第二章空氣流動基本理論演示文稿

第二章空氣流動基本理論演示文稿目前一頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點優(yōu)選第二章空氣流動基本理論目前二頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點3本章主要內容框架：風壓計算及測試通風基礎理論干濕空氣密度計算連續(xù)方程及風速測定能量方程及應用通風阻力及計算目前三頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點4通風基礎理論本部分主要討論以下問題：1、干、濕空氣密度的計算；2、風壓(靜壓、動壓和全壓)的計算及測定；3、通風連續(xù)方程及其應用；4、通風風流型式、風流結構及風速分布與風速測定；5、通風能量方程及其應用；6、（通風阻力及其計算）。目前四頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點5第二章空氣流動基礎理論§2.1通風空氣參數(shù)§2.2風流流動特性§2.3空氣流動過程的基本方程§2.4風流參數(shù)的測定§2.5通風阻力及計算目前五頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點6一、干、濕空氣密度的計算密度定義式：單位體積空氣所具有的質量。kg/m3

，用符號ρ表示：式中M—空氣的質量，kg；

V—空氣的體積，m3?？諝饷芏入S空氣壓力、溫度及濕度而變化。實際空氣密度計算式由氣態(tài)方程求得?！?.1通風空氣參數(shù)目前六頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點7一、干、濕空氣密度的計算氣態(tài)方程：式中：ρ—干空氣實際密度，kg/m3；

ρ0—標準狀態(tài)干空氣的密度，kg/m3；

P、P0—分別為實際狀態(tài)及標準狀態(tài)下的空氣壓力，千帕（kpa）；

T、T0—分別為實際狀態(tài)及標準狀態(tài)下空氣的熱力學溫度，K。目前七頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點8一、干、濕空氣密度的計算標準狀態(tài)：T0=273K，P0=101.3kPa,干空氣密度ρ0=1.293kg/m3。干空氣密度計算式：！注意！式中P為空氣的絕對壓力，單位為kPa；T為空氣的熱力學溫度（K），T=273+t,t為空氣的攝氏溫度（℃）。目前八頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點9一、干、濕空氣密度的計算濕空氣：濕空氣壓力等于干空氣分壓與水蒸汽分壓之和。干空氣

P水蒸汽干空氣濕空氣

P干空氣

PdPs道爾頓分壓定律:P=Pd+Ps,Ps=ψPb目前九頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點10一、干、濕空氣密度的計算根據道爾頓分壓定律即可推導出濕空氣密度計算式：式中：ρw—濕空氣密度,kg/m3；

ψ—空氣相對濕度，%；

Pb—飽和水蒸汽壓力，kPa目前十頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點11二、空氣壓力—靜壓風壓：通風中空氣壓力也叫風流壓力（簡稱為風壓），它是表示運動空氣所具有的能量,它包括靜壓、動壓和全壓。靜壓：氣體分子對容器壁所施加的壓力?；拘再|：靜壓總是垂直并指向作用面；靜壓各向同值。表示形式：絕對靜壓—以絕對零壓作為基準的靜壓,用Pk表示；相對靜壓—以當?shù)卮髿鈮毫榛鶞实撵o壓,用Pr表示。目前十一頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點12二、空氣壓力—靜壓絕對靜壓和相對靜壓的關系：關系式:Ｐr=Ｐk-Ｐ0

絕對真空當?shù)卮髿鈮篜kPrP0目前十二頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點13二、空氣壓力—靜壓不同標高靜壓計算：流體力學歐拉方程:

dp=ρgdz

積分即得靜壓計算式：P=P0-ρgz

式中z—相對于基準的高度,m；

p0—z=0基準處的空氣靜壓,Pa(N/m2)；

p—高度為z處的空氣靜壓，Pa(N/m2)；

ρ—空氣密度，kg/m3

；

g—重力加速度，m/s2。目前十三頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點14二、空氣壓力—靜壓

