等截面水泥煙道沿程阻力研究

1、等截面水泥煙道沿程阻力研究             摘要： 通過(guò)對(duì)等截面水泥煙道模型沿程阻力的實(shí)驗(yàn)研究得到煙道內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度K值，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

2、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、煙道排風(fēng)帽等設(shè)備造成的局部阻力。對(duì)于高層住宅而言，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值（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。目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

3、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，煙道內(nèi)壁K值的取值對(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)研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)及K值的實(shí)驗(yàn)研究煙氣在等截面煙道內(nèi)流動(dòng)為克服沿程阻力引起的能量損失用壓強(qiáng)損失表達(dá)(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)的取值。尼古拉茲實(shí)驗(yàn)比較完整地反映了沿程損失系數(shù)的變化規(guī)律，并揭示了影響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

4、相應(yīng)的K值，但多次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果均不理想。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)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)性能有限，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100mm×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值。實(shí)驗(yàn)采用了實(shí)際

5、煙道，所以模型與實(shí)型的K值是相等的，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)差別很大，只有滿足下述情況中的一種時(shí)從實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)出的結(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)都與雷諾數(shù)Re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1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析煙

6、道沿程阻力系數(shù)及內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度K值的實(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)出的值，K1是采用柯列勃洛克公式(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。平均值KPJ是不同情況下K1值的平均。（2）（3）（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(l/s)流速(m/s)沿程損失(Pa)沿程阻力系數(shù)雷諾數(shù)ReK(mm)K1K2K30.08367.4850.004210.680.0580.0274434000.190.190.320.005000.810.0840.0282515440.230.250

7、.360.005680.920.1060.0276585540.220.230.330.006841.100.1530.0275705120.230.250.330.007201.160.1650.0268742230.210.220.29KPJ0.22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)及雷諾數(shù)Re，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)，因此值既與煙道內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度K值有關(guān)，也與雷諾數(shù)Re有關(guān)。對(duì)比K1、K2、K3的計(jì)算值可以看出，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值

8、因?yàn)闆](méi)有考慮Re對(duì)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。但在煙道設(shè)計(jì)中還不能直接采用該值。因?yàn)榕可a(chǎn)的煙道的均勻性比較差（目前煙道生產(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)，K值可根據(jù)實(shí)際工程中煙道產(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值，是減小煙道截面積同時(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(kāi)始改用機(jī)械化生產(chǎn)，煙道質(zhì)量有望提高。1.3 實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)沿程阻力系數(shù)的確定當(dāng)

9、K值確定以后，不同應(yīng)用條件下的沿程阻力系數(shù)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)于繁瑣，不適合工程計(jì)算使用，那么，選用阿里特蘇里公式計(jì)算值是否能夠得到合理的結(jié)果呢？表2中的數(shù)據(jù)是筆者根據(jù)表1中列出的K1及相應(yīng)的Re采用阿里特蘇里公式反算（表中定義為a）值，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所得的值進(jìn)行比較。表2 采用不同公式計(jì)算值所得結(jié)果比較 K10.190.230.220.230.21Re43400515445855470512742230.02740.02820.02760.027

10、50.0268a0.02740.02780.02730.02720.0266誤差|-a|/×100%01.421.091.090.75由表2可知，在K值與Re值都相等的情況下，分別采用柯列勃洛克公式和阿里特蘇里公式算出的值其誤差不大于1.5%。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)值，并將其與有關(guān)資料提供的相應(yīng)條件下的值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者的誤差不大于4%（通常稍偏小）。所以，煙道系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在已確定K值與Re值的情況下，采用阿里特蘇里公式計(jì)算沿程阻力系數(shù)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

11、可知：實(shí)際工程煙道設(shè)計(jì)時(shí)取K1.5，并由此得出K/d的值，再根據(jù)相應(yīng)的Re選取進(jìn)行沿程阻力計(jì)算是安全的。然而，經(jīng)由莫迪圖查得值再通過(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值畢竟是比較麻煩的。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)便的估算方法。表3 煙道截面尺寸表(煙道壁厚10mm) 適用層數(shù)同時(shí)使用系數(shù)同時(shí)開(kāi)機(jī)數(shù)煙道尺寸(mm)670%5250×30071813400×500193060%18500×500315030600×600注：表中的同時(shí)開(kāi)機(jī)數(shù)是筆者對(duì)每一類中樓層數(shù)最多的住宅樓按同時(shí)使用系數(shù)為

12、60%計(jì)算。表3列出的是目前有關(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300m3/h。筆者采用fluent軟件按照表中的條件分別進(jìn)行氣流模擬，以期得出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、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(5)在Fluent

13、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)c0.5取值。氣流模擬分別對(duì)煙道內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度K=1.5和K=1.0兩種情況進(jìn)行了計(jì)算。之所以取K=1.0主要是考慮到目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值與實(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)算結(jié)果如表4與表5所示

14、。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)K1.5和K1.0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=1.5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(kāi)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%66.67250×3003.0271870%135.42400×5001.06193060%186500×5001.113150306.94600×6001.14表5 K1.0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(kāi)機(jī)數(shù)末段煙道內(nèi)流速(m/s)煙道尺

15、寸(mm)比摩阻(Pa/m)6100%66.67250×3002.6871870%135.42400×5000.90193060%186500×5000.963150306.94600×6000.982.3 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，Pai 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vi l 每層煙道的長(zhǎng)度，m；N 總層數(shù)；n 同時(shí)開(kāi)機(jī)數(shù)。因沿程阻力損失，所以，其中，0；同時(shí)，由于i的數(shù)量級(jí)與的數(shù)量級(jí)相比非常小，因此即 (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(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，。表6列出了當(dāng)K1.5，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)