空氣流動(dòng)基本理論（通風(fēng)除塵技術(shù)）

風(fēng)流的壓力1靜壓2動(dòng)壓3全壓4位壓5風(fēng)流的全壓和機(jī)械能主要內(nèi)容一、靜壓風(fēng)流壓力：?jiǎn)挝惑w積空氣所具有的能夠?qū)ν庾龉Φ臋C(jī)械能1.概念由分子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的分子動(dòng)能的一部分轉(zhuǎn)化的能夠?qū)ν庾龉Φ臋C(jī)械能叫靜壓能，用Ep表示（J/m3）當(dāng)空氣分子撞擊到器壁上時(shí)就有了力的效應(yīng)，這種單位面積上力的效應(yīng)稱為靜壓力，簡(jiǎn)稱靜壓，用p表示（N/m2，即Pa）工業(yè)通風(fēng)中，靜壓即單位面積上受到的垂直作用力一、靜壓2.特點(diǎn)3.（1）無(wú)論靜止的空氣還是流動(dòng)的空氣都具有靜壓力（2）風(fēng)流中任一點(diǎn)的靜壓各向同值，且垂直作用面（3）風(fēng)流靜壓的大?。捎脙x表測(cè)量）反映了單位體積風(fēng)流所具有的能夠?qū)ν庾龉Φ撵o壓能的多少（1）絕對(duì)靜壓：以真空為測(cè)算零點(diǎn)（比較基準(zhǔn)）而測(cè)得的壓力，用p表示（2）相對(duì)靜壓：以當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)同標(biāo)高的大氣壓力為測(cè)算基準(zhǔn)（零點(diǎn)）而測(cè)得的壓力，即表壓力，用h表示表示方法一、靜壓P0ABPAPPBPAPBhA(+)hB(-)真空(0)P0風(fēng)流的絕對(duì)靜壓（p）、相對(duì)靜壓（h）和與其對(duì)應(yīng)的大氣壓（p0）三者之間的關(guān)系（見圖）：h=p-p0二、動(dòng)壓1.概念其單位體積風(fēng)流的動(dòng)能所轉(zhuǎn)化顯現(xiàn)的壓力叫動(dòng)壓或稱速壓，用hv表示，單位Pa當(dāng)空氣流動(dòng)時(shí)，除位壓和靜壓外，還有空氣定向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，用Ev表示，J/m32.計(jì)算設(shè)某點(diǎn)的空氣密度為ρi（kg/m3），其定向運(yùn)動(dòng)的流速即風(fēng)速為

i（m/s），則單位體積空氣所具有的動(dòng)能為：二、動(dòng)壓4.某斷面動(dòng)壓即為該斷面平均風(fēng)速計(jì)算值3.在同一流動(dòng)斷面上，由于風(fēng)速分布的不均勻性，各點(diǎn)的風(fēng)速不相等，所以其動(dòng)壓值不等2.動(dòng)壓總大于零。當(dāng)作用面與流動(dòng)方向有夾角時(shí)，其感受到的動(dòng)壓值將小于動(dòng)壓真值。故在測(cè)量動(dòng)壓時(shí)，應(yīng)使感壓孔垂直于運(yùn)動(dòng)方向1.只有做定向流動(dòng)的空氣才具有動(dòng)壓，因此動(dòng)壓具有方向性！3.特點(diǎn)三、全壓風(fēng)流中某一點(diǎn)的動(dòng)壓和靜壓之和稱為全壓，全壓也分為絕對(duì)全壓（pt）和相對(duì)全壓（ht）,在風(fēng)流中某點(diǎn)i的絕對(duì)全壓均可用下式表示：pti=pi+hvi由上式可知，風(fēng)流中的任一點(diǎn)的絕對(duì)全壓恒大于絕對(duì)靜壓；相對(duì)全壓有正負(fù)之分，與通風(fēng)方式有關(guān)三、全壓abPa真空P0PPbha(+)hbbP0PathvhathvhbtPbt抽出式通風(fēng)壓入式通風(fēng)壓入式通風(fēng)抽出式通風(fēng)a(-)四、位壓1.概念單位體積風(fēng)流對(duì)于某基準(zhǔn)面而具有的位能，稱為位壓，用hz表示物體在地球重力場(chǎng)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(jiǎn)稱位能，用Ep0表示Ep0=MgZ2.計(jì)算abPiZ122211

