等截面水泥煙道沿程阻力研究

1、工程建筑論文-等截面水泥煙道沿程阻力硏究摘耍：通過(guò)對(duì)等截面水泥煙道模型沿程阻力的實(shí)驗(yàn)硏究得到煙道內(nèi)壁絕對(duì)粗糙 度k値，從而為煙道系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。運(yùn)用fluent氣流模擬，提出了煙道系 統(tǒng)沿程阻力估算公式，通過(guò)與理論計(jì)算結(jié)果的比對(duì)，證明了其在實(shí)踐中應(yīng)用的可 行性。關(guān)鍵詞：住宅廚房煙道沿程阻力當(dāng)量糙粒高度氣流模擬沿程阻力估算目前我國(guó)大多數(shù)低、中、高層住宅的廚房采用了集中排煙系統(tǒng)，最高應(yīng)用層數(shù)已 達(dá)48層，正在設(shè)計(jì)的有50層。集中排煙系統(tǒng)的流動(dòng)主要由以下三個(gè)部分組成： 煙道內(nèi)壁粗糙形成的煙氣流動(dòng)沿程阻力；主煙道與用戶支管的煙氣匯合產(chǎn)生的合 流阻力以及用戶止逆閥玄因道排風(fēng)帽等設(shè)備造成的局部阻力。對(duì)于

2、高層住宅而言， 數(shù)十米甚至超過(guò)一百米的內(nèi)壁粗糙的煙道會(huì)造成很大的流動(dòng)阻力，要求排油煙機(jī) 需具備較大的出口全壓。由于煙道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常采用估算法，即根據(jù)使用條件 及設(shè)計(jì)參數(shù)假設(shè)一個(gè)煙道的截面尺寸，然后過(guò)計(jì)算校該其尺寸是否能滿足要求， 因此設(shè)計(jì)時(shí)合理地選用k値（管道內(nèi)壁當(dāng)量糙粒高度）成為設(shè)計(jì)有效煙道截面尺 寸的必要條件。廿前所使用的煙道一般均為玻纖網(wǎng)增強(qiáng)水泥混凝土管道，內(nèi)壁的 光潔度較好。現(xiàn)有相關(guān)資料給出的混凝土管道內(nèi)壁的絕對(duì)粗糙度一般為13mm， 相差范圍較大。以前住宅層數(shù)不多時(shí)，沿程阻力對(duì)排油煙機(jī)的影響很小，但目前 高層住宅的層數(shù)越來(lái)越大，實(shí)際使用的煙道內(nèi)氣流流速最高可達(dá)十幾米/秒，因 此，煙

3、道內(nèi)壁k値的取値對(duì)煙道設(shè)計(jì)截面積的影響變得十分重要，有必要通過(guò)實(shí) 驗(yàn)硏究獲得比較確切的數(shù)據(jù)。1等截面煙道沿程阻力系數(shù)入及k値的實(shí)驗(yàn)硏究煙氣在等截面煙道內(nèi)流動(dòng)為克服沿程阻丿j引起的能量損失用壓強(qiáng)損失表達(dá)：a（1）從公式（1）可以看出，沿程阻力計(jì)算的核心問(wèn)題是各種流動(dòng)條件下無(wú)因次系數(shù)乂 的取値。尼古拉茲實(shí)驗(yàn)比較完整地反映了沿程損失系數(shù)入的變化規(guī)律，并揭示了 影響a變化的主要因素有雷諾數(shù)re與相對(duì)粗糙度k/d。本課題最初的實(shí)驗(yàn)是采用原型煙道以空氣為流動(dòng)介質(zhì)進(jìn)行流動(dòng)阻力測(cè)定，再依據(jù) 結(jié)果計(jì)算出相應(yīng)的k値，但多次實(shí)驗(yàn)的結(jié)采均不理想。原因可能有幾方面：測(cè)定 風(fēng)量和風(fēng)壓的儀器精度不夠，測(cè)定誤差較大；煙道總長(zhǎng)

4、度不夠，總沿程損失較小， 使儀器精度誤差的影響成為主要因素；風(fēng)機(jī)性能冇限，使管內(nèi)流動(dòng)難以保持在阻 力平方區(qū)附近等。所以決定改用水為流動(dòng)介質(zhì)進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)。1.1實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，它是由水箱1、出水閥門2 （調(diào)節(jié)流量用）、受試管段3（外截面尺寸為loommx 100mm，壁厚10mm）、測(cè)壓管4（讀取測(cè)定斷面的靜壓差）、 三角堰5 （測(cè)量流量用）、回水溝6、水池7及水泵8等組成。根據(jù)相似理論，模型實(shí)驗(yàn)應(yīng)與其原型之間有相似性。本實(shí)驗(yàn)的目的是測(cè)定煙道內(nèi) 壁的k値。實(shí)驗(yàn)采用了實(shí)際煙道，所以模型與實(shí)型的k値是相等的，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)須修正。但是水和空氣是兩種性質(zhì)的流體，兩者的粘滯系數(shù)差別很

