某住宅廚房截面水泥煙道沿程阻力研究

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摘要：通過對等截面水泥煙道模型沿程阻力的實驗研究得到煙道內(nèi)壁絕對粗糙度K值，從而為煙道系統(tǒng)設(shè)計提供依據(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，通過與理論計算結(jié)果的比對，證明了其在實踐中應(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、煙道排風(fēng)帽等設(shè)備造成的局部阻力。對于高層住宅而言，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(jī)需具備較大的出口全壓。由于煙道系統(tǒng)的設(shè)計通常采用估算法，即根據(jù)使用條件及設(shè)計參數(shù)假設(shè)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(shè)計時合理地選用K值（管道內(nèi)壁當(dāng)量糙粒高度）成為設(shè)計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?，F(xiàn)有相關(guān)資料給出的混凝土管道內(nèi)壁的絕對粗糙度一般為1～3mm，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(jī)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(dá)十幾米/秒，因此，煙道內(nèi)壁K值的取值對煙道設(shè)計截面積的影響變得十分重要，有必要通過實驗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)λ及K值的實驗研究煙氣在等截面煙道內(nèi)流動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，沿程阻力計算的核心問題是各種流動條件下無因次系數(shù)λ的取值。尼古拉茲實驗比較完整地反映了沿程損失系數(shù)λ的變化規(guī)律，并揭示了影響λ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(jìn)行流動阻力測定，再依據(jù)結(jié)果計算出相應(yīng)的K值，但多次實驗的結(jié)果均不理想。原因可能有幾方面：測定風(fēng)量和風(fēng)壓的儀器精度不夠，測定誤差較大；煙道總長度不夠，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(jìn)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100mm×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(yīng)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值。實驗采用了實際煙道，所以模型與實型的K值是相等的，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)差別很大，只有滿足下述情況中的一種時從實驗推導(dǎo)出的結(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(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)λ都與雷諾數(shù)Re及管壁相對粗糙度K/d有關(guān)。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(jìn)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(zhǔn)確。由于水泥煙道是吸水材料，在實驗之前對其進(jìn)行相關(guān)處理。   圖1沿程阻力系數(shù)檢測系統(tǒng)示意圖1.2實驗結(jié)果及分析煙道沿程阻力系數(shù)λ及內(nèi)壁絕對粗糙度K值的實驗測定結(jié)果如表1所示。其中，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)推導(dǎo)出的λ值，K1是采用柯列勃洛克公式(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)測定當(dāng)量直徑(m)長度(m)流量(l/s)流速(m/s)沿程損失(Pa)沿程阻力系數(shù)λ雷諾數(shù)ReK(mm)K1K2K30.08367.4850.004210.680.0580.0274434000.190.190.320.005000.810.0840.0282515440.230.250.360.005680.920.1060.0276585540.220.230.330.006841.100.1530.0275705120.230.250.330.007201.160.1650.0268742230.210.220.29KPJ0.22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)λ及雷諾數(shù)Re，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λ值既與煙道內(nèi)壁絕對粗糙度K值有關(guān)，也與雷諾數(shù)Re有關(guān)。對比K1、K2、K3的計算值可以看出，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值因為沒有考慮Re對λ的影響，導(dǎo)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。但在煙道設(shè)計中還不能直接采用該值。因為批量生產(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(rèn)為在系統(tǒng)設(shè)計時，K值可根據(jù)實際工程中煙道產(chǎn)品的選用狀況在0.5mm～1.5mm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，采用精良的制作工藝，減小K值，是減小煙道截面積同時保證系統(tǒng)有良好運(yùn)行效果的一個重要前提。有些企業(yè)已經(jīng)開始改用機(jī)械化生產(chǎn)，煙道質(zhì)量有望提高。1.3實際設(shè)計時沿程阻力系數(shù)λ的確定當(dāng)K值確定以后，不同應(yīng)用條件下的沿程阻力系數(shù)λ也就可以通過計算確定了，進(jìn)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于繁瑣，不適合工程計算使用，那么，選用阿里特蘇里公式計算λ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λ（表中定義為λa）值，并將計算結(jié)果與實驗所得的λ值進(jìn)行比較。表2采用不同公式計算λ值所得結(jié)果比較K10.190.230.220.230.21Re4340051544585547051274223λ0.02740.02820.02760.02750.0268λa0.02740.02780.02730.02720.0266誤差Ε＝|λ-λa|/λ×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λ值其誤差不大于1.5%。