空氣在風(fēng)管內(nèi)的流動阻力有兩種形式：一是由于空氣本身的黏滯性以及空氣與管壁間的摩擦所產(chǎn)生的阻力稱為摩擦阻力；另一是空氣流經(jīng)管道中的管件時(shí)(如三通、彎頭等)，流速的大小和方向發(fā)生變化，由此產(chǎn)生的局部渦流所引起的阻力，稱為局部阻力。

一、摩擦阻力

根據(jù)流體力學(xué)原理，空氣在管道內(nèi)流動時(shí)，單位長度管道的摩擦阻力按下式計(jì)算：

式中：Rm—單位長度摩擦阻力，Pa／m；

υ—風(fēng)管內(nèi)空氣的平均流速，m／s；

ρ—空氣的密度，kg／m3；

λ—摩擦阻力系數(shù)；

Rs—風(fēng)管的水力半徑，m。

對圓形風(fēng)管：

式中：D—風(fēng)管直徑，m。

對矩形風(fēng)管：

式中：a，b—矩形風(fēng)管的邊長，m。

因此，圓形風(fēng)管的單位長度摩擦阻力：

摩擦阻力系數(shù)λ與空氣在風(fēng)管內(nèi)的流動狀態(tài)和風(fēng)管內(nèi)壁的粗糙度有關(guān)。計(jì)算摩擦阻力系數(shù)的公式很多，美國、日本、德國的一些暖通手冊和我國通用通風(fēng)管道計(jì)算表中所采用的公式如下：

式中：K—風(fēng)管內(nèi)壁粗糙度，mm；

Re—雷諾數(shù)。

式中：υ—風(fēng)管內(nèi)空氣流速，m／s；

d—風(fēng)管內(nèi)徑，m；

ν—運(yùn)動黏度，m2／s。

在實(shí)際應(yīng)用中，為了避免煩瑣的計(jì)算，可制成各種形式的計(jì)算表或線解圖。圖1是計(jì)算圓形鋼板風(fēng)管的線解圖。它是在氣體壓力B＝101.3kPa、溫度t=20℃、管壁粗糙度K＝0.15mm等條件下得出的。經(jīng)核算，按此圖查得的Rm值與《全國通用通風(fēng)管道計(jì)算表》查得的λ／d值算出的Rm值基本一致，其誤差已可滿足工程設(shè)計(jì)的需要。只要已知風(fēng)量、管徑、流速、單位摩擦阻力4個(gè)參數(shù)中的任意兩個(gè)，即可利用該圖求得其余兩個(gè)參數(shù)，計(jì)算很方便。

圖1? 圓形鋼板風(fēng)管計(jì)算線解圖

[例]：有一個(gè)10m長薄鋼板風(fēng)管，已知風(fēng)量L＝2400m3／h，流速υ＝16m／s，管壁粗糙度K＝0.15mm，求該風(fēng)管直徑d及風(fēng)管摩擦阻力R。

解：利用線解圖1，在縱坐標(biāo)上找到風(fēng)量L＝2400m3／h，從這點(diǎn)向右做垂線，與流速υ＝16m／s的斜線相交于一點(diǎn)，在通過該點(diǎn)表示風(fēng)管直徑的斜線上讀得d＝230mm。再過該點(diǎn)做垂直于橫坐標(biāo)的垂線，在與表示單位摩擦阻力的橫坐標(biāo)交點(diǎn)上直接讀得Rm＝13.5Pa／m。

該段風(fēng)管摩擦阻力為：R＝Rml＝13.5×10Pa＝135Pa

無論是按照《全國通用通風(fēng)管道計(jì)算表》，還是按圖1計(jì)算風(fēng)管時(shí)，如被輸送空氣的溫度不等于20℃，而且相差較大時(shí)，則應(yīng)對R。值進(jìn)行修正，修正公式如下：