位壓計(jì)算圖在圖所示的井筒中，求1-1、2-2兩斷面之間的位壓，取2-2點(diǎn)為基準(zhǔn)面此式是位壓的數(shù)學(xué)定義式。即兩斷面間的位壓的數(shù)值就等于兩斷面間單位面積上的空氣柱重量的數(shù)值四、位壓四、位壓3.位壓與靜壓的關(guān)系

當(dāng)空氣靜止時(shí)（v=0），如上圖的系統(tǒng)。由空氣靜力學(xué)可知，各斷面的機(jī)械能相等。設(shè)2-2斷面為基準(zhǔn)面1-1斷面總機(jī)械能:E1=Ep01+p12-2斷面總機(jī)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(zhǔn)面），Ep01=ρ12gZ12，又得p2=Ep01+p1=ρ12gZ12+p1此即空氣靜止時(shí)，位壓與靜壓之間的關(guān)系四、位壓4.位壓的特點(diǎn)1.位壓是相對(duì)某一基準(zhǔn)面具有的能量，它隨所選基準(zhǔn)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(jìn)行直接測(cè)量3.位壓和靜壓可以相互轉(zhuǎn)化，當(dāng)空氣由標(biāo)高高的斷面流至標(biāo)高低的斷面時(shí)，位壓轉(zhuǎn)化為靜壓；反之，當(dāng)空氣由標(biāo)高低的斷面流至標(biāo)高高的斷面時(shí)，靜壓轉(zhuǎn)化為位壓四、位壓根據(jù)能量的概念，單位體積風(fēng)流的機(jī)械能為單位體積風(fēng)流的靜壓能、動(dòng)能、位能之和，因此，從數(shù)值上來(lái)說(shuō)，單位體積風(fēng)流的機(jī)械能E等于靜壓、動(dòng)壓和位壓之和，或等于全壓和位壓之和，即或E=pti+hZE=pi+hvi+hZ風(fēng)流流動(dòng)的基本方程風(fēng)流流動(dòng)連續(xù)性方程1風(fēng)流流動(dòng)能量方程2使用單位體積流體能量方程的注意事項(xiàng)3主要內(nèi)容一、風(fēng)流流動(dòng)連續(xù)性方程風(fēng)流在風(fēng)道中的流動(dòng)可以看作是穩(wěn)定流（流動(dòng)參數(shù)不隨時(shí)間變化的流動(dòng)）當(dāng)空氣從風(fēng)道的1斷面流向2斷面，且做定常流動(dòng)時(shí)（即在流動(dòng)過(guò)程中不漏風(fēng)又無(wú)補(bǔ)給），則兩個(gè)過(guò)流斷面的空氣質(zhì)量流量相等，即ρ1

1S1=ρ2

2S2

一、風(fēng)流流動(dòng)連續(xù)性方程Mi=const任一過(guò)流斷面的質(zhì)量流量為Mi（kg/s），則當(dāng)S1=S2時(shí)，空氣的密度與其流速成反比其通過(guò)任一斷面的體積流量Q（m3/s）相等，即：Q=

iSi=const風(fēng)道斷面上風(fēng)流的平均流速與過(guò)流斷面的面積成反比可壓縮流體01不可壓縮流體（密度為常數(shù)）02二、風(fēng)流流動(dòng)能量方程風(fēng)流在圖所示的風(fēng)道中由1斷面流至2斷面，其間無(wú)其他動(dòng)力源。設(shè)1kg空氣克服流動(dòng)阻力消耗的能量為L(zhǎng)R，周圍介質(zhì)傳遞給空氣的熱量為q；設(shè)1、2斷面的參數(shù)分別為風(fēng)流的絕對(duì)靜壓p1、p2，風(fēng)流的平均流速