可壓縮空氣：近似按等溫過程處理，即多變指數(shù)n=1，由氣態(tài)方程（P=ρRT）和歐拉方程得：式中T——空氣的熱力學溫度，K；

R——空氣的氣體常數(shù)，R=287J/kg·K。簡化計算式：展開成級數(shù)，略去高階小項。目前十四頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點15二、空氣壓力—動壓，全壓動壓：動壓—單位體積風流運動所具有的動能。它恒為正，具有方向性，它的方向就是風流運動的方向。單位體積空氣的質量為ρ（kg/m3），風流速度為υ(m/s)，由動能公式即得風流動壓Hu(Pa)計算式：

Hu=ρυ2/2全壓：全壓Pt等于靜壓Ps與動壓Hu之和，即

Pt=Ps+Hu

目前十五頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點16二、空氣壓力—動壓、靜壓、全壓關系目前十六頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點17二、空氣壓力—動壓、靜壓、全壓關系目前十七頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點18二、空氣壓力—單位空氣壓力的國際單位為帕（Pa）、牛頓/米2（N/m2）。1Pa=1N/m2。我國法定計量單位制規(guī)定，空氣壓力（壓強）的單位為帕。帕（Pa）單位比較小，還可用百帕（hPa）、千帕（kPa）表示1hPa=100Pa；1kPa=1000Pa。目前十八頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點19三、粘度粘度：表示空氣粘性大小的指標，分為動力粘度和運動粘度。動力粘度：一般用μ表示,其單位為N·S/m2(Pa·s),受氣溫影響,與壓力無關。運動粘度：一般用υ表示，其單位為m2/s，受溫度和壓力影響。μ與υ之間的關系：υ=μ/ρ，其中ρ為空氣的密度（kg/m3）。計算中,υ和μ可直接通過查表獲得。目前十九頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點20流態(tài)判據：雷諾數(shù)Re，當Re>2300時為紊流，反之為層流。Re值計算式：Ｕm—流道流體平均速度，m/s;

ν—空氣運動粘度，m2/s;D—流道直徑，m。非圓流道：用等效直徑De=4S/Px取代直徑D。其中S為流道的斷面積（m2），Px為流道斷面周長（m）。一、風流流態(tài)§2.2

風流流動特性目前二十頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點21二、風流型式及風速管道的體積風量：

Q=∫suidsui—管道橫斷面上任一點的風速，m/s;S—管道橫斷面積，m2;Q—管道橫斷面上通過的體積風量，m3/s。目前二十一頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點22二、風流型式及風速—射流分為自由射流和有限射流目前二十二頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點23二、風流型式及風速—射流自由射流風流結構主要參數(shù):擴張角θ和射流邊界層寬度R,它們的計算式為:

tg(θ/2)=3.4a

R=Xtg(θ/2)=3.4aXa—射流風流結構系數(shù),圓管a=0.06～0.08;X—離射流極點的距離。射流體風速分布：un—射流體軸線的風速，m/s;ur—射流體內距軸線r距離處的風速,m/s。目前二十三頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點24二、風流型式及風速—匯流分自由匯流(如空間點匯)和有限匯流(如實際風管、吸氣罩入口的匯流)?？臻g點匯風速計算：Q——匯流體積風量，m3/s；

r——距點匯的距離，m；ｕr——r點處的風速，m/s。風速與距離r的平方成反比,即距離增大,風速急劇降低。r目前二十四頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點25一、連續(xù)方程計算

流體力學連續(xù)方程:

一維流道：

∫sρuds=

常數(shù)穩(wěn)定一維流動，流經流道各斷面的空氣質量相等。平均速度Um：

§2.3空氣流動過程的基本方程目前二十五頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點26一、連續(xù)方程計算一維流道風流質量連續(xù)方程：

Um1S1ρ1=Um2S2ρ2

式中：Um1、Um2——流道1、2斷面的平均風速，m/s；

S1、S2——流道1、2斷面的斷面積，m2；ρ1、ρ2——流道1、2斷面的空氣密度，kg/m3。等密度：即ρ1=ρ2時：

Um1S1=Um2S2

目前二十六頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點27一、連續(xù)方程計算多支管道連續(xù)方程：節(jié)點分析法原理：流入、流出節(jié)點的質量流量的代數(shù)和為零。

