管网内空气流动的阻力分析

管网内空气流动的阻力有两种，一种是由于空气本身的黏滞性及其与管壁间的摩擦而产生的沿程能量损失，称为摩擦阻力；另一种是空气流经风管中的管件及设备时，由于流速的大小和方向变化以及产生涡流造成比较集中的能量损失，称为局部阻力。

1.摩擦阻力　根据流体力学原理，空气在横断面形状不变的管道内流动时的摩擦阻力（Pa）按下式计算：

式中：λ——摩擦阻力系数；

v——风管内空气的平均流速，m/s；

ρ——空气的密度，kg/m3；

l——风管长度，m；

Rs——风管的水力半径，m。

式中：f——管道中充满流体部分的横断面积，m2；

C——湿周，在除尘、空调系统中即为风管的周长，m。

圆形风管的摩擦阻力（Pa）计算公式为：

式中：D——圆形风管直径，m。

圆形风管单位长度的摩擦阻力称比摩阻（Pa/m）：

摩擦阻力系数λ与空气在风管内的流动状态和风管管壁的粗糙度有关。在除尘系统中，风管的空气流动状态大多数属于紊流光滑区到粗糙区之间的过渡区。在紊流过渡区内目前广泛的采用的计算式为：

式中：K——风管内壁粗糙度，mm；

D——风管直径，mm。

风管内壁粗糙度K与管材有关。镀锌钢板K＝0.10～0.18mm；塑料板K＝0.01～0.05mm；玻璃K＝0.01mm；光滑石棉水泥板K＝0.10～0.20mm；水磨石K＝0.133mm。

进行除尘管道设计时，为了避免烦琐的计算，可采用由式（2－9）和式（2－10）制成的线解图计算。只要已知流量、管径、流速、阻力四个参数中的任意两个，即可利用图2－13求得其余的两个参数。

图2－13是按圆形风管绘出的。为利用该图进行矩形风管计算，需先把矩形风管断面尺寸折算成相当的圆形风管直径，即折算成当量直径。再由此求得矩形风管的单位长度摩擦阻力。

工程中常用流速当量直径计算。假设某一圆形风管中的空气流速与矩形风管中的空气流速相等，并且两者的单位长度摩擦阻力也相等，则该圆风管的直径就称为此矩形风管的流速当量直径，以DV表示。根据这一定义，从式（2－7）可以看出，圆形风管和矩形风管的水力半径必须相等。

圆形风管的水力半径：(www.xing528.com)

矩形风管的水力半径：

式中：a——矩形风管横截面的长，mm；

b——矩形风管截面的宽，mm。

图2－13　风管单位长度摩擦阻力线算图

当时，有：

DV称为边长为a×b的矩形风管的流速当量直径。如果矩形风管内的流速与管径为DV的圆形风管内的流速相同，两者的单位长度摩擦阻力也相等。这样，可根据矩形风管的流速当量直径DV和实际流速v，由图2－13查得的Rm即为矩形风管的单位长度摩擦阻力。

2.局部阻力　当空气流过断面变化的管件（如各种变径管、风管进出口、阀门）、流向变化的管件（如弯头）和流量变化的管件（如三通、四通、排风口）都会产生局部阻力。在除尘系统中，局部阻力在系统中的总压力损失中占有很大的比例。因此，在风管的设计与制作时要特别注意减小局部阻力。

布置管道时，应尽量取直线，减少弯头。圆形风管弯头的曲率半径一般应大于（1～2）倍管径，如图2－14所示。三通、四通的连接方式也应注意，应该尽量地减小其夹角，如图2－15和图2－16所示。管道变径处要做成渐扩或渐缩形式，如图2－17所示。

图2－14　圆形风管的弯头

图2－15　三通的连接方式

图2－16　四通的连接方式

图2－17　渐扩（缩）管

三通内流速不同的两股气流汇合时的碰撞，以及气流速度改变时形成涡流是造成局部阻力的原因。两股气流在汇合过程中的能量损失一般是不相同的，它们的局部阻力应分别计算。合流三通内直管的气流速度大于支管的气流速度时，会发生直管气流引射支管气流的现象，即流通大的直管气流失去能量，流速小的支管气流得到能量。因而支管的局部阻力有时出现负值。同理，直管的局部阻力有时也会出现负值。但是，不可能同时为负值。必须指出，引射过程会有能量损失，为了减小三通的局部阻力，应避免出现引射现象。

局部阻力z（Pa）可按下式计算：

式中：ζ——局部阻力系数。

局部阻力系数一般用实验方法确定。除尘系统中常见管件的局部阻力系数可以从有关的资料中查到。计算局部阻力时，必须注意ζ值所对应的气流速度。