1、

2；風(fēng)流的內(nèi)能u1、u2；風(fēng)流的密度ρ1、ρ2；距基準(zhǔn)面的高度Z1、Z20021Z1Z2傾斜風(fēng)道示意圖二、風(fēng)流流動(dòng)能量方程0021Z1Z2傾斜風(fēng)道示意圖在1斷面下，1kg空氣具有的能量為：到達(dá)2斷面時(shí)的能量為：根據(jù)能量守恒定律：二、風(fēng)流流動(dòng)能量方程0021Z1Z2傾斜風(fēng)道示意圖二、風(fēng)流流動(dòng)能量方程例在某一通風(fēng)井巷中，測(cè)得1、2兩斷面的絕對(duì)靜壓分別為101324.7Pa和101858Pa，若S1=S2，兩斷面間的高差Z1-Z2=100米，巷道中

m12=1.2kg/m3，求：1、2兩斷面間的通風(fēng)阻力，并判斷風(fēng)流方向0021Z1Z2解：假設(shè)風(fēng)流方向1

2，列能量方程由于阻力值為正，所以原假設(shè)風(fēng)流方向正確，即1

2

由于風(fēng)道斷面上風(fēng)速分布的不均勻性和測(cè)量誤差，從嚴(yán)格意義上講，用實(shí)際測(cè)得的斷面平均風(fēng)速計(jì)算出來(lái)的斷面總動(dòng)能和斷面實(shí)際總動(dòng)能是不等的。實(shí)際測(cè)得的斷面平均風(fēng)速計(jì)算出來(lái)的斷面總動(dòng)能應(yīng)乘以動(dòng)能系數(shù)加以修正01在工業(yè)通風(fēng)中，一般其動(dòng)能差較小，式中ρm可分別用各自斷面上的密度來(lái)代替，以計(jì)算其動(dòng)能差02三、使用單位體積流體能量方程的注意事項(xiàng)風(fēng)流流動(dòng)必須是穩(wěn)定流，即斷面上的參數(shù)不隨時(shí)間的變化而變化，所研究的始、末斷面要選在緩變流場(chǎng)上03風(fēng)流總是從總能量（機(jī)械能）大的地方流向總能量小的地方。在判斷風(fēng)流方向時(shí)，應(yīng)用始、末兩斷面上的總能量來(lái)進(jìn)行04三、使用單位體積流體能量方程的注意事項(xiàng)！三、使用單位體積流體能量方程的注意事項(xiàng)在始、末斷面有壓源時(shí)，壓源的作用方向與風(fēng)流的方向一致，壓源為正，說(shuō)明壓源對(duì)風(fēng)流做功；反之，則為通風(fēng)阻力05單位質(zhì)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(duì)于流動(dòng)過(guò)程中有流量變化的情況，應(yīng)按總能量的守恒定律列方程06風(fēng)流流態(tài)與風(fēng)道斷面風(fēng)速分布1.風(fēng)流流態(tài)DBAC墨水流線玻璃管雷諾實(shí)驗(yàn)雷諾實(shí)驗(yàn)01雷諾現(xiàn)象021.風(fēng)流流態(tài)(a)層流(c)過(guò)渡流(b)湍流流體質(zhì)點(diǎn)做直線運(yùn)動(dòng)；流體分層流動(dòng)，層間不相混合、不碰撞；流動(dòng)阻力來(lái)源于層間粘性摩擦力不是獨(dú)立流型（層流+湍流），流體處于不穩(wěn)定狀態(tài)（易發(fā)生流型轉(zhuǎn)變）主體做軸向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)有徑向脈動(dòng)；特征：流體質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng)雷諾現(xiàn)象021.風(fēng)流流態(tài)（a）層流（b）紊流