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)λ值，并將其與有關(guān)資料提供的相應(yīng)條件下的λ值進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)兩者的誤差不大于4%（通常稍偏?。Ｋ?，煙道系統(tǒng)設(shè)計時，在已確定K值與Re值的情況下，采用阿里特蘇里公式計算沿程阻力系數(shù)λ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(shè)計時取K＝1.5，并由此得出K/d的值，再根據(jù)相應(yīng)的Re選取λ進(jìn)行沿程阻力計算是安全的。然而，經(jīng)由莫迪圖查得λ值再通過公式(1)計算得到氣流流過某一定距離所要克服的沿程損失的值畢竟是比較麻煩的。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)同時使用系數(shù)同時開機(jī)數(shù)煙道尺寸(mm)670%5250×3007～1813400×50019～3060%18500×50031～5030600×600注：表中的同時開機(jī)數(shù)是筆者對每一類中樓層數(shù)最多的住宅樓按同時使用系數(shù)為60%計算。表3列出的是目前有關(guān)設(shè)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(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－ε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、ε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：(5)在Fluent的離散選項中對離散方法做出如下選擇：對壓力P選用標(biāo)準(zhǔn)方法，壓力速度耦合采用SIMPLE算法；湍流動能K和湍流耗散率ε，能量和動量選用一階迎風(fēng)格式；收斂準(zhǔn)則：各流動項殘差小于10-3，能量項殘差小于10-6；選用標(biāo)準(zhǔn)K－ε方程。計算時選用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并假設(shè)顆粒均勻分布，即默認(rèn)c＝0.5取值。氣流模擬分別對煙道內(nèi)壁絕對粗糙度K=1.5和K=1.0兩種情況進(jìn)行了計算。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)施工較精良的場合，不使沿程阻力的估算值與實際相比偏大太多，造成不必要的設(shè)備選型的浪費(fèi)。2.2氣流模擬結(jié)果分析氣流模擬計算結(jié)果如表4與表5所示。將其與通風(fēng)管道單位長度摩擦阻力線解圖對比后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)K＝1.5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(jìn)行估算。表4K=1.5時煙道內(nèi)的比摩阻適用層數(shù)同時使用系數(shù)同時開機(jī)數(shù)末段煙道內(nèi)流速(m/s)煙道尺寸(mm)比摩阻(Pa/m)6100%66.67250×3003.027～1870%135.42400×5001.0619～3060%186500×5001.1131～50306.94600×6001.14表5K＝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%66.67250×3002.687～1870%135.42400×5000.9019～3060%186500×5000.9631～50306.94600×6000.982.3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，Paλi——第i段煙道的沿程阻力系數(shù)，對應(yīng)于該層煙道內(nèi)的流速vil——每層煙道的長度，m；N——總層數(shù)；n——同時開機(jī)數(shù)。因沿程阻力損失，所以，，其中，＝0；同時，由于λi的數(shù)量級與的數(shù)量級相比非常小，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)K＝1.5，排風(fēng)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%，具體偏差值的大小和系統(tǒng)內(nèi)的排風(fēng)量有關(guān)。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)總沿程阻力的估算值，不同排風(fēng)量下a的取值如表7所示。(9)表6兩種方法計算K=1.5時煙道系統(tǒng)總沿程阻力結(jié)果比較適用層數(shù)同時使用系數(shù)同時開機(jī)數(shù)排風(fēng)量(m3/h)300400500600(Pa)(Pa)(Pa)(Pa)(Pa)(Pa)(Pa)(Pa)6100%623.7627.1841.7245.0064.5276.5092.34108.001870%1333.1738.1655.0464.8085.43100.80122.37154.803060%1863.2971.60111.62132.23173.73212.85249.96309.605030110.96123.30196.87213.00307.56340.80428.12511.20表7不同排風(fēng)量下修正系數(shù)a的取值排風(fēng)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)、同時開機(jī)數(shù)等設(shè)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(shè)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(shè)計的軟件，將為設(shè)計提供更大的方便。3結(jié)論3.1設(shè)計高層住宅廚房集中排風(fēng)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值與Re值的情況下，采用阿里特蘇里公式計算沿程阻力系數(shù)λ所得結(jié)果較為方便且精確。3.3在實驗室條件下測定特定截面尺寸煙道的沿程阻力系數(shù)λ和K值，以水作為被測流體是比較合理的。3.4在估算等截面煙道系統(tǒng)沿程阻力時，采用公式(9)可以比較簡便精確地獲得結(jié)果，因此應(yīng)用于工程設(shè)計也是可行的。參考文獻(xiàn)[1]徐文華.關(guān)于住宅廚房排煙問題.1996年全國暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會論文集,178-~80[2]徐文華,沈雪峰.住宅廚房排煙的研究及系統(tǒng)設(shè)計方法.建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2001,1:46~48[3]華紹曾,楊學(xué)寧.實用流體阻力手冊.北京：國防工業(yè)出版社,1985