5、大,只有滿足下述情況中的一種時(shí)從實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)山的結(jié)果才能被采信:即模型的流動(dòng)狀態(tài)處 于不受模型律制約的范圍內(nèi)；或者是兩種流動(dòng)的同名準(zhǔn)則數(shù)雖然不相等，但可以 認(rèn)為兩者的沿程阻力系數(shù)a都與雷諾數(shù)rc及管壁相對(duì)粗糙度k/d有關(guān)。所以， 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，保證了管內(nèi)高水流速度（通過(guò)減小煙道截面尺寸、提高水箱位置等實(shí)現(xiàn)），以使流動(dòng)狀態(tài)接近或進(jìn)入阻力平方區(qū)；并保持測(cè)壓管水位的高差在10cm以上，以使讀數(shù)準(zhǔn)確。由于水泥煙道是吸水材料，在實(shí)驗(yàn)之前對(duì)其進(jìn)行相關(guān)處理。圖1沿程阻力系數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)示意圖12實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析煙道沿程阻力系數(shù)入及內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度k値的實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果如表1所示。其中， 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)出的入値，k1是采用

6、柯列勃洛克公式（式2）計(jì)算而得；k2是 采用阿里特蘇里公式（式3）計(jì)算得出的；k3則是采用粗糙區(qū)的希弗林松公式（式 4）算出來(lái)的。平均値kpj是不同情況下k1値的平均。21兇(3)(2)a (4)表1等截面煙道沿程阻力系數(shù)測(cè)定當(dāng)量直徑(m)長(zhǎng)度(m)流量 (1/s)流速 (m/s)沿程 損失 (pa)沿程阻 力系數(shù)a雷諾 數(shù)rek(mm)kik2k30. 08367.4850. 004210. 680. 0580. 0274434000. 190. 190. 320. 005000.810. 0840. 0282515440.230. 250. 360. 005680. 920. 1060.

7、0276585540. 220.230. 330. 006841. 100. 1530. 0275705120. 230. 250. 330. 007201. 160. 1650. 0268742230.210. 220. 29kpj0. 22表1中的沿程阻力系數(shù)是根據(jù)公式(1)計(jì)算得出得。根據(jù)表1中所列不同流速 時(shí)的沿程阻力系數(shù)入及雷諾數(shù)rc，對(duì)照莫迪圖發(fā)現(xiàn)，此次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中煙道內(nèi)的 水流的流動(dòng)狀態(tài)處于紊流過(guò)渡區(qū)內(nèi)，因此入値既與煙道內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度k値有 關(guān)，也與雷諾數(shù)re有關(guān)。對(duì)比ki、k2、k3的計(jì)算値可以看出，采用柯列勃洛克 公式算得的k1值相對(duì)比較精確;而用粗糙區(qū)的希弗林松公式算出的k3

8、値因?yàn)闆](méi) 有考慮re對(duì)a的影響，導(dǎo)致結(jié)果偏大且誤差較大。由表1可知，受測(cè)煙道的內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度k約為0.22mm o但在煙道設(shè)計(jì)中還不 能直接采用該値。因?yàn)榕可a(chǎn)的煙道的均勻性比較差(日前煙道生產(chǎn)主要采用 手工方式)，而且在施工安裝時(shí)各節(jié)煙道的接口處會(huì)有水泥凸出，另外還要考慮 到使用后煙道內(nèi)的積油污等。所以，筆者認(rèn)為在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，1値可根據(jù)實(shí)際工 程屮煙道產(chǎn)品的選用狀況在0.5mm1.5mm的范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。煙道產(chǎn)品制作以 及系統(tǒng)施工時(shí)，采用精良的制作工藝，減小k値，是減小煙道截面積冋時(shí)保證系統(tǒng)有良好運(yùn)行效果的一個(gè)重要前提。有些企業(yè)已經(jīng)開始改用機(jī)械化生產(chǎn)，煙道質(zhì) 量?jī)油岣摺?.3實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)沿