式中Rm?—在不同溫度下，實(shí)際的單位長度摩擦阻力，Pa；

Rm—按20℃的計(jì)算表或線解圖查得的單位摩擦阻力，Pa；

Kt—摩擦阻力溫度修正系數(shù)。

鋼板制的風(fēng)管內(nèi)壁粗糙度K值一般為0.15mm。當(dāng)實(shí)際使用的鋼板制風(fēng)管，其內(nèi)壁粗糙度K值與制圖表數(shù)值有較大出入時(shí)，由計(jì)算圖表查得的單位摩擦阻力Rm值乘以表1中相應(yīng)的粗糙度修正系數(shù)。表中υ為風(fēng)管內(nèi)空氣流速。

表1? 管壁粗糙度修正系數(shù)

對于一般的通風(fēng)除塵管道，粉塵對摩擦阻力的影響很小，例如含塵濃度為50g／m3時(shí)，所增大的摩擦阻力不超過2％，因此一般情況下可忽略不計(jì)。

二、局部阻力

各種通風(fēng)管道要安裝一些彎頭、三通等配件。流體經(jīng)過這類配件時(shí)，由于邊壁或流量的改變，引起了流速的大小、方向或分布的變化，由此產(chǎn)生的能量損失，稱為局部損失，也稱局部阻力。局部阻力主要可分為兩類：①流量不改變時(shí)產(chǎn)生的局部阻力，如空氣通過彎頭、漸擴(kuò)管、漸縮管等；②流量改變時(shí)所產(chǎn)生的局部阻力，如空氣通過三通等。

局部阻力可按下式計(jì)算：

式中：Z—局部阻力，Pa；

ξ—局部阻力系數(shù)，見表2；

υ—空氣流速，m／s；

ρ—空氣密度，kg／m3。

上式表明，局部阻力與其中流速的平方成正比。局部阻力系數(shù)通常都是通過實(shí)驗(yàn)確定的。可以從有關(guān)采暖通風(fēng)手冊中查得。表2列出了部分管道部件的局部阻力系數(shù)值。在計(jì)算通風(fēng)管道時(shí)，局部阻力的計(jì)算是非常重要的一部分。因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，克服局部阻力而損失的能量要比克服摩擦阻力而損失的能量大得多。所以，在制作管件時(shí)，如何采取措施減少局部阻力是必須重視的問題。

表2? 常見管件局部阻力系數(shù)

下面通過分析幾種常見管件產(chǎn)生局部阻力的原因，提出減少局部阻力的辦法。

1.三通

圖2為一合流三通中氣流的流動情況。流速不同的1、2兩股氣流在匯合時(shí)發(fā)生碰撞，以及氣流速度改變時(shí)形成渦流是產(chǎn)生局部阻力的原因。三通局部阻力的大小與分支管中心夾角、三通斷面形狀、支管與總管的面積比和流量比(即流速比)有關(guān)。

圖2 合流三通中氣流流動狀態(tài)

為了減少三通局部阻力，分支管中心夾角。應(yīng)該取得小一些，一般不超過30°。只有在安裝條件限制或?yàn)榱似胶庾枇Φ那闆r下，才用較大的夾角，但在任何情況下，都不宜做成垂直的“T”形三通。為了避免出現(xiàn)引射現(xiàn)象，應(yīng)盡可能使總管和分支管的氣流速度相等，即按υ3＝υ1=υ2來確定總管和分支管的斷面積。這樣，風(fēng)管斷面積的關(guān)系為：F3＝F1+F2。

2.彎頭

當(dāng)氣流流過彎頭時(shí)(見圖3)，由于氣流與管壁的沖擊，產(chǎn)生了渦流區(qū)Ⅰ；又由于氣流的慣性，使邊界層脫離內(nèi)壁，產(chǎn)生了渦流區(qū)Ⅱ。兩個(gè)渦流區(qū)的存在，使管道中心處的氣流速度要比管壁附近大，因而產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)氣流。渦流區(qū)的產(chǎn)生和氣流的旋轉(zhuǎn)都是造成局部阻力的原因。

