的计算u气态方程：气态方程：u式中式中干空气实际密度，干空气实际密度，kg/mkg/m3 3；u 0 0标准状态干空气的密度，标准状态干空气的密度，kg/mkg/m3 3；u P P、P P0 0分别为实际状态及标准状态下分别为实际状态及

4、标准状态下的空气压力，千帕（的空气压力，千帕（kpakpa）；）；u T T、T T0 0分别为实际状态及标准状态下分别为实际状态及标准状态下空气的热力学温度，空气的热力学温度，K K。TPPT000 一、干、湿空气密度的计算一、干、湿空气密度的计算u标准状态：标准状态：T T0 0=273K=273K，P P0 0=101.3kPa,=101.3kPa,干空气干空气密度密度0 0=1.293 kg/m=1.293 kg/m3 3。干空气密度计算式干空气密度计算式：u注意：注意：式中式中P P为空气的绝对压力，单位为为空气的绝对压力，单位为kPakPa；T T为空气的热力学温度（为空气的热力学

5、温度（K K），），T=273+t, tT=273+t, t为空气的摄氏温度（为空气的摄氏温度（）。）。 TP48. 3干、湿空气密度的计算u湿空气湿空气：湿空气压力等于干空气分压与水蒸汽分：湿空气压力等于干空气分压与水蒸汽分压之和。压之和。 干空气干空气 P水蒸气水蒸气干空气干空气 湿空气湿空气 P干空气干空气 PdPs道尔顿分压定律道尔顿分压定律: P=Pd+Ps , Ps=Pbu根据道尔顿分压定律即可推导出湿空根据道尔顿分压定律即可推导出湿空气密度计算式：气密度计算式：u式中式中 w w 湿空气密度湿空气密度, kg/m, kg/m3 3；u 空气相对湿度，空气相对湿度，% %；u P

6、Pb b饱和水蒸汽压力，饱和水蒸汽压力，kPakPa)378. 01 (48. 3PPTPbw二、空气压力静压u风压风压：通风中空气压力也叫风流压力（简称为风：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压），它是表示运动空气所具有的能量, , 它包括静它包括静压、动压和全压。标高越低压力越大。压、动压和全压。标高越低压力越大。u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。u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。u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

7、压作为基准的静压, , 用用P Pk k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P Pr r表示表示。 二、空气压力静压u绝对静压和相对静压的关系：绝对静压和相对静压的关系：u关系式关系式: r = k -0 绝对零压绝对零压当地大气压当地大气压PkPrP0二、空气压力静压u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: u dp =gdz u积分即得静压计算式积分即得静压计算式： P =P0 -gz u式中式中z相对于基准的高度相对于基准的高度, m；u p0 z = 0基准处的空气静压基准处的空气静压,Pa( N/m

8、2)；u p 高度为高度为z处的空气静压，处的空气静压，Pa(N/m2)； u 空气密度，空气密度，kg/m3 ；u g 重力加速度，重力加速度，m/s2。二、空气压力静压u 可压缩空气密度可压缩空气密度：近似按等温过程处理，：近似按等温过程处理，即多变指数即多变指数n=1n=1，由气态方程（，由气态方程（P=RTP=RT）和）和欧拉方程得：欧拉方程得：u式中式中 T T空气的热力学温度，空气的热力学温度，K K；u R R空气的气体常数，空气的气体常数，R=287J/kgR=287J/kgK K。 u简化计算式：展开成级数，略去高项。简化计算式：展开成级数，略去高项。RTgzePP0)1(0

9、RTgzPP二、空气压力动压，全压u动压：动压：u动压动压单位体积风流运动所具有的动能。它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恒为正，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动的方向。单位体积空气的质量为（kg/mkg/m3 3），风流速度为），风流速度为(m/s)(m/s)，由动能公，由动能公式即得风流动压式即得风流动压H Hu u(Pa(Pa) )计算式：计算式：u H Hu u=2 2/ 2 / 2 u全压：全压：u 全压全压P Pt t等于静压等于静压P Ps s与动压与动压H Hu u之和，即之和，即u P Pt t = P =

