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：通過對等截面水泥煙道模型沿程阻力的實驗硏究得到煙道內(nèi)壁絕對粗糙 度k値，從而為煙道系統(tǒng)設計提供依據(jù)。運用fluent氣流模擬，提出了煙道系 統(tǒng)沿程阻力估算公式，通過與理論計算結(jié)果的比對，證明了其在實踐中應用的可 行性。關鍵詞：住宅廚房煙道沿程阻力當量糙粒高度氣流模擬沿程阻力估算目前我國大多數(shù)低、中、高層住宅的廚房采用了集中排煙系統(tǒng)，最高應用層數(shù)已 達48層，正在設計的有50層。集中排煙系統(tǒng)的流動主要由以下三個部分組成： 煙道內(nèi)壁粗糙形成的煙氣流動沿程阻力；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帽等設備造成的局部阻力。對于

2、高層住宅而言， 數(shù)十米甚至超過一百米的內(nèi)壁粗糙的煙道會造成很大的流動阻力，要求排油煙機 需具備較大的出口全壓。由于煙道系統(tǒng)的設計通常采用估算法，即根據(jù)使用條件 及設計參數(shù)假設一個煙道的截面尺寸，然后過計算校該其尺寸是否能滿足要求， 因此設計時合理地選用k値（管道內(nèi)壁當量糙粒高度）成為設計有效煙道截面尺 寸的必要條件。廿前所使用的煙道一般均為玻纖網(wǎng)增強水泥混凝土管道，內(nèi)壁的 光潔度較好?，F(xiàn)有相關資料給出的混凝土管道內(nèi)壁的絕對粗糙度一般為13mm， 相差范圍較大。以前住宅層數(shù)不多時，沿程阻力對排油煙機的影響很小，但目前 高層住宅的層數(shù)越來越大，實際使用的煙道內(nèi)氣流流速最高可達十幾米/秒，因 此，煙

3、道內(nèi)壁k値的取値對煙道設計截面積的影響變得十分重要，有必要通過實 驗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値的實驗硏究煙氣在等截面煙道內(nèi)流動為克服沿程阻丿j引起的能量損失用壓強損失表達：a（1）從公式（1）可以看出，沿程阻力計算的核心問題是各種流動條件下無因次系數(shù)乂 的取値。尼古拉茲實驗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與相對粗糙度k/d。本課題最初的實驗是采用原型煙道以空氣為流動介質(zhì)進行流動阻力測定，再依據(jù) 結(jié)果計算出相應的k値，但多次實驗的結(jié)采均不理想。原因可能有幾方面：測定 風量和風壓的儀器精度不夠，測定誤差較大；煙道總長

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；風機性能冇限，使管內(nèi)流動難以保持在阻 力平方區(qū)附近等。所以決定改用水為流動介質(zhì)進行模型實驗。1.1實驗裝置及實驗原理實驗系統(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）、測壓管4（讀取測定斷面的靜壓差）、 三角堰5 （測量流量用）、回水溝6、水池7及水泵8等組成。根據(jù)相似理論，模型實驗應與其原型之間有相似性。本實驗的目的是測定煙道內(nèi) 壁的k値。實驗采用了實際煙道，所以模型與實型的k値是相等的，對實驗結(jié)果無須修正。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從實驗推導山的結(jié)果才能被采信:即模型的流動狀態(tài)處 于不受模型律制約的范圍內(nèi)；或者是兩種流動的同名準則數(shù)雖然不相等，但可以 認為兩者的沿程阻力系數(shù)a都與雷諾數(shù)rc及管壁相對粗糙度k/d有關。所以， 在實驗過程中，保證了管內(nèi)高水流速度（通過減小煙道截面尺寸、提高水箱位置等實現(xiàn)），以使流動狀態(tài)接近或進入阻力平方區(qū)；并保持測壓管水位的高差在10cm以上，以使讀數(shù)準確。由于水泥煙道是吸水材料，在實驗之前對其進行相關處理。圖1沿程阻力系數(shù)檢測系統(tǒng)示意圖12實驗結(jié)果及分析煙道沿程阻力系數(shù)入及內(nèi)壁絕對粗糙度k値的實驗測定結(jié)果如表1所示。其中， 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)推導出的入値，k1是采用

6、柯列勃洛克公式（式2）計算而得；k2是 采用阿里特蘇里公式（式3）計算得出的；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)測定當量直徑(m)長度(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)計算得出得。根據(jù)表1中所列不同流速 時的沿程阻力系數(shù)入及雷諾數(shù)rc，對照莫迪圖發(fā)現(xiàn)，此次實驗過程中煙道內(nèi)的 水流的流動狀態(tài)處于紊流過渡區(qū)內(nèi)，因此入値既與煙道內(nèi)壁絕對粗糙度k値有 關，也與雷諾數(shù)re有關。對比ki、k2、k3的計算値可以看出，采用柯列勃洛克 公式算得的k1值相對比較精確;而用粗糙區(qū)的希弗林松公式算出的k3

8、値因為沒 有考慮re對a的影響，導致結(jié)果偏大且誤差較大。由表1可知，受測煙道的內(nèi)壁絕對粗糙度k約為0.22mm o但在煙道設計中還不 能直接采用該値。因為批量生產(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)，而且在施工安裝時各節(jié)煙道的接口處會有水泥凸出，另外還要考慮 到使用后煙道內(nèi)的積油污等。所以，筆者認為在系統(tǒng)設計時，1値可根據(jù)實際工 程屮煙道產(chǎn)品的選用狀況在0.5mm1.5mm的范圍內(nèi)進行選擇。煙道產(chǎn)品制作以 及系統(tǒng)施工時，采用精良的制作工藝，減小k値，是減小煙道截面積冋時保證系統(tǒng)有良好運行效果的一個重要前提。有些企業(yè)已經(jīng)開始改用機械化生產(chǎn)，煙道質(zhì) 量冇望提高。1.3實際設計時沿

9、程阻力系數(shù)入的確定當k値確定以后，不同應用條件下的沿程阻力系數(shù)入也就可以通過計算確定了， 進而就可以計算沿程阻力。大部分情況下煙道內(nèi)煙氣的流動狀態(tài)處于紊流光滑區(qū) 和紊流過渡區(qū)，此時粗糙區(qū)的希弗林松公式顯然不適用，而柯列勃洛克公式又過 丁繁瑣，不適合工程計算使用，那么，選用阿里特蘇里公式計算入値是否能夠得 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，并將計算結(jié)果與實驗所得的入値進 行比較。表2采用不同公式計算入値所得結(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算過 在不同k/d的情況下，煙道內(nèi)氣體流速較高時的沿程阻力系數(shù)入値，并將其與有 關資料提供的相應條件下的入値進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者的誤差不大于4% （通常稍 偏?。?。所以，煙道系統(tǒng)設計時，在已確定k値與re値的情況下，采用阿里特 蘇里公

11、式計算沿程阻力系數(shù)入是可行的。2氣流模擬分析與沿程阻力簡化計算方法通過上一節(jié)中對沿程阻力實驗結(jié)果的分析可知：實際工程煙道設計時取k=1.5， 并由此得出k/d的値，再根據(jù)相應的re選取z進行沿程阻力計算是安全的。然而，經(jīng)由莫迪圖查得入値再通過公式(1)計算得到氣流流過某一定距離所要克 服的沿程損失的値畢竟是比較麻煩的。所以筆者結(jié)合對多個實際煙道系統(tǒng)的測試 結(jié)果并采用氣流模擬計算后'提出了一種簡使的估算方法。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)同吋開機數(shù)煙道尺寸(mm)670%5250x30071813400x50019 3060%18500x50031 50306

12、00x600注:表中的同吋開機數(shù)是筆者對每一類中樓層數(shù)最多的住宅樓按同吋使用系數(shù)為60%計算。表3列出的是日前有關設計圖集規(guī)定的不同層數(shù)住宅廚房適用的煙道截面尺寸。 對應每層用戶的排風量為3oom3/h。筆者采用fluent軟件按照表中的條件分別 進行氣流模擬，以期得山一定流速的氣流流經(jīng)單位長度特定截面尺寸的煙道所需 克服的沿程阻力。2.1模型的建立由于實際空氣是粘性流體，流動基本為湍流流動，因此fluent計算選擇k £兩方程模型作為湍流模型。將空氣設定為理想氣體。由k方程、e方程、動量方程、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的離散選項中對離散方法做出如下選擇：對壓力p選用標準方法，壓 力速度耦合采用simple算法；湍流動能k和湍流耗散率能量和動量選用一 階迎風格式；收斂準則：各流動項殘差小于10-3，能量項殘差小于10-6 ；選用 標準k-6方程。計算時選用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并假設顆粒均勻分布，即默認c = 0.5取値。氣流模擬分別對煙道內(nèi)壁絕對粗糙度k二1.5和k二1.0兩種情況進行了計算。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于以前已經(jīng)有了很大的 改進與提高，在某些系統(tǒng)施工較精良的場合，不使沿程阻力的估算値與實際相比 偏大太多，造成不必要的設備選型的浪費。2.2氣流模擬結(jié)果分析氣流模擬計

14、算結(jié)果如表4與表5所示。將其與通風管道單位長度摩擦阻力線解圖 對比后發(fā)現(xiàn)，當k= 15和k= 1.0時，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)對系統(tǒng)的沿程阻力進行估算。表4 k二1.5時煙道內(nèi)的比摩阻適用層 數(shù)同吋使用 系數(shù)同時開 機數(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時煙道內(nèi)的比摩阻適用層 數(shù)同時使用 系數(shù)同時開

15、機數(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沿程阻力簡化計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，沿程阻力計算雖然不難，但卻非常煩瑣。煙氣在系統(tǒng)內(nèi)流動所要克服的 沿程阻力可由公式(6)計算得到。(6)式中總沿程阻力 paai 第i段煙道的沿程阻力系數(shù)，對應于該層煙道內(nèi)的流速vi1 每層煙道的長度，m ；n 總層數(shù)；n同時開機數(shù)。因沿程

16、阻力損失占i，所以，旦啟j，其中，01=0 ；同時，由于入1的數(shù)量級與回的數(shù)量級相比非常小，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對應于系統(tǒng)總風量的煙道比摩阻，pa/m。從上述公式推導可知，o表6列出了當k= 15，排風量為300m3/h、400m3/h、500m3/h及600m3/h時分別采用公式(6)、(8)計算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 量有關。因此，對式(8)乘以一個修正系數(shù)a，即可得到較為精確的系統(tǒng)總沿

17、程 阻力的估算値，不同排風量下a的取値如表7所示。(9)表6兩種方法計算k二1.5時煙道系統(tǒng)總沿程阻力結(jié)果比較適 用時用 司使同i1j-排風量(m3/h)300400500600層數(shù)數(shù) 系開機數(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不同排風量下修正系數(shù)a的取値排風量(m3/h)300400500600修正系數(shù)a0. 880. 880. 840. 82采用式9來計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 時開機數(shù)等設計參數(shù)，再計算一個最大比摩阻即可，顯然比逐層計算簡單得多， 特別是在修改假設煙道截面積需要重新計算時，優(yōu)越性更明顯。需要說明的是， 筆者同時還在編制煙道設計的軟件，將為設計提供更大的方便。3結(jié)論3.1設計高層住宅廚房集中排風系統(tǒng)時內(nèi)壁絕對粗糙度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