圖3? 彎頭中氣流流動狀況

實(shí)驗(yàn)證明，增大曲率半徑可以使彎頭內(nèi)的渦流區(qū)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動減弱。但是彎頭的曲率半徑也不宜太大，以免占用的空間過大，一般取曲率半徑R等于彎頭直徑的1～2倍。在任何情況下，都不宜采用90°的“Г”形直角彎頭。

3.漸縮或漸擴(kuò)管

漸縮或漸擴(kuò)管的局部阻力是由于氣流流經(jīng)管件時(shí)，斷面和流速發(fā)生變化，使氣流脫離管壁，形成渦流區(qū)而造成的。圖3是漸擴(kuò)管中氣流的流動狀況，

圖3? 漸擴(kuò)管中氣流流動狀況

實(shí)驗(yàn)證明，漸縮或漸擴(kuò)管中心角。越大，渦流區(qū)越大，能量損失也越大。為了減少漸縮、漸擴(kuò)管的局部阻力，必須減小中心角α，緩和流速分布的變化，使渦流區(qū)范圍縮小。通常中心角。不宜超過45°。

三、系統(tǒng)阻力

整個(gè)通風(fēng)除塵系統(tǒng)的阻力稱為系統(tǒng)阻力，它包括吸塵罩阻力、風(fēng)管阻力、除塵器阻力和出口動壓損失4部分。

四、通風(fēng)管道的壓力分布

圖4所示為一簡單通風(fēng)系統(tǒng)，其中沒有管件、吸塵罩和除塵器，假定空氣在進(jìn)口A和出口C處局部阻力很小，可以忽略不計(jì)，系統(tǒng)僅有摩擦阻力。

按下列步驟可以說明該風(fēng)管壓力分布。

?(1)定出風(fēng)管中各點(diǎn)的壓力。風(fēng)機(jī)開動后，空氣由靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)檫\(yùn)動狀態(tài)。因?yàn)轱L(fēng)管斷面不變，所以各點(diǎn)(斷面)的空氣流速相等，即動壓相等。各點(diǎn)的動壓分布分別為：

[點(diǎn)A]

[點(diǎn)B]

全壓，空氣從點(diǎn)A流至點(diǎn)月時(shí)要克服風(fēng)管的摩擦阻力，所以點(diǎn)B的全壓(即風(fēng)機(jī)吸入口的全壓)為：

式中：Rm—風(fēng)管單位長度摩擦阻力，Pa／m；

l1—從點(diǎn)A至點(diǎn)B的風(fēng)管長度，m。

由上式可以看出，當(dāng)風(fēng)管內(nèi)空氣流速不變時(shí)，風(fēng)管的阻力是由降低空氣的靜壓來克服的。

[點(diǎn)C]

當(dāng)空氣排入大氣時(shí)，這一能量便全部消失在大氣中，稱為風(fēng)管出口動壓損失。

[點(diǎn)B′]

空氣由點(diǎn)B′流至點(diǎn)C需要克服摩擦阻力Rml2，所以：

(2)把以上各點(diǎn)的數(shù)值在圖上標(biāo)出，并連成直線，即可繪出壓力分布圖。如圖4所示。

風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)壓Hf等于風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口的全壓差，即：

從風(fēng)管壓力分布圖和計(jì)算結(jié)果可以給人們以下啟示。

①風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)壓等于風(fēng)管的阻力及出口動壓損失之和，亦即等于系統(tǒng)阻力。換句話說，系統(tǒng)的阻力是由風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)壓來克服的。對于包括有管件、吸塵罩和除塵器的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)阻力中還包括這些部件和設(shè)備的阻力。

②風(fēng)機(jī)吸入段的全壓和靜壓都是負(fù)值，風(fēng)機(jī)壓出段的全壓和靜壓一般情況下均是正值。因此，風(fēng)管連接處不嚴(yán)密時(shí)，會有空氣漏人和逸出。前者影響吸塵效果，后者影響送風(fēng)效果或造成粉塵外逸。