式中下標i表示節(jié)點處的第i分支；n表示節(jié)點處總的分支數(shù)；“±”表示風流的流動方向。目前二十七頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點28二、能量方程能量方程是風流運動中能量守恒的數(shù)學表達式。流體運動所具有的能量包括內能U和機械能E，而機械能包括流體的靜壓能P，動壓能ρυ2/2和位勢能Zρg，即E=P+Zρg+ρυ2/2如圖所示的流體微束，流體從斷面1運動到斷面2的過程，由于與外界發(fā)生熱交換及對外界做功，其能量就要發(fā)生變化。目前二十八頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點29二、能量方程目前二十九頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點30二、能量方程根據熱力學第一定律有（U1+E1）-（U2+E2）=q+h式中：U1、U2——分別為斷面1、2流體的內能；

E1、E2——分別為斷面l、2流體的機械能；

q——流體與外界交換的熱量；

h——流體對外界所做的功。對于絕熱過程q=0；對于等溫過程U1=U2。則不可壓縮流體絕熱、等溫的穩(wěn)定流動過程的能量方程為：目前三十頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點31二、能量方程應用有風機能量方程：

水平管道，進口與出口均為大氣壓時，風機風壓H與風流阻力h12之間的計算式：

H=ρυ2

2/2+h12

目前三十一頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點32一、空氣壓力—測定絕對壓力：水銀氣壓計空盒氣壓計水銀氣壓計§2.4風流參數(shù)的測定目前三十二頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點33一、空氣壓力—測定水銀氣壓計空盒氣壓計目前三十三頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點34一、空氣壓力—測定空盒氣壓計目前三十四頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點35一、空氣壓力—測定相對壓力測定方法：U型壓力計傾斜壓力計補償微壓計壓力傳感器型直讀壓力計目前三十五頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點36一、空氣壓力—測定U型壓力計目前三十六頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點37一、空氣壓力—測定

原理P=ρg（h1+h2）

=ρg（1+F2/F1）h2=ρg（1+F2/F1）Lsinα=KρgLK—儀器校正系數(shù)；L—傾斜管的始末讀數(shù)差，mm；ρ—液體的密度，kg/m3目前三十七頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點38一、空氣壓力—測定補償式微壓計目前三十八頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點39二、風速測定方法目前三十九頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點40PIV目前四十頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點41二、風速測定方法—機械風表類型：杯式和翼式兩種。目前四十一頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點42二、風速測定方法—機械風表輕便型磁感風向風速表數(shù)字風速表

目前四十二頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點43二、風速測定—機械風表杯式：用于>10m/s的高風速測定；翼式：用于0.1～10m/s的中等風速測定，高敏度翼式風表可測定0.1～0.5m/s的低風速。測定計算：風表指示表速N（轉/s或m/s）

N=(Nt-N0)/t

實際風速u換算：

u=aN+b

N0、Nt—風表的初始和最終讀數(shù)，轉；

t——測定時間，s；

a、b——常數(shù)；

u——測定的實際風速，m/s。目前四十三頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點44二、風速測定—機械風表目前四十四頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點45二、風速測定—熱球風速儀熱球風速儀目前四十五頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點46二、風速測定—熱球風速儀熱式風速計目前四十六頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點47二、風速測定—動壓法測出風流動壓Hu，后按下式計算出風速：Hu為斷面風流平均動壓(Pa)，ρ為空氣密度(kg/m3)平均動壓Hu確定：圓管等環(huán)面積法：測點圓環(huán)半徑計算目前四十七頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點48二、風速測定—動壓法Ri——第I個測點圓環(huán)半徑，m；R——管道半徑，m；i——從管道中心算起圓環(huán)序號；n——測點圓環(huán)數(shù)。一般直徑為300～600mm時，n取3，直徑為700～1000mm時，n取4。管道斷面平均動壓Hu（Pa）計算式：目前四十八頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點49二、風速測定—動壓法目前四十九頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點50§2.5通風阻力及計算-摩擦阻力當空氣沿風道運動時，由于風流的粘性和慣性以及風道壁面等對風流的阻滯、擾動作用而形成通風阻力，它是造成風流能量損失的原因。風道通風阻力可分為兩類：摩擦阻力(也稱為沿程阻力)和局部阻力。一、摩擦阻力計算式（1）風流在風道中作沿程流動時，由于流體層間的摩擦和流體與風道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)。由流體力學可知，無論層流還是湍流，以風流壓能損失來反映的摩擦阻力可用下式來計算：Pa

λ－無因次系數(shù)，即摩擦阻力系數(shù)，通過實驗求得。

d—圓形風管直徑，非圓形管用當量直徑；目前五十頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點51uP1dFFP211‘22‘l由哈根方程：則能量損失：式中：—沿程阻力系數(shù)，=64/Re磨擦阻力計算式§2.5通風阻力及計算-摩擦阻力目前五十一頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點52（２）當量直徑對于非圓形斷面的風道，管道直徑d應以風道斷面的當量直徑de來表示：因此，非圓形斷面風道的雷諾數(shù)可用下式表示：

對于不同形狀的風道斷面，其周長U與斷面積S的關系，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=3.90?！?.5通風阻力及計算-摩擦阻力目前五十二頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點53（3）磨擦阻力系數(shù)-尼古拉茲實驗實際流體在流動過程中，沿程能量損失一方面（內因）取決于粘滯力和慣性力的比值，用雷諾數(shù)Re來衡量；另一方面（外因）是固體壁面對流體流動的阻礙作用，故沿程能量損失又與管道長度、斷面形狀及大小、壁面粗糙度有關。其中壁面粗糙度的影響通過λ值來反映。

絕對粗糙度K：管壁粗糙部分的平均高度。相對粗糙度K/D：duε§2.5通風阻力及計算-摩擦阻力目前五十三頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點54材料與加工精度；光滑管：玻璃管，銅管等；粗糙管：鋼管、鑄鐵管等。使用時間；絕對粗糙度可查表或相關手冊。粗糙度的產生§2.5通風阻力及計算-摩擦阻力目前五十四頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點551932～1933年間，尼古拉茲把經過篩分、粒徑為K的砂粒均勻粘貼于管壁。砂粒的直徑K就是管壁凸起的高度，稱為絕對粗糙度；絕對粗糙度K與管徑D的比值K/D稱為相對粗糙度。以水作為流動介質、對相對粗糙度不同的六種管道進行試驗研究。對實驗數(shù)據進行分析整理，畫出λ與Re的關系曲線，如圖所示。結論分析：

Ⅰ區(qū)——層流區(qū)。當Re＜2320時，不論管道粗糙度如何，其實驗結果都集中分布于直線Ⅰ上。這表明λ與相對粗糙度K/D無關，只與Re有關，且λ=64/Re。§2.5通風阻力及計算-摩擦阻力目前五十五頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點56摩擦系數(shù)與雷諾準數(shù)、相對粗糙度的關系目前五十六頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點57Ⅱ區(qū)——過渡流區(qū)。2320≤Re≤4000，在此區(qū)間內，不同相對粗糙度的管內流體的流態(tài)由層流轉變?yōu)橥牧?。所有的實驗點幾乎都集中在線段Ⅱ上。λ隨Re增大而增大，與相對粗糙度無明顯關系。Ⅲ區(qū)——水力光滑管區(qū)。在此區(qū)段內，管內流動雖然都已處于湍流狀態(tài)(Re＞4000)，但在一定的雷諾數(shù)下，當層流邊層的厚度δ大于管道的絕對粗糙度K（稱為水力光滑管）時，其實驗點均集中在直線Ⅲ上，表明λ與K仍然無關，而只與Re有關。隨著Re的增大，相對粗糙度大的管道，實驗點在較低Re時就偏離直線Ⅲ，而相對粗糙度小的管道要在Re較大時才偏離直線Ⅲ。δε§2.5通風阻力及計算-摩擦阻力目前五十七頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點58Ⅴ區(qū)——水力粗糙管區(qū)。在該區(qū)段，Re值較大，管內液流的層流邊層已變得極薄，有K>>δ，砂粒凸起高度幾乎全暴露在湍流核心中，故Re對λ值的影響極小，略去不計，相對糙度成為λ的唯一影響因素。故在該區(qū)段，λ與Re無關，而只與相對糙度有關。摩擦阻力與流速平方成正比，故稱為阻力平方區(qū)，尼古拉茲公式：Ⅳ區(qū)——湍流過渡區(qū)，即圖中Ⅳ所示區(qū)段。在這個區(qū)段內，各種不同相對粗糙度的實驗點各自分散呈一波狀曲線，λ值既與Re有關，也與K/D有關?！?.5通風阻力及計算-摩擦阻力目前五十八頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點59(4)湍流摩擦阻力