9、程阻力系數(shù)入的確定當(dāng)k値確定以后，不同應(yīng)用條件下的沿程阻力系數(shù)入也就可以通過(guò)計(jì)算確定了， 進(jìn)而就可以計(jì)算沿程阻力。大部分情況下煙道內(nèi)煙氣的流動(dòng)狀態(tài)處于紊流光滑區(qū) 和紊流過(guò)渡區(qū)，此時(shí)粗糙區(qū)的希弗林松公式顯然不適用，而柯列勃洛克公式又過(guò) 丁繁瑣，不適合工程計(jì)算使用，那么，選用阿里特蘇里公式計(jì)算入値是否能夠得 到合理的結(jié)果呢？表2屮的數(shù)據(jù)是筆者根據(jù)表1屮列出的k1及相應(yīng)的re采用阿 里特蘇里公式反算入（表中定義為;i a）値，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所得的入値進(jìn) 行比較。表2采用不同公式計(jì)算入値所得結(jié)果比較k10. 190.230. 220.230.21re434005154458554705127422

10、3a0. 02740. 02820. 02760. 02750. 0268人a0. 02740. 02780. 02730. 02720. 0266謀差 e = | x-xa /xx100%01.421.091.090. 75由表2可知，在k値與re値都相等的情況下，分別采用柯列勃洛克公式和阿里 特蘇里公式算出的入値其誤差不大于1.5% o此外，筆者亦曾用阿氏公式計(jì)算過(guò) 在不同k/d的情況下，煙道內(nèi)氣體流速較高時(shí)的沿程阻力系數(shù)入値，并將其與有 關(guān)資料提供的相應(yīng)條件下的入値進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者的誤差不大于4% （通常稍 偏?。?。所以，煙道系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在已確定k値與re値的情況下，采用阿里特 蘇里公

11、式計(jì)算沿程阻力系數(shù)入是可行的。2氣流模擬分析與沿程阻力簡(jiǎn)化計(jì)算方法通過(guò)上一節(jié)中對(duì)沿程阻力實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析可知：實(shí)際工程煙道設(shè)計(jì)時(shí)取k=1.5， 并由此得出k/d的値，再根據(jù)相應(yīng)的re選取z進(jìn)行沿程阻力計(jì)算是安全的。然而，經(jīng)由莫迪圖查得入値再通過(guò)公式(1)計(jì)算得到氣流流過(guò)某一定距離所要克 服的沿程損失的値畢竟是比較麻煩的。所以筆者結(jié)合對(duì)多個(gè)實(shí)際煙道系統(tǒng)的測(cè)試 結(jié)果并采用氣流模擬計(jì)算后'提出了一種簡(jiǎn)使的估算方法。表3煙道截面尺寸表(煙道壁厚10mm)適用層數(shù)同吋使用系數(shù)同吋開機(jī)數(shù)煙道尺寸(mm)670%5250x30071813400x50019 3060%18500x50031 50306

12、00x600注:表中的同吋開機(jī)數(shù)是筆者對(duì)每一類中樓層數(shù)最多的住宅樓按同吋使用系數(shù)為60%計(jì)算。表3列出的是日前有關(guān)設(shè)計(jì)圖集規(guī)定的不同層數(shù)住宅廚房適用的煙道截面尺寸。 對(duì)應(yīng)每層用戶的排風(fēng)量為3oom3/h。筆者采用fluent軟件按照表中的條件分別 進(jìn)行氣流模擬，以期得山一定流速的氣流流經(jīng)單位長(zhǎng)度特定截面尺寸的煙道所需 克服的沿程阻力。2.1模型的建立由于實(shí)際空氣是粘性流體，流動(dòng)基本為湍流流動(dòng)，因此fluent計(jì)算選擇k £兩方程模型作為湍流模型。將空氣設(shè)定為理想氣體。由k方程、e方程、動(dòng)量方程、能量方程、連續(xù)方程一起構(gòu)成了室內(nèi)空氣流動(dòng)與換熱的基本控制方程。其通 用形式為：在fluen

13、t的離散選項(xiàng)中對(duì)離散方法做出如下選擇：對(duì)壓力p選用標(biāo)準(zhǔn)方法，壓 力速度耦合采用simple算法；湍流動(dòng)能k和湍流耗散率能量和動(dòng)量選用一 階迎風(fēng)格式；收斂準(zhǔn)則：各流動(dòng)項(xiàng)殘差小于10-3，能量項(xiàng)殘差小于10-6 ；選用 標(biāo)準(zhǔn)k-6方程。計(jì)算時(shí)選用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并假設(shè)顆粒均勻分布，即默認(rèn)c = 0.5取値。氣流模擬分別對(duì)煙道內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度k二1.5和k二1.0兩種情況進(jìn)行了計(jì)算。之所 以取k=1.0主耍是考慮到日前的煙道制作加工工藝相對(duì)于以前已經(jīng)有了很大的 改進(jìn)與提高，在某些系統(tǒng)施工較精良的場(chǎng)合，不使沿程阻力的估算値與實(shí)際相比 偏大太多，造成不必要的設(shè)備選型的浪費(fèi)。2.2氣流模擬結(jié)果分析氣流模擬計(jì)

14、算結(jié)果如表4與表5所示。將其與通風(fēng)管道單位長(zhǎng)度摩擦阻力線解圖 對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)k= 15和k= 1.0時(shí)，四種情況下所求得的比摩阻與線解圖提供 的數(shù)據(jù)基本相符。因此'可以采用表中數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)的沿程阻力進(jìn)行估算。表4 k二1.5時(shí)煙道內(nèi)的比摩阻適用層 數(shù)同吋使用 系數(shù)同時(shí)開 機(jī)數(shù)末段煙道內(nèi)流 速(m/s)煙道尺寸 (mm)比摩阻 (pa/m)6100%66. 67250x3003. 0271870%135. 42400x5001.0619 3060%186500x5001. 1131 50306. 94600x6001. 14表5 k= 1.0時(shí)煙道內(nèi)的比摩阻適用層 數(shù)同時(shí)使用 系數(shù)同時(shí)開

15、機(jī)數(shù)末段煙道內(nèi)流 速(m/s)煙道尺寸 (mm)比摩阻(pa/m)6100%66. 67250x3002. 6871870%135. 42400x5000. 9019 3060%186500x5000. 9631 50306. 94600x6000. 982.3沿程阻力簡(jiǎn)化計(jì)算方法由于不同層數(shù)的用戶向同一煙道內(nèi)排煙，造成了等截面煙道內(nèi)各段的流量、流速 都不同，沿程阻力計(jì)算雖然不難，但卻非常煩瑣。煙氣在系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)所要克服的 沿程阻力可由公式(6)計(jì)算得到。(6)式中總沿程阻力 paai 第i段煙道的沿程阻力系數(shù)，對(duì)應(yīng)于該層煙道內(nèi)的流速vi1 每層煙道的長(zhǎng)度，m ；n 總層數(shù)；n同時(shí)開機(jī)數(shù)。因沿程

16、阻力損失占i，所以，旦啟j，其中，01=0 ；同時(shí)，由于入1的數(shù)量級(jí)與回的數(shù)量級(jí)相比非常小，因此(7)由式7可以推出煙氣流經(jīng)煙道系統(tǒng)產(chǎn)生的沿程損失的估算公式8 :式中，rmn對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)總風(fēng)量的煙道比摩阻，pa/m。從上述公式推導(dǎo)可知，o表6列出了當(dāng)k= 15，排風(fēng)量為300m3/h、400m3/h、500m3/h及600m3/h時(shí)分別采用公式(6)、(8)計(jì)算6層、18層、30層 及50層煙道系統(tǒng)總沿程阻力的結(jié)果。表中數(shù)據(jù)顯示，煙道系統(tǒng)總沿程阻力的理 論計(jì)算結(jié)果通常約為估算結(jié)果的80%90%，具體偏差値的大小和系統(tǒng)內(nèi)的排風(fēng) 量有關(guān)。因此，對(duì)式(8)乘以一個(gè)修正系數(shù)a，即可得到較為精確的系統(tǒng)總沿

17、程 阻力的估算値，不同排風(fēng)量下a的取値如表7所示。(9)表6兩種方法計(jì)算k二1.5時(shí)煙道系統(tǒng)總沿程阻力結(jié)果比較適 用時(shí)用 司使同i1j-排風(fēng)量(m3/h)300400500600層數(shù)數(shù) 系開機(jī)數(shù)a亠兇(pa)a亠兇(pa)a亠兇(pa)>(pa)60% o11721a4005.48110%773.30%66071.503080 o 4 312&24表7不同排風(fēng)量下修正系數(shù)a的取値排風(fēng)量(m3/h)300400500600修正系數(shù)a0. 880. 880. 840. 82采用式9來(lái)計(jì)算煙道的總沿程阻力只要根據(jù)每戶額定排煙量、層高、總層數(shù)、冋 時(shí)開機(jī)數(shù)等設(shè)計(jì)參數(shù)，再計(jì)算一個(gè)最大比摩阻即可，顯然比逐層計(jì)算簡(jiǎn)單得多， 特別是在修改假設(shè)煙道截面積需要重新計(jì)算時(shí)，優(yōu)越性更明顯。需要說(shuō)明的是， 筆者同時(shí)還在編制煙道設(shè)計(jì)的軟件，將為設(shè)計(jì)提供更大的方便。3結(jié)論3.1設(shè)計(jì)高層住宅廚房集中排風(fēng)系統(tǒng)時(shí)內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度k取為1.5mm是安全的， 若系統(tǒng)制作工藝精良，k可以取為1.0，甚至更小。3.2在已確定k値與