風(fēng)流流態(tài)與風(fēng)道斷面風(fēng)速分布示意圖拋物線vc指數(shù)曲線vc1.風(fēng)流流態(tài)雷諾數(shù)03當(dāng)Re≤2320(下臨界雷諾數(shù))時(shí)，為層流在實(shí)際工程計(jì)算中，通常以Re=2300作為管道流動(dòng)流態(tài)的判定準(zhǔn)數(shù)在Re=2320～4000的區(qū)域內(nèi)，流動(dòng)狀態(tài)不是固定的，因此稱為不穩(wěn)定的過(guò)渡區(qū)當(dāng)Re>4000(上臨界雷諾數(shù))時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)為紊流即：Re≤2300層流Re>2300紊流1.風(fēng)流流態(tài)當(dāng)量直徑04對(duì)于不同形狀的井巷斷面，其周長(zhǎng)U與斷面積S的關(guān)系，可用下式表示：式中：C—斷面形狀系數(shù)：梯形C=4.16三心拱C=3.85半圓拱C=3.902.風(fēng)道斷面風(fēng)速分布vOttC點(diǎn)A處流體質(zhì)點(diǎn)的速度脈動(dòng)曲線示意圖2.風(fēng)道斷面風(fēng)速分布Re≥4000ururRd湍流時(shí)流體在圓管中的速度分布umaxδ巷道斷面風(fēng)速分布減少通風(fēng)阻力的措施1.減少通風(fēng)摩擦阻力措施減小相對(duì)粗糙度1保證有足夠大的風(fēng)道斷面2選用斷面周長(zhǎng)較小的風(fēng)道3減少風(fēng)道長(zhǎng)度4避免風(fēng)道內(nèi)風(fēng)量過(guò)于集中52.減少局部通風(fēng)阻力措施漸擴(kuò)管內(nèi)的空氣流動(dòng)合流三通盡量避免風(fēng)道斷面的突然變化風(fēng)流交叉或匯合處連接合理0102盡量避免風(fēng)流急轉(zhuǎn)彎032.減少局部通風(fēng)阻力措施幾種彎頭局部阻力系數(shù)降低出口流速042.減少局部通風(fēng)阻力措施進(jìn)出口風(fēng)道阻力風(fēng)道與風(fēng)機(jī)的連接應(yīng)當(dāng)合理052.減少局部通風(fēng)阻力措施保證氣流在進(jìn)出風(fēng)機(jī)時(shí)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）局部阻力及計(jì)算定義局部阻力及其計(jì)算由于風(fēng)道斷面、方向變化以及分岔或匯合等原因，使均勻流動(dòng)在局部地區(qū)受到影響而破壞，從而引起風(fēng)流速度場(chǎng)分布變化和產(chǎn)生渦流等，造成風(fēng)流的能量損失，這種阻力稱為局部阻力。1.局部阻力的成因局部阻力物附近的風(fēng)流狀況若通過(guò)風(fēng)道的風(fēng)量為Q（m3/s）時(shí)，則上式變?yōu)椋壕植孔枇l一般用動(dòng)壓的倍數(shù)來(lái)表示:式中:ξ—局部阻力系數(shù)，無(wú)量綱，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。大量實(shí)驗(yàn)證明，ξ只取決于局部構(gòu)件的形狀。2.局部阻力及其計(jì)算局部風(fēng)阻代入上式，有:令:

一般管道通風(fēng)摩擦阻力與計(jì)算一般管道通風(fēng)摩擦阻力及計(jì)算風(fēng)流在井巷中作沿程流動(dòng)時(shí)，由于流體層間的摩擦和流體與井巷壁面之間的摩擦所形成的阻力稱為摩擦阻力(也叫沿程阻力)式中：L——風(fēng)道長(zhǎng)度，md——圓形風(fēng)道直徑，或非圓形風(fēng)道的當(dāng)量直徑，mv——斷面平均風(fēng)速，m/sρ——空氣密度，kg/m3λ——無(wú)因次系數(shù)(沿程阻力系數(shù))，其值通過(guò)實(shí)驗(yàn)求得一般管道通風(fēng)摩擦阻力及計(jì)算在實(shí)際通風(fēng)系統(tǒng)中，風(fēng)道直徑很小、表面粗糙的磚、混凝土風(fēng)道內(nèi)和隧道及地下風(fēng)道的流動(dòng)狀態(tài)屬于阻力平方區(qū)；除此以外，一般的通風(fēng)管道的空氣流動(dòng)狀態(tài)大多屬于紊流光滑區(qū)到紊流粗糙區(qū)之間的過(guò)渡區(qū)在設(shè)計(jì)通風(fēng)管道時(shí)，為避免繁瑣的計(jì)算，可根據(jù)前面的公式制成各種表格或線算圖《全國(guó)通用通風(fēng)管道計(jì)算表》即是一種表格形式。圖1則是根據(jù)上述公式得到的線算圖，適用于K=0.15mm薄鋼板風(fēng)道一般管道通風(fēng)摩擦阻力及計(jì)算運(yùn)用線算圖或計(jì)算表，只要已知流量、管徑、流速、阻力四個(gè)參數(shù)中的任意兩個(gè)，即可求得其余兩個(gè)參數(shù)必須指出：各種線算圖或計(jì)算表格，都是在一些特定的條件下作出的，使用時(shí)必須注意圖1通風(fēng)管道單位長(zhǎng)度摩擦阻力線算圖當(dāng)風(fēng)道內(nèi)壁的粗糙度K≠0.15mm時(shí)，可先由圖2-3-2查出hb0，再近似按下式修正：式中：hb——實(shí)際比摩阻，Pa/mhb0——圖上查出的比摩阻，Pa/mKr——風(fēng)道內(nèi)壁粗糙度修正系數(shù)K——風(fēng)道內(nèi)壁粗糙度，mmv——風(fēng)道內(nèi)空氣流速，m/s1.粗糙度的修正1.11.00.90.80.70.660708090100-50050100150t/℃B/kPaKBKtB

溫度與大氣壓的修正系數(shù)式中：Kt——溫度修正系數(shù)t——實(shí)際的空氣溫度，℃KB——大氣壓力修正系數(shù)B——實(shí)際的大氣壓力，kPa2.空氣溫度和大氣壓力的修正3.密度和黏度的修正式中：ρ——實(shí)際的空氣密度，kg/m3v——實(shí)際的空氣運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s一般管道通風(fēng)摩擦阻力及計(jì)算例：已知太原市某廠一通風(fēng)系統(tǒng)采用鋼板制圓形風(fēng)道，風(fēng)量L=1000m3/h，管內(nèi)空氣流速v=10m/s，空氣溫度t=80℃，求風(fēng)管的管徑和單位長(zhǎng)度的沿程損失。（太原市大氣壓力為91.9kPa）解：由線算圖查得：D=200,hb0=6.8Pa/m，由圖查得：Kt=0.86，KB=0.92所以hb=KtKBhb0=0.86×0.92×6.8=5.38Pa/m太原市大氣壓力：B=91.9kPa阻力平方區(qū)通風(fēng)風(fēng)道摩擦阻力及計(jì)算1.摩擦阻力系數(shù)α在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣密度ρ=1.2kg/m3，令：α稱為摩擦阻力系數(shù)，單位為kg/m3或Ns2/m4