10、Ps s + H + Hu u 空气压力空气压力动压、静压、全压关系动压、静压、全压关系 空气压力空气压力动压、静压、全压关系动压、静压、全压关系空气压力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（PaPa）、牛顿）、牛顿/ /米米2 2（N/mN/m2 2）。）。1Pa=1 N/m1Pa=1 N/m2 2。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（PaPa）单位比较小，还可用百帕（）单位比较小，还可用百帕（hPahPa）、）、千帕（千帕（kPakPa）表示）表示 1hPa=100Pa1hPa=100P

11、a；1kPa=1000Pa1kPa=1000Pa。空气压力空气压力测定测定u分为：分为：u空气绝对压力测定空气绝对压力测定u空气相对压力测定空气相对压力测定三、粘三、粘 度度u粘度粘度：表示空气粘性大小的指标，分为动力粘度和：表示空气粘性大小的指标，分为动力粘度和运动粘度。运动粘度。u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。u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m m2 2 /s /s，受温度，受温度和压力影响。和压力影响。u 与与 之间的

12、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。sdxduufu流态判据流态判据：雷诺数：雷诺数ReRe，当，当Re2300Re2300时为紊流，反之时为紊流，反之为层流。为层流。ReRe值计算式：值计算式：u m m流道流体平均速度，流道流体平均速度，m/s;m/s;u 空气运动粘度，空气运动粘度，m m2 2/s;/s;u D D流道直径，流道直径，m m。u非圆流道非圆流道：用等效直径：用等效直径 De=4S/PDe=4S/Px x 取代直径取代直径D D 。其。其中中S S为

13、流道的断面积（为流道的断面积（m m2 2），），P Px x为流道断面周长为流道断面周长（m m）。）。一、一、 风流流态风流流态DRe2.2 2.2 风流流动特性风流流动特性二、风流型式及风速二、风流型式及风速u管道的体积风量管道的体积风量：u Q=s ui ds u 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;u S 管管道横断面积，道横断面积，m2;uQ 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。风流型式及风速风流型式及风速射流射流u分为自由射流和有限射流分为自由射流和有限射流风流型式及风速风流型式及风速射流射流u自由射流风流结构主要参数自

14、由射流风流结构主要参数: 扩张角和射流边界层宽度R, 它们的计算式为:u tg(/2)=3.4a tg(/2)=3.4a u R = X tg(/2) = 3.4 a R = X tg(/2) = 3.4 a X ua a射流风流结构系数射流风流结构系数, , 圆管圆管a a=0.06=0.060.08 ;0.08 ;uX X离射流极点的距离。离射流极点的距离。u射流体风速分布：射流体风速分布：uu un n射流体轴线的风速，射流体轴线的风速，m/s;m/s;uu ur r射流体内距轴线射流体内距轴线r r距离处的风速距离处的风速,m/s,m/s。25 . 1)/(1 Rruunr风流型式及风

15、速风流型式及风速汇流汇流u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( (如实如实际风筒入口的汇流际风筒入口的汇流) )。空间点汇风速计算：。空间点汇风速计算：u Q Q汇流体积风量，汇流体积风量，m m3 3/s/s；u r r距点汇的距离，距点汇的距离，m m；u r rr r点处的风速，点处的风速，m/sm/s。u风速与距离风速与距离r r的平方成反比的平方成反比, , 即距离增大即距离增大, , 风速激剧降低。风速激剧降低。24rQurr一、连续方程计算一、连续方程计算u 流体力学连续方程流体力学连续方程:u u一维流道：一维流道：u s u ds = 常

