风道阻力的计算及影响因素

空气沿通风管道流动时，因为受到阻力的影响而造成能量损失。由空气的黏滞性和管壁粗糙度所引起的流体质点与管壁间的阻力，称为摩擦阻力。空气流经管路上某些构件时，因产生涡流运动和质点间的碰撞所引起的阻力，称为局部阻力。

（一）摩擦阻力计算

风道材料表面的粗糙度是产生摩擦阻力的主要因素。在形状与截面不变的直管段内，空气流动时单位长度的摩擦阻力Rm（Pa/m），可用下式计算。

式中：λ——摩擦阻力系数；

d——管道的几何尺寸，m；

v——平均流速，m/s；

ρ——空气密度，kg/m3。

摩擦阻力系数λ是由雷诺数和管壁的绝对粗糙度Δ所决定的。几种常用管道材料的绝对粗糙度见表6－3。

表6－3　几种常用管道材料的绝对粗糙度

摩擦阻力系数值通常可采用公式计算。

（1）当流体在层流流动时，其摩擦阻力系数λ可用下式计算。

（2）当流体在紊流流动时，其摩擦阻力系数λ可用下式计算。

求出摩擦阻力系数后，代入式（6－10），即可求得单位长度的摩擦阻力值。

如果管道长度为l（m），则摩擦阻力hm（Pa）可由下式求得：

例6－1　有一钢筋混凝土风道，长50m、高0.70m、宽1.5m，管道内风速10m/s，空气温度为20℃，求管道的摩擦阻力。

解：当空气温度20℃时，查表6－1知，ν=15.7×10－6m2/s。

矩形风道的当量直径

雷诺数，属紊流流动。

查表6－3知，钢筋混凝土的Δ=1.5mm，则：

管道的摩擦阻力为：

（二）局部阻力计算

风道的局部阻力往往占整个管路阻力的90％以上，因此必须掌握局部阻力形成的原因，以便采取措施减小局部阻力，节省能量消耗。

实验表明，当空气的流速变化时，局部阻力与速度的平方成正比，故风道部件的局部阻力hj（Pa）可由下式计算：

式中：ζ——局部阻力系数；

v——相应风速，m/s。

局部阻力系数ζ很难从理论上求得，一般是用实验方法来确定。各种部件的局部阻力系数ζ值见附录表4。用实验方法确定局部阻力系数时，很难将风道部件本身的摩擦阻力和由涡流引起的局部阻力分开，因此局部阻力系数一般表示风道部件总的能量损失。

风道的局部阻力可分为两类，一类是风量不变时所产生的局部阻力，如空气通过弯头、渐扩管、渐缩管、阀门等；另一类是风量改变时所产生的阻力，如空气通过三通管等，现分述如下。

图6－3弯头

1.弯头如图6－3所示，当空气流经弯头时，由于速度方向的改变，使气流与管壁发生冲击，在Ⅰ、Ⅱ处产生涡流，同时在风道中形成旋转气流，因而产生了阻力。为了减少弯头的局部阻力损失，可以增大弯管的曲率半径R，其值一般应为1.25～1.5b（矩形管道的宽度）或d（圆形管道的直径），最小不得小于b（或d）。也可以在矩形管道的弯头内部装设导风板；导风板有两种，一种叫做成形导风板，它是由一种有流线型外形而中间空心的双叶片构成的导风板；另一种叫做非成形导风板，它一般是用薄钢板弯成。这两种导风板可参见附录表4中序号6。

2.突然扩大（或突然缩小）空气流经风道断面突然扩大或缩小处，都会和部件两边发生冲击，产生涡流，从而产生局部阻力，如图6－4所示。为了减少断面变化而造成的阻力损失，应尽量采用渐扩管或渐缩管，其扩大（或收缩）角通常以θ≤45°为宜，常用的为15°～20°。

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图6－4　突然扩大与突然缩小

必须指出，在计算突然扩大或突然缩小所产生的局部阻力时，相应风速应该用速度较大的值。

例6－2　有一突然扩大的空气管段，其小断面积f1=0.64m2，风速v1=8m/s；大断面积f2=0.8m2，风速v2=6.4m/s，空气的密度ρ=1.2kg/m3，求突然扩大的局部阻力为多少?

解：管段两断面积的比值，查附录表4序号9得，其局部阻力系数ζ=0.04，则：

3.三通三通可以分为合流三通和分流三通两种，如图6－5所示，每种三通的局部阻力又有两种，需分别进行计算。

图6－5　三通

（1）流向不变的一股气流沿着总管流过时，由于支管气流的汇合或分出所受到的阻力，称为直通局部阻力，直通局部阻力系数用ζzt表示。

（2）支管中的气流在进入总管汇合处（合流三通）或气流自总管分流入支管（分流三通）时，支管气流所受到的阻力，称为支管局部阻力，支管局部阻力系数用ζzh表示。

通常合流（或分流）三通的ζzt、ζzh都是以总管内空气流速vz作为相应风速来计算局部阻力的。

直通局部阻力hj为：

支管局部阻力hj为：

例6－3　有一45°圆形封板式合流三通，其直通管道面积Fzt与总管面积Fz相等，即=1.0，其支管道面积Fzh与总管道面积Fz的比值=0.5；支管道的风量Lzh与总管道的风量Lz的比值=0.4，总管内空气流速为8m/s，空气的密度ρ=1.2kg/m3，求直通管道与支管道的局部阻力各为多少?

解：根据=0.5=0.4，在=1.0的条件下，查附录表4序号12得，ζzh=0.47，ζzt=0.09，则：

支管局部阻力hj为：

直通局部阻力hj为：

一般在设计合流或分流三通时，均宜设计成弯头连接，或成一倾斜角度连接，以减少局部阻力损失。

空调系数的总局部阻力，可在各构件的局部阻力分别求出后叠加而得。

例6－4　图6－6所示为一根圆形等截面镀锌钢板管道，管内风速v=10m/s，求管道的总阻力值。

图6－6　例6－4图

解：由=1.5，查附录表4序号7得，弯头的局部阻力系数ζ=0.24，如管内空气的运动黏性系数ν=15.7×10－6m2/s，平均绝对粗糙度Δ=0.15mm，则：

局部阻力∑hj为：

雷诺数Re为：

摩擦阻力系数λ为：

单位长度摩擦阻力Rm为：

摩擦阻力∑hm为：

∑hm=Rml=4.728×（50+2+3）=260（Pa）

管道的总阻力∑h为：

∑h=∑hm+∑hj=260+28.8=288.8（Pa）