前沿拓展：

一、風管內的靜壓、動壓、全壓

管道中的氣體，處在靜止狀態時只受靜壓作用；處在流動狀態時，同時受到靜壓和動壓的作用。

Pj--靜壓是單位體積氣體所具有的勢能，是一種力，單位為Pa，它的表現將氣體壓縮、對管壁施壓。管道內氣體的絕對靜壓，可以是正壓（高于周圍的大氣壓），也可以是負壓（低于周圍的大氣壓）。

Pd--動壓是單位體積氣體所具有的動能，也是一種力，單位為Pa它的表現是使管內氣體改變速度，動壓只作用在氣體的流動方向，恒為正值。

Pq--在某一點上，動壓和靜壓的代數和即為該點的全壓，單位為Pa，表示單位氣體所具有的總能量。

用公式表述三者的關系為：Pq=Pj＋Pd 卓旗式2.9-1。

氣體在管道中流動是管道兩端氣體的壓差所引起的，除高溫氣體外為定容運動，由于斷面變化引起流量隨之變化，管內的動壓和靜壓相互轉化。由于管道阻力的存在，氣體在流動過程中的壓力不斷下降。其能量變化用伯努利方程式來表達，截面1和截面2，其靜壓和流速分別用下標1、2表示，有：

式中△p---兩截面間單位體積氣體的能量損失（壓力損失），Pa。

方程式表達了風管內氣體的流速和壓力之間的關系，△p表示全壓損失。在封閉的管道系統中，當氣體不流動時，沿管道長度上各點的壓力相同，因為這時的動壓為零，而全壓等于靜壓。

二、 風管氣體流動的阻力損失

氣體在管道中流動時，各點的壓力發生變化。動壓變化是由于管道斷面的改變，或者由于支管的匯合，使其中的流速改變而造成的，流速的變化也引起管道內靜壓的變化（動壓與靜壓相互轉化）。靜壓變化是由于氣流流動與管壁之間的摩擦造成的壓力損失（稱為摩擦阻力）和氣流通過各設備以及管道的彎頭、三通等局部構件形成的壓力損失（稱為局部阻力）造成的（通風系統中忽略管道中各點高度的影響）。

1. 摩擦壓力損失△pm

氣體流動的摩擦壓力損失與管道內的流速及管壁粗糙度有關，在通風管道系統中空氣的流動狀態多處于水力過渡區。單位長度摩擦壓力損失Rm（Pa/m）按Darcy-Weisbach公式計算：

式中λ---摩擦阻力系數；

Rs---風管的水力半徑，m。

注：水力半徑Rs是管道的橫斷面積f與其周長p（濕周）的比值。對于直徑為D的圓形管道，Rs=D/4；對于邊長為a及b的矩形管道，Rs=ab/2(a+b) ；所謂濕周是過流斷面上流體與固體壁面接觸的周界，若兩種不同的斷面形式具有相同的濕周，平均流速也相同，則斷面積越大，通過的流體越多，單位重量流體的能量損失也就越小，所以沿程損失與水力半徑成反比。

于是，△pm=Rml （Pa）。

計算摩擦壓力損失關鍵在于確定各種材質管道在不同流動狀況下的λ，即：

λ=f (Re，K/D) 卓旗式2.9-4

式中Re---雷諾數；

K---風管材料的粗糙度，mm。

為了簡化計算，通風系統設計時，可以使用通風管道單位長度摩擦阻力線算圖或查閱《全國通用通風管道計算表》。通風管道單位長度摩擦阻力線算圖是按過渡區的λ值，在大氣壓力B0= 101.3kPa、空氣溫度t0=20℃、空氣密度ρ0=1.204kg/m3、運動黏性系數v0=15.06×10-6m2/s、管壁粗糙度K=0.15mm的圓形風管等條件下得出的。當實際使用條件與上述條件不符時，應進行相應修正：

（1）實際輸送氣體為非清潔空氣時應進行密度和黏性系數的修正；

式中Rm---實際的單位長度摩擦阻力，Pa/m；

Rm0---圖上查出的單位長度摩擦阻力，Pa/m；

ρ---風管內實際氣體的密度，kg/m3；

v---實際氣體運動黏性系數，m2/s。

（2）輸送氣體大氣壓和溫度與B0= 101.3kPa、t0=20℃不符時應進行修正；

式中Kr ---管壁粗糙度修正系數；Kr=(Ku)0.25

K---管壁粗糙度，常見風管材料的K值見表2.9-1；

u---風管內氣體流速，m/s。

卓旗表2.9-1常見風管材料的粗糙度K（三版表2.7-1）

風管材料

K（mm）

風管材料

K（mm）

薄鋼板或鍍鋅薄鋼板

0.15~0.18

膠合板

1.0

塑料板

0.01~0.05

磚砌體

3~6

礦渣石膏板

1.0

混凝土

1~3

礦渣混凝土板

1.5

木板

0.2~1.0

對于矩形風管，可采取流速當量直徑或流量當量直徑進行查圖。值得注意的是，采取流速當量直徑時，應對應用流速和流速當量直徑查圖；采取流速當量直徑時，應對應用流量和流量當量直徑查圖。

拓展說明：1）流速當量直徑為2ab/(a+b)=4Rs。 2）在流速當量直徑的定義下，矩形風管的流量與圓形風管的流量不同；同樣，在流量當量直徑的定義下，矩形風管的流速與圓形風管的流速也是不同的。

2. 局部壓力損失△pz

通風管道是由各種不變斷面的直管段和許多局部構件所組成的。局部構件種類較多，如彎頭、漸擴管和漸縮管、三通管、調節閥以及各種送回風口等?？諝饬鬟^這些局部構件所產生的集中能量損失即為局部阻力壓力損失△pz（Pa）按△pz=ζρv2/2式計算，ζ通常由試驗確定，可查閱有關專業手冊，選用時要注意試驗用的管件形狀和試驗條件，特別要注意ζ值對應的是何處的動壓值。

局部阻力在通風、空調系統阻力中占有較大的比例，在設計時應加以注意。減小局部阻力的著眼點在于防止或推遲氣流與壁面的分離，避免漩渦區的產生或減小漩渦區的大小和強度。下面介紹幾種常用的減小局部阻力的措施：

（1）當氣流流經斷面面積變化的管件（如突擴管和突縮管），或斷面形狀變化的管件（如異形管）時，由于管道斷面的突然變化使氣流產生沖擊，周圍出現渦流區，造成局部阻力。擴散角大的漸擴管局部阻力系數也較大，因此盡量避免風管斷面的突然變化，用漸縮或漸擴管代替突然縮小或突然擴大，中心角α最好在8°~10°，不要超過45°。

（2）三通內流速不同的兩股氣流匯合時的碰撞，以及氣流速度改變時形成渦流是造成局部阻力的原因。兩股氣流在匯合過程中的能量損失一般是不相同的，它們的局部阻力應分別計算，對應兩個阻力系數。當合流三通內直管的氣流速度大于支管的氣流速度時，直管氣流會引射支管氣流，即流速大的直管氣流失去能量，流速小的支管氣流得到能量，因而支管的局部阻力系數有時出現負值。同理，直管的局部阻力系數有時也會岀現負值。但是，直管和支管二者有得有失，能量總是處于平衡，不可能同時為負值。引射過程會有能量損失，為了減小三通的局部阻力，應盡量避免出現引射現象。在設計時應使支管和直管的流速盡量接近。

（3）管道布置時應盡量采取直線，減少彎管，或者用弧彎代替直角彎。彎管的阻力系數在一定范圍內隨曲率半徑的增大而減小，圓形風管彎管的曲率半徑一般應大于1~2倍管徑；矩形風管彎管斷面的長寬比愈大，阻力愈小，其曲率半徑一般為當量直徑的6~12倍。對于斷面大的彎管，可在彎管內部布置一組導流葉片以減小漩渦區和二次流。

（4）氣流進入風管時，由于產生氣流與管道內壁分離和渦流現象造成局部阻力。氣流從風管出口排出時，其在排出前所具有的能量全都損失。當出口處無阻擋時，此能量損失在數值上等于出口動壓，當有阻擋（如風帽、網格、百葉）時，能量損失將大于出口動壓，就是說局部阻力系數會大于1。因此，只有與局部阻力系數大于1的部分相對應的阻力才是出口局部阻力（即阻擋造成），等于1 的部分是出口動壓損失。為了降低出口動壓損失，有時把出口制作成擴散角較小的漸擴管，ζ值會小于1。應當說明，這是相對于擴展前的管內氣流動壓而言的。

三、均勻送風和靜壓復得法設計

1. 均勻送風

根據工業與民用建筑的使用要求，通風和空調系統的風管有時需要把等量的空氣，沿風管側壁的成排孔口或短管均勻送出。如圖2.9-5所示，空氣在風管內流動，若在風管的側壁開孔，則有氣流流出。若風管內的流速為vd，動壓為pd，靜壓（垂直作用于管壁）為pj，有：

對于斷面不變的矩形送（排）風管，采用條縫形風口送（排）風時，風口上的速度分布如圖2.9-6所示。若定義送風側和吸風側為始端：1）送風管上，從始端到末端管內流量不斷減小，動壓相應下降（下降值大于阻力損失），靜壓增大，使條縫口出口流速不斷增大；2）在排風管上則是相反，末端靜壓最小，因流量最小，所以動壓也最小；越接近始端動壓越大，因全壓的絕對值也應增加，所以靜壓下降的幅度更大，管內外壓差增大，條縫口入口流速不斷增大。