16、数常数u 稳定一维流动，流经流道各断面的空气质量相等。稳定一维流动，流经流道各断面的空气质量相等。u平均速度平均速度Um： 0)(udivtSdsUsm2.3 2.3 空气流动过程的基本方程空气流动过程的基本方程 一、连续方程计算一、连续方程计算u一维流道风流质量连续方程一维流道风流质量连续方程：u Um1S11=Um2S22 u式中式中 Um1、Um2流道流道1、2断面的平均风断面的平均风速，速，m/s；u S1、S2流道流道1、2断面的断面积，断面的断面积，m2；u1、2流道流道1、2断面的空气密度，断面的空气密度，kg/m3。u等密度等密度：即即1=2时：时：u Um1S1 = Um2S

17、2 一、连续方程计算一、连续方程计算u多支管多支管( (巷巷) )道连续方程：道连续方程：u节点分析法原理：流入、流出节点的质量节点分析法原理：流入、流出节点的质量流量的代数和为零。流量的代数和为零。u u式中下标式中下标i i表示节点处的第表示节点处的第i i分支；分支；un n表示节点处总的分支数；表示节点处总的分支数；u“”表示风流的流动方向。表示风流的流动方向。01inimiSU二、能量方程二、能量方程u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。u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和和机械能机械能E，而机械能包括流体的静

18、压能而机械能包括流体的静压能P，动压能，动压能2/2和和位势能位势能Zg，即，即uE = P + Zg +2/2 u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运动到断运动到断面面2的过程，由于与外界发生热交换及对外界的过程，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。做功，其能量就要发生变化。二、能量方程二、能量方程二、能量方程二、能量方程u根据热力学第一定律有根据热力学第一定律有u（U1 + E1）-（U2 + E2）= q + h uU1、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；

19、q流体与外界交换的热量；流体与外界交换的热量；uh流体对外界所做的功。流体对外界所做的功。u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。则不可压缩流体绝热、等温的稳定流动过程则不可压缩流体绝热、等温的稳定流动过程的能量方程为：的能量方程为：12222221112P2P hvgZvgZ二、能量方程应用二、能量方程应用u有风机能量方程：有风机能量方程：u u水平管道，进口与出口均为大气压时，风机水平管道，进口与出口均为大气压时，风机风压风压H H与风流阻力与风流阻力h h1212之间的计算式：之间的计算式：u H = H = 2 2 2 2/2 + h/2 + h12

20、12 12222221112P2P hvgZHvgZ 一、空气压力一、空气压力测定测定u绝对压力：绝对压力：u水银气压计水银气压计u空盒气压计空盒气压计水银气压计水银气压计2.4 2.4 风流参数的测定风流参数的测定空气压力空气压力测定测定u水银气压计水银气压计u空盒气压计空盒气压计空气压力空气压力测定测定空盒气压计空盒气压计空气压力空气压力测定测定u相对压力测定方法：相对压力测定方法：uU U型压力计型压力计u倾斜压力计倾斜压力计u补偿微压计补偿微压计u压力传感器型直读压力计压力传感器型直读压力计空气压力空气压力测定测定uU U型压力计型压力计空气压力空气压力测定测定补偿式微压计补偿式微压计

21、空气压力空气压力测定测定补偿式微压计补偿式微压计空气压力空气压力测定测定补偿式微压计补偿式微压计二、风速测定方法二、风速测定方法风风速速测测定定方方法法（表表2-2）方 法 应 用量程（m/s）精度（%）示踪技术适用于低速，方向性强，但测定麻烦，多用于风流结构的测定0.025-0.2510-20卡他计法适用于低速，无方向性，测定麻烦，多用于室内定0.1-1机械风表无方向性，适用于一般风速测定，也可用于地下井巷风速。易损，应定期校正0.5-155-20动压法多用于管道风速测定，在量程下精度较低3-50(U)0.9-50(微)1-5热球风速仪可用于管道、井巷风速测定，在量程下限精度较低0.05-3

