第二章 空气流动基本原理 主要研究空气流动过程中宏观力学参数的变化规律以及能量的转换关系。 内容： 第二章 空气流动基本原理 主要研究空气流动过程中宏观力学参数的变化规律以及能量的转换关系。 内容： 风流压力、风流流动方程、通风阻力、通风网络中风流的基本定律、简单通风网络特性、自然通风原理、风道压力分布、局部通风进出口风流运动规律、置换通风原理等内容。

本章学习目标 1.掌握风道流动的空气静压、位压、动压、全压的概念及其相应关系 2.掌握空气流动的连续性方程和能量方程 3.掌握紊流状态下的摩擦阻力、局部阻力的计算 4.了解风流流态与风道断面的风速分布 5.掌握通风网络中风流的基本定律和简单通风网路特性 6.掌握自然风压的计算方法 7.了解风道通风压力分布 8.了解吸入口与吹出口气流运动规律 9.掌握均匀送风与置换通风方式的原理

第一节 风流压力 风流压力：单位体积空气所具有的能够对外做功的机械能。 一、静压 1.概念 第一节 风流压力 风流压力：单位体积空气所具有的能够对外做功的机械能。 一、静压 1.概念 由分子热运动产生的分子动能的一部分转化的能够对外做功的机械能叫静压能，用Ep表示（J/m3）。 当空气分子撞击到器壁上时就有了力的效应，这种单位面积上力的效应称为静压力，简称静压，用p表示（N/m2，即Pa） 工业通风中，静压即单位面积上受到的垂直作用力。

2.特点 （1）无论静止的空气还是流动的空气都具有静压力。 （2）风流中任一点的静压各向同值，且垂直作用面。 （3）风流静压的大小（可用仪表测量）反映了单位体积风流所具有的能够对外做功的静压能的多少。 3.表示方法 （1）绝对静压：以真空为测算零点（比较基准）而测得的压力，用p表示。 （2）相对静压：以当地当时同标高的大气压力为测算基准（零点）而测得的压力，即表压力，用h表示。

图2-1-1 绝对静压、相对静压和大气压之间的关系 P0 B A PA P PB hA(+) hB(-) