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等截面水泥烟道沿程阻力研究
摘要:通过对等截面水泥烟道模型沿程阻力的实验研究得到烟道内壁绝对粗糙度K值,从而为烟道系统设计提供依据。运用fluent气流模拟,提出了烟道系统沿程阻力估算公式,通过与理论计算结果的比对,证明了其在实践中应用的可行性。关键词:住宅厨房烟道沿程阻力当量糙粒高度气流模拟沿程阻力估算
目前我国大多数低、中、高层住宅的厨房采用了集中排烟系统,最高应用层数已达48层,正在设计的有50层。集中排烟系统的流动主要由以下三个部分组成:烟道内壁粗糙形成的烟气流动沿程阻力;主烟道与用户支管的烟气汇合产生的合流阻力以及用户止逆阀、烟道排风帽等设备造成的局部阻力。对于高层住宅而言,数十米甚至超过一百米的内壁粗糙的烟道会造成很大的流动阻力,要求排油烟机需具备较大的出口全压。由于烟道系统的设计通常采用估算法,即根据使用条件及设计参数假设一个烟道的截面尺寸,然后过计算校该其尺寸是否能满足要求,因此设计时合理地选用K值(管道内壁当量糙粒高度)成为设计有效烟道截面尺寸的必要条件。目前所使用的烟道一般均为玻纤网增强水泥混凝土管道,内壁的光洁度较好。现有相关资料给出的混凝土管道内壁的绝对粗糙度一般为1~3mm,相差范围较大。以前住宅层数不多时,沿程阻力对排油烟机的影响很小,但目前高层住宅的层数越来越大,实际使用的烟道内气流流速最高可达十几米/秒,因此,烟道内壁K值的取值对烟道设计截面积的影响变得十分重要,有必要通过实验研究获得比较确切的数据。1等截面烟道沿程阻力系数λ及K值的实验研究烟气在等截面烟道内流动为克服沿程阻力引起的能量损失用压强损失表达:(1)从公式(1)可以看出,沿程阻力计算的核心问题是各种流动条件下无因次系数λ的取值。尼古拉兹实验比较完整地反映了沿程损失系数λ的变化规律,并揭示了影响λ变化的主要因素有雷诺数Re与相对粗糙度K/d。本课题最初的实验是采用原型烟道以空气为流动介质进行流动阻力测定,再依据结果计算出相应的K值,但多次实验的结果均不理想。原因可能有几方面:测定风量和风压的仪器精度不够,测定误差较大;烟道总长度不够,总沿程损失较小,使仪器精度误差的影响成为主要因素;风机性能有限,使管内流动难以保持在阻力平方区附近等。所以决定改用水为流动介质进行模型实验。,它是由水箱1、出水阀门2(调节流量用)、受试管段3(外截面尺寸为100mm×100mm,壁厚10mm)、测压管4(读取测定断面的静压差)、三角堰5(测量流量用)、回水沟6、水池7及水泵8等组成。根据相似理论,模型实验应与其原型之间有相似性。本实验的目的是测定烟道内壁的K值。实验采用了实际烟道,所以模型与实型的K值是相等的,对实验结果无须修正。但是水和空气是两种性质的流体,两者的粘滞系数差别很大,只有满足下述情况中的一种时从实验推导出的结果才能被采信:即模型的流动状态处于不受模型律制约的范围内;或者是两种流动的同名准则数虽然不相等,但可以认为两者的沿程阻力系数λ都与雷诺数Re及管壁相对粗糙度K/d有关。所以,在实验过程中,保证了管内高水流速度(通过减小烟道截面尺寸、提高水箱位置等实现),以使流动状态接近或进入阻力平方区;并保持测压管水位的高差在10cm以上,以使读数准确。由于水泥烟道是吸水材料,在实验之前对其进行相关处理。
图1沿程阻