22、03-20热线风速仪适用于低速定向或非定向的风速测定0.005-51-20激光测速仪适用于各种流速的测定0.0001-10001-10风速测定方法风速测定方法机械风表机械风表u类型：杯式和翼式两种。类型：杯式和翼式两种。风速测定方法风速测定方法机械风表机械风表u轻便型磁感风向风速表 u数字风速表 风速测定风速测定机械风表机械风表u杯式：用于杯式：用于10m/s10m/s的高风速测定；的高风速测定；u翼式：用于翼式：用于0.10.110m/s10m/s的中等风速测定，高灵敏度的中等风速测定，高灵敏度翼式风表可测定翼式风表可测定0.10.10.5m/s0.5m/s的低风速。的低风速。u测定计算：风

23、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） u N=(NN=(Nt t-N-N0 0) / t) / t u实际风速实际风速u u换算：换算： u = aN+bu = aN+b u N N0 0、 N Nt t风表的初始和最终读数，转；风表的初始和最终读数，转；u t t测定时间，测定时间，s s；u a a、b b常数；常数；u u u测定的实际风速，测定的实际风速，m/sm/s。风速测定风速测定机械风表机械风表风速测定风速测定热球风速仪热球风速仪 风速测定风速测定热球风速仪热球风速仪热式风速计热式风速计 风速测定风速测定动压法动压法u测出风流动压测出风流动压H

24、 Hu u，后按下式计算出风速：，后按下式计算出风速：uH Hu u为断面风流平均动压为断面风流平均动压(Pa)(Pa)，为空气密度为空气密度(kg/m(kg/m3 3) )u平均动压平均动压H Hu u确定：确定：u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 风速测定风速测定动压法动压法uR Ri i第第I I个测点圆环半径，个测点圆环半径，m m；uR R管道半径，管道半径，m m；ui i从管道中心算起圆环序号；从管道中心算起圆环序号；un n测点圆环数。测点圆环数。u一般直径为一般直径为300300500mm500mm时，时，n n取取3 3

25、，直径为，直径为500500800mm800mm时，时，n n取取4 4。u 管道断面平均动压管道断面平均动压HuHu（PaPa）计算式：）计算式：221)(nHHHHumuuu风速测定动压法通风阻力通风阻力u重点和难点：重点和难点：1. 1. 通风阻力分类以及产生的原因通风阻力分类以及产生的原因2. 2. 通风阻力的规律与计算方法以及降低管道通风阻力的通风阻力的规律与计算方法以及降低管道通风阻力的主要措施主要措施 当空气沿管道运动时，由于风流的粘滞性和惯性以及当空气沿管道运动时，由于风流的粘滞性和惯性以及管道壁面等对风流的阻滞、扰动作用而形成通风阻力，管道壁面等对风流的阻滞、扰动作用而形成通

26、风阻力，它是造成风流能量损失的原因。管道通风阻力可分为它是造成风流能量损失的原因。管道通风阻力可分为两类：摩擦阻力两类：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、风流流态一、风流流态1 1、管道流、管道流 同一流体在同一管道中流动时，不同的流速会形成不同的流动状态。当流速较低同一流体在同一管道中流动时，不同的流速会形成不同的流动状态。当流速较低时，流体质点互不混杂，流体运动轨迹为规则的直线或平滑的曲线，且与管道的时，流体质点互不混杂，流体运动轨迹为规则的直线或平滑的曲线，且与管道的轴线方向基本平行。沿着与管轴平行的方向作层状运动，称为层流轴线方向基本平行。沿着

27、与管轴平行的方向作层状运动，称为层流( (或滞流或滞流) )。当。当流速较大时，流体质点的运动速度在大小和方向上都随时发生变化，成为互相混流速较大时，流体质点的运动速度在大小和方向上都随时发生变化，成为互相混杂的紊乱流动，称为杂的紊乱流动，称为紊流紊流( (或湍流或湍流) )。 （）雷诺数）雷诺数Re Re 式中：平均流速式中：平均流速v v 管道直径管道直径d d 流体的运动粘性系数流体的运动粘性系数 。 VdRe 第一节第一节 管道断面上风速分布管道断面上风速分布（）当量直径）当量直径 对于非圆形断面的管道，对于非圆形断面的管道，Re Re 数中的管道直径数中的管道直径d d应以管道断面的

28、当量应以管道断面的当量直径直径dede来表示：来表示： 因此，非圆形断面管道的雷诺数可用下式表示：因此，非圆形断面管道的雷诺数可用下式表示： 对于不同形状的管道断面，其周长对于不同形状的管道断面，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：梯形断面形状系数：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。 USde4UVSRe 4 SCU 在实际工程计算中，为简便起见，通常以在实际工程计算中，为简便起见，通常以R Re e=2300=2300作为管道流动流态作

29、为管道流动流态的判定准数，即：的判定准数，即： R Re e2300 2300 层流，层流， R Re e2300 2300 紊流紊流（）紊流脉动（）紊流脉动 风流中各点的流速、压力等物理参数随时间作不规则变化风流中各点的流速、压力等物理参数随时间作不规则变化（）时均速度（）时均速度 瞬时速度瞬时速度 v vx x 随时间随时间的变化。其值虽然不断变化，但在一足够长的时间段的变化。其值虽然不断变化，但在一足够长的时间段 T T 内，流速内，流速 v vx x 总是围绕着某一平均值上下波动。总是围绕着某一平均值上下波动。Tvxvxt二、管道断面上风速分布二、管道断面上风速分布层流边层：在贴近壁面

30、处仍存在层流运动薄层，即层流边层。其厚度随Re增加而变薄，它的存在对流动阻力、传热和传质过程有较大影响。在层流边层以外，从巷壁向巷道轴心方向，风速逐渐增大，呈抛物线分布。平均风速： 式中： 巷道通过风量Q。则：QV SSiSvSvd1SiSv dvvmaxvmax( (）巷道风速分布）巷道风速分布 由于空气的粘性和管道壁面摩擦影响，管道断面上风速分布是由于空气的粘性和管道壁面摩擦影响，管道断面上风速分布是不均匀的。不均匀的。风量 风速分布系数：断面上平均风速v与最大风速vmax的比值称为风速分布系数(速度场系数)，用Kv表示： 巷壁愈光滑，Kv值愈大，即断面上风速分布愈均匀。 砌碹巷道，Kv=

31、0.80.86；木棚支护巷道，Kv=0.680.82； 无支护巷道，Kv=0.740.81。maxvvKv 风风 速速 分分 布布 系系 数数一、摩擦阻力一、摩擦阻力 风流在管道中作均匀流动时，由于流体层间的摩擦和流体与管道壁面之间风流在管道中作均匀流动时，由于流体层间的摩擦和流体与管道壁面之间的摩擦所形成的阻力称为摩擦阻力的摩擦所形成的阻力称为摩擦阻力( (也叫沿程阻力也叫沿程阻力) )。 注：均匀流动指的是风流速度大小和方向都不变，且各断面速度分布是一注：均匀流动指的是风流速度大小和方向都不变，且各断面速度分布是一致的。由流体力学可知，无论层流还是紊流，以风流压能损失来反映的摩擦致的。由流

32、体力学可知，无论层流还是紊流，以风流压能损失来反映的摩擦阻力可用下式来计算：阻力可用下式来计算： Pa Pa 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；摩擦风阻与阻力摩擦风阻与阻力2 2vdLhf实际流体在流动过程中，沿程能量损失一方面（内因）取决于粘滞力和惯实际流体在流动过程中，沿程能量损失一方面（内因）取决于粘滞力和惯性力的比值，用雷诺数性力的比值，用雷诺数ReRe来衡量；另一方面（外因）是固体壁面对流体流来衡量；另一方面（外因）是固体壁面对流体流动的阻碍作用，故沿程能量损

33、失又与管道长度、断面形状及大小、壁面粗动的阻碍作用，故沿程能量损失又与管道长度、断面形状及大小、壁面粗糙度有关。其中壁面粗糙度的影响通过糙度有关。其中壁面粗糙度的影响通过值来反映。值来反映。 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、粒径为的砂粒均匀粘贴于管的砂粒均匀粘贴于管壁。砂粒的直径壁。砂粒的直径就是管壁凸起的高度，称为绝对糙度；绝对糙度就是管壁凸起的高度，称为绝对糙度；绝对糙度与管与管道半径道半径r r的比值的比值/r /r 称为相对糙度。以水作为流动介质、对相对糙度分别称为相对糙度。以水作为流动介质、对相对糙度分别为为1/151/15、

34、1/30.61/30.6、1/601/60、1/1261/126、1/2561/256、1/5071/507六种不同的管道进行试验研六种不同的管道进行试验研究。对实验数据进行分析整理，在对数坐标纸上画出究。对实验数据进行分析整理，在对数坐标纸上画出与与ReRe的关系曲线，的关系曲线，如图所示。如图所示。1 1尼古拉兹实验尼古拉兹实验 区区层流区层流区。当当ReRe2320(2320(即即lgRelgRe3.36)3.36)时，不论管时，不论管道粗糙度如何，其实验结果都集中分布于直线道粗糙度如何，其实验结果都集中分布于直线上。这表上。这表明明与相对糙度与相对糙度/r/r无关，只与无关，只与ReR

35、e有关，且有关，且=64/=64/ReRe。与与相对粗糙度无关相对粗糙度无关 结论分析：结论分析：层流区区区过渡流区过渡流区。23202320ReRe4000(4000(即即3.36lg3.36lgReRe3.6)3.6)，在此区间内，不同相对糙度的管内，在此区间内，不同相对糙度的管内流体的流态由层流转变为紊流。所有的实验点几乎都集流体的流态由层流转变为紊流。所有的实验点几乎都集中在线段中在线段上。上。随随ReRe增大而增大，与相对糙度无明显增大而增大，与相对糙度无明显关系。关系。区区过渡流区过渡流区过渡流区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紊流状在此区段内，管内流

36、动虽然都已处于紊流状态态( (ReRe4000)4000)，但在一定的雷诺数下，当层流边层的厚度，但在一定的雷诺数下，当层流边层的厚度大于管道大于管道的绝对糙度的绝对糙度（称为水力光滑管）时，其实验点均集中在直线（称为水力光滑管）时，其实验点均集中在直线上，上，表明表明与与仍然无关，而只与仍然无关，而只与ReRe有关。随着有关。随着ReRe的增大，相对糙度大的的增大，相对糙度大的管道，实验点在较低管道，实验点在较低ReRe时就偏离直线时就偏离直线，而相对糙度小的管道要在，而相对糙度小的管道要在ReRe较大时才偏离直线较大时才偏离直线。区区水力光滑管区水力光滑管区水力光滑区 区区紊流过渡区紊流过

37、渡区，即图中即图中所示区段。在这个区所示区段。在这个区段内，各种不同相对糙度的实验点各自分散呈一波状段内，各种不同相对糙度的实验点各自分散呈一波状曲线，曲线，值既与值既与ReRe有关，也与有关，也与/ /r r有关有关。区区紊流过渡区紊流过渡区紊流层区区水力粗糙管区水力粗糙管区。在。在该区段，该区段，ReRe值较大，管内液流的层流边层值较大，管内液流的层流边层已变得极薄，有已变得极薄，有，砂粒凸起高度几乎全暴露在紊流核心，砂粒凸起高度几乎全暴露在紊流核心中，中，故故ReRe对对值的影响极小值的影响极小，略去不计，相对糙度成为，略去不计，相对糙度成为的唯一影响的唯一影响因素。故在该区段，因素。故

38、在该区段，与与ReRe无关，而只与相对糙度有关。摩擦阻无关，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：力与流速平方成正比，故称为阻力平方区，尼古拉兹公式：2lg274.11r区区水力粗糙管区水力粗糙管区当流体在圆形管道中作层流流动时，从理论上可以导出摩擦阻力计算式：当流体在圆形管道中作层流流动时，从理论上可以导出摩擦阻力计算式： = = 可得圆管层流时的沿程阻力系数：可得圆管层流时的沿程阻力系数： 古拉兹实验所得到的层流时古拉兹实验所得到的层流时与与ReRe的关系，与理论分析得到的关系完全相的关系，与理论分析得到的关系完全相同，理论与实验的正确性得到相互的验

39、证。同，理论与实验的正确性得到相互的验证。 层流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比。层流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比。2 2层流摩擦阻力层流摩擦阻力vdLhf232VdRe 2 642vdLRehfRe643 3、紊流摩擦阻力、紊流摩擦阻力 对于紊流运动，对于紊流运动，=f (Re=f (Re，/r)/r)，关系比较复杂。用当，关系比较复杂。用当量直径量直径dede=4=4S S/ /U U代替代替d d，代入阻力通式，则得到紊流状态，代入阻力通式，则得到紊流状态下管道的摩擦阻力计算式：下管道的摩擦阻力计算式：23288QSLUvSLUhf3 3、紊流摩擦阻力、紊流摩擦阻力1 1摩擦阻力系数

40、摩擦阻力系数 大多数通风管道风流的大多数通风管道风流的ReRe值已进入阻力平方区，值已进入阻力平方区，值只与相对糙度有关，值只与相对糙度有关，对于几何尺寸和支护已定型的管道，相对糙度一定，则对于几何尺寸和支护已定型的管道，相对糙度一定，则可视为定值；在可视为定值；在标准状态下空气密度标准状态下空气密度=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。二、摩擦阻力系数与摩擦风阻二、摩擦阻力系数与摩擦风阻823QSLUhf则得到紊流状态下管道的摩擦阻力计算式写为：则

41、得到紊流状态下管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：8 通过大量实验和实测所得的、在标准状态通过大量实验和实测所得的、在标准状态（0 0=1.2kg/m=1.2kg/m3 3）条件下的管道的摩擦阻力）条件下的管道的摩擦阻力 系数，即所谓标准值系数，即所谓标准值0 0值，当管道中空气值，当管道中空气 密度密度1.2kg/m1.2kg/m3 3时，其时，其值应按下式修正：值应按下式修正：2.10值的修正值的修正对于已给定的管道，对于已给定的管道，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 归归结为一个参数结为一个参数R

42、 Rf f：R Rf f 称为摩擦风阻，其单位为：称为摩擦风阻，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：kgfkgf .s .s2 2/m/m8 8 ，或写成：，或写成：kk。1 N.s1 N.s2 2/m/m8 8= 9.8 k= 9.8 k R Rf ff ( ,S,U,L)f ( ,S,U,L) 。在正常条件下当某一段管道中的空气密度。在正常条件下当某一段管道中的空气密度 一般变化不大时，可将一般变化不大时，可将R R f f 看作是反映管道几何特征的参数。看作是反映管道几何特征的参数。则得到紊流状态下管道的摩擦阻力计算式写为：则得到

43、紊流状态下管道的摩擦阻力计算式写为：此式就是完全紊流此式就是完全紊流( (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。2 2摩擦风阻摩擦风阻R Rf f3SLURf2QRhff3.选用周界较小的管道w减少摩擦阻力的措施减少摩擦阻力的措施1.降低摩擦阻力系数2.扩大巷道断面4.减小巷道的长度5.避免巷道内风量过大6. 避免巷道内风量过于集中一、局部阻力一、局部阻力由于管道断面、方向变化以及分岔或汇合等原因，使均匀流动在局部由于管道断面、方向变化以及分岔或汇合等原因，使均匀流动在局部地区风流受到影响而破坏，从而引起风流速度场分布变化和产生涡流地区风流受到影响而破坏，从而引

44、起风流速度场分布变化和产生涡流等，因而在局部地点产生一种附加的阻力，造成风流的能量损失，这等，因而在局部地点产生一种附加的阻力，造成风流的能量损失，这种阻力称为局部阻力。局部阻力所产生风流速度场分布的变化比较复种阻力称为局部阻力。局部阻力所产生风流速度场分布的变化比较复杂。局部阻力一般发生在巷道拐弯、分叉、汇合、巷道断面变化处、杂。局部阻力一般发生在巷道拐弯、分叉、汇合、巷道断面变化处、进风井口、回风井口处等。进风井口、回风井口处等。第三节第三节 局部风阻与阻力局部风阻与阻力、突变、突变 紊流通过突变部分时，由于惯性作用，出现主流与边壁脱离脱离的现象, 在主流与边壁之间形成涡漩区涡漩区，从而增

45、加能量损失。突然扩大状态突然扩大状态 突然缩小状态突然缩小状态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交汇合流三通、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，在边壁附近产生涡漩。因为涡漩。因为 V hV hv v p p ，压差的作用方向与流动方向相反，压差的作用方向与流动方向相反，使边壁附近，流速本来就小，趋于使边壁附近，流速本来就小，趋于0, 0, 在这些地方主流与边在这些地方主流与边壁面脱离，出现与主流相反的流动，呈现涡漩。壁面脱离，出现与主流相反的流动，呈现涡漩。渐变状态渐变状态 、转弯处、转弯处u流体质点在转

46、弯处受到离心力作用，在外侧出现减速增压，出现涡漩。u u u 转弯状态转弯状态、分岔与汇合、分岔与汇合u 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。2312312二、局部阻力及其计算二、局部阻力及其计算 根据水力学包达根据水力学包达卡诺定律，局部阻力卡诺定律，局部阻力hl一般也用动压的倍一般也用动压的倍数来表示：数来表示： ，局部阻力，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，关计算局部阻力，关键是局部阻力系数确定，因键是局部阻力系数确定，因v=Q/S,v=Q

47、/S,当当确定后，便可用以下确定后，便可用以下式子计算。式子计算。 22vhlReB222QShl 三、局部阻力系数三、局部阻力系数(一一) 局部阻力系数局部阻力系数 紊流状态局部阻力系数紊流状态局部阻力系数一般主要取决于局部阻力物的一般主要取决于局部阻力物的形状，而边壁的粗糙程度为次要因素。形状，而边壁的粗糙程度为次要因素。 主要有以下几种代表性状态主要有以下几种代表性状态1突然扩大；突然扩大；2突然缩小；突然缩小；3逐渐扩大；逐渐扩大；4转弯。转弯。1 1突然扩大突然扩大2211211222122211QSvvSShl根据水力学根据水力学包达包达卡诺定律卡诺定律 2222222222122221QSvvSShl式中：式中： v1、v2分别为小断面和大断分别为小断面和大断面的平均流速，面的平均流速，m/s； S1、S2分别为小断面和大分别为小断面和大断面的面积，断面的面积，m； m空气平均密度，空气平均密度，kg/m3。2 2突然缩小突然缩小1215 . 0SS013. 013逐渐扩大逐渐扩大 逐渐扩大的局部阻力比突然扩大小得多，其能量损失可认为由摩擦逐渐扩大的局部阻力比突然扩大小得多，其能量损失可认为由摩擦损失和扩张损失两部分组成。损失和扩张损失两部分组成。 当当2020时，渐扩段的局部阻力系数时，渐扩段的局部阻力系数可用下式求算：可用下式求算