對于湍流運動，λ=f(Re，K/D)，關系比較復雜。用當量直徑de=4S/U代替d，代入阻力通式，則得到湍流狀態(tài)下風道的摩擦阻力計算式：§2.5通風阻力及計算-摩擦阻力目前五十九頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點60二、摩擦阻力系數(shù)與摩擦風阻1．摩擦阻力系數(shù)α如果風道風流的Re值已進入阻力平方區(qū)，λ值只與相對粗糙度有關，對于已定型的風道，相對粗糙度一定，則λ可視為定值；在20℃狀態(tài)下空氣密度ρ=1.2kg/m3。對上式，令：

α稱為摩擦阻力系數(shù)，單位為kg/m3或N.s2/m4。則得到湍流狀態(tài)下風道的摩擦阻力計算式寫為：

標準摩擦阻力系數(shù)：通過大量實驗和實測所得的、在20℃狀態(tài)（ρ0=1.2kg/m3）條件下的風道的摩擦阻力系數(shù)，即所謂標準值α0值，當風道中空氣密度ρ≠1.2kg/m3時，其α值應按上式修正。目前六十頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點612．摩擦風阻Rf

對于已給定的風道，L、U、S都為已知數(shù)，故可把上式中的α、L、U、S歸結為一個參數(shù)Rf：：

Rf稱為風道的摩擦風阻，其單位為：kg/m7或N.s2/m8。

工程單位：kgf.s2/m8

Rf＝f(ρ,ε,S,U,L)

。在正常條件下當某一段風道中的空氣密度ρ一般變化不大時，可將Rf看作是反映風道幾何特征的參數(shù)。則得到湍流狀態(tài)下風道的摩擦阻力計算式寫為：此式就是完全湍流(進入阻力平方區(qū))下的摩擦阻力定律。

§2.5通風阻力及計算-摩擦阻力目前六十一頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點62三、減小通風摩擦阻力措施（1）選用斷面周長較小的風道。在風道斷面相同的條件下，圓形斷面的周長最小，拱形斷面次之，矩形、梯形斷面的周長較大。（2）減小相對粗糙度，即減小了磨擦阻力系數(shù)。要求盡可能使風道壁面平整光滑。（3）保證有足夠大的風道斷面，可減小通風阻力和能耗，應盡量采用經濟斷面。（4）避免風道風量過于集中，磨擦阻力與風量的平方成正比。（5）減小風道長度。§2.5通風阻力及計算-摩擦阻力目前六十二頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點63由于風道斷面、方向變化以及分叉或匯合等原因，使均勻流動在局部地區(qū)受到影響而破壞，從而引起風流速度場分布變化和產生渦流等，造成風流的能量損失，這種阻力稱為局部阻力。由于局部阻力所產生風流速度場分布的變化比較復雜，對局部阻力的計算一般采用經驗公式。一、局部阻力及其計算和摩擦阻力類似，局部阻力hl一般也用動壓的倍數(shù)來表示：

式中：ξ——局部阻力系數(shù)，無因次。

計算局部阻力，關鍵是局部阻力系數(shù)確定，因v=Q/S,當ξ確定后，便可用

§2.5通風阻力及計算-局部阻力目前六十三頁\總數(shù)七十二頁\編于十七點64幾種常見的局部阻力產生的類型：１、突變湍流通過突變部分時，由于慣性作用，出現(xiàn)主流與邊壁脫離的現(xiàn)象，在主流與邊壁之間形成渦流區(qū)，從而增加能量損失。２、漸變主要是由于沿流動方向出現(xiàn)減速增壓現(xiàn)象，在邊壁附近產生渦流。因為Vhvp

，壓差的作用方向與流