以截面1，2為例：

對于送風管段：Pj1=50Pa，Pd1=40Pa，Pq1=90Pa；Pj2=57Pa，Pd2=29Pa，Pq2=86Pa，△p12=4Pa

動壓減小的值復得了靜壓11Pa，除克服12間阻力4Pa，還使得2斷面靜壓增加了7Pa。由于2斷面的靜壓增加，導致靜壓流速增加。

對于排風管段：Pj1=﹣65Pa，Pd1=40Pa，Pq1=﹣25Pa；Pj2=﹣50Pa，Pd2=29Pa，Pq2=﹣21Pa，△p12=4Pa

（1）要實現均勻送風，可采取以下措施：

1）送風管斷面積F和孔口面積f0不變時，管內靜壓會不斷增大，可根據靜壓變化，在孔口上設置不同的阻體，使不同的孔口具有不同的壓力損失（即改變流量系數）。

2）孔口面積f0和μ值不變時，可采用錐形風管改變送風管斷面積，使管內靜壓基本不變（控制動壓的減小）。

3）送風管斷面積F及孔口μ值不變時，可根據管內靜壓變化，改變孔口面積f0（靜壓大則要求f0小）。

4）增大送風管斷面積F，減小孔口面積f0。（類似于靜壓箱原理）

（2）實現均勻送風的基本條件

對側孔面積f0保持不變的均勻送風管，要使各側孔的送風量保持相等，必須保證各側孔的靜壓pj和流量系數μ相等；要使出口氣流盡量保持垂直，要求出流角α接近 90°。

1）保持各側孔靜壓相等

兩側孔靜壓保持相等的條件是兩側孔間的動壓降等于其間的壓力損失，即：

Pd1－Pd2=(Rl＋Z)1-2=△p1-2 卓旗式2.9-15

2）保持各側孔流量系數μ相等

流量系數μ與孔口形狀、出流角α及孔口流出風量與孔口前風量之比有關。

3）增大出流角

風管中的靜壓與動壓之比值愈大，氣流在孔口的出流角α也就愈大，出流方向接近垂直；比值減小，氣流會向一個方向偏斜，這時即使各側孔風量相等，也達不到均勻送風的目的。要保持α≥60°，必須使pj/pd≥3.0（vj/vd≥1.73）。在要求高的工程，為了使空氣出流方向垂直管道側壁，可在孔口處安裝垂直于側壁的擋板，或把孔口改成短管。

（3）側孔送風時通路（直通部分）局部阻力系數和側孔局部阻力系數（或流量系數）

通常把側孔送風的均勻送風管看作是支管長度為零的三通，當空氣從側孔送出時，產生兩部分局部壓力損失，即直通部分的局部壓力損失和側孔出流時的局部壓力損失。

直通部分的局部阻力系數可由表2.9-6查出，表中數據由實驗求得，表中ζ值對應側孔前的管內動壓。從側孔或條縫口出流時，孔口的流量系數可近似取0.60~0.65。

卓旗表2.9-6空氣流過側孔直通部分的局部阻力系數（摘自三版表2.7-6）

L0/L

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

~1

ζ

0.15

0.05

0.02

0.01

0.03

0.07

0.12

0.17

0.23

0.29

0.35

2. 靜壓復得法

一般將風道內風速小于15m/s的風道稱為低速風道，由于風速低，與風機產生的主噪聲源相比，風道系統產生的氣流噪聲可以忽略不計，廣泛應用于民用建筑通風空調系統。風道內風速大于或等于15m/s時稱為高速風道，高風速帶來風道系統的氣流噪聲必須采取有效的處理，但可以縮小風道尺寸，節約建筑空間和材料初投資。靜壓復得法用于高速和高壓系統的風管設計計算，其原理是利用兩個出風口之間的動壓降低復得靜壓，用于克服該段風管的阻力，可以保證風口處的靜壓相等。采用靜壓復得法進行風道設計，有利于減小風機動力消耗和噪聲。實際上由于出風口有阻力損失，動壓的降低值不可能100%轉化為靜壓。

下面以一示例展示風管系統的壓力分布及靜壓復得法的應用。

一通風系統進風口A斷面的阻力損失為△p0=5Pa，進風段AB的阻力損失為△px=10Pa，風機的全壓為P=135Pa，送風段AB的阻力損失為△p1=15Pa，△p1=20Pa，△p1=25Pa。則各斷面的壓力分布見圖，D，E，F斷面送風，因其靜壓均為60Pa，所以當送風口面積及流量系數一致則可實現均勻送風。

3. 槽邊排風罩的楔形條縫口

在槽邊罩的應用中，為使條縫口的速度分布均勻可采取楔形條縫的方法。值得注意的是，此處是條縫口的速度分布均勻而不是風量，控制條縫口速度分布均勻的目的是在控制點造成一致的控制風速。由于遠端的靜壓風速小于始端的靜壓風速（遠端靜壓絕對值小于始端靜壓的絕對值），所以調整條縫的高度，如此始端的高度小于遠端，始端條縫口的局部阻力系數大于遠端，流量系數則是小于遠端，從而條縫口的風速v0=μvj保持一致。

全文完！

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