當(dāng)井巷中空氣密度ρ≠1.2kg/m3時(shí)，其α值應(yīng)按下式修正：2.摩擦風(fēng)阻RfRf稱為摩擦風(fēng)阻，其單位為：kg/m7或Ns2/m8Rf是空氣密度、管道粗糙程度、斷面、周長(zhǎng)、沿程長(zhǎng)度諸參數(shù)的函數(shù)。在正常條件下當(dāng)某一段管道中的空氣密度ρ一般變化不大時(shí)，可將Rf看作是反映管道幾何特征的參數(shù)有一鋼板制矩形風(fēng)道，K=0.15mm，斷面尺寸為500×250mm，流量為L(zhǎng)=2700m3/h，空氣溫度為t=50℃，求單位長(zhǎng)度摩擦阻力損失解：矩形風(fēng)管內(nèi)空氣流速例1：阻力平方區(qū)通風(fēng)風(fēng)道摩擦阻力及計(jì)算流速當(dāng)量直徑由v=6m/s，Dv=330mm，查圖得：hb0=1.2Pa/m有一鋼板制矩形風(fēng)道，K=0.15mm，斷面尺寸為500×250mm，流量為L(zhǎng)=2700m3/h，空氣溫度為t=50℃，求單位長(zhǎng)度摩擦阻力損失解：矩形風(fēng)管內(nèi)空氣流速例2：阻力平方區(qū)通風(fēng)風(fēng)道摩擦阻力及計(jì)算流速當(dāng)量直徑由v=6m/s，Dv=330mm，查圖得：hb0=1.2Pa/m由圖查得：t=50℃時(shí)，Kt=0.92，所以：hb=Kthb0=0.92×1.2=1.1Pa/m1.11.00.90.80.70.660708090100-50050100150t/℃B/kPaKBKtB

溫度與大氣壓的修正系數(shù)阻力平方區(qū)通風(fēng)風(fēng)道摩擦阻力及計(jì)算設(shè)計(jì)地下風(fēng)道為梯形斷面S=8m2，L=1000m，采用工字鋼棚支護(hù)，支架截面高度d0=14cm，縱口徑Δ=5，計(jì)劃通過(guò)風(fēng)量Q=1200m3/min。預(yù)計(jì)風(fēng)道中空氣密度ρ=1.25kg/m3，求該段風(fēng)道的通風(fēng)阻力例3：解：根據(jù)所給的d0、Δ、Q值，由附錄10查得α0=284.2×10-4×0.88=0.025風(fēng)道實(shí)際摩擦阻力系數(shù):風(fēng)道摩擦風(fēng)阻:風(fēng)道摩擦阻力:通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中風(fēng)流的基本定律通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中風(fēng)流的基本定律通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)：指若干風(fēng)流按照各自的風(fēng)流方向順序相連而成的網(wǎng)狀線路。包括：風(fēng)量平衡定律、風(fēng)壓平衡定律和通風(fēng)阻力定律節(jié)點(diǎn)：兩條風(fēng)路或兩條以上風(fēng)路的交點(diǎn)分支：匯合處每條支風(fēng)路回路：由兩條或兩條以上首尾相連形成的閉合線路1278435618234567一、風(fēng)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、風(fēng)壓力平衡定律沒有附加動(dòng)力回路中，其風(fēng)壓或阻力代數(shù)和等于零h2-4+h4-5+h5-7=h2-7取順時(shí)針?lè)较虻娘L(fēng)壓為正，逆時(shí)針?lè)较虻娘L(fēng)壓為負(fù)h2-4+h4-5+h5-7-h2-7=0若回路中有附加動(dòng)力，則其風(fēng)壓或阻力代數(shù)和等于附加動(dòng)力產(chǎn)生風(fēng)壓的代數(shù)和，即1278435618234567三、通風(fēng)阻力定律020103阻力平方區(qū)流動(dòng)的摩擦阻力定律紊流流動(dòng)局部阻力定律將上兩式相加，則得出阻力平方區(qū)流動(dòng)總阻力定律hr=RrQ2hl=RlQ2h=RQ2簡(jiǎn)單通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)特性主要內(nèi)容1234通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)基本形式串聯(lián)風(fēng)路特性并聯(lián)風(fēng)路特性阻力平方區(qū)流動(dòng)角聯(lián)風(fēng)路特性一、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)基本形式1串聯(lián)風(fēng)路由兩條或兩條以上分支彼此首尾相連，中間沒有風(fēng)流分匯點(diǎn)的線路一、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)基本形式2并聯(lián)風(fēng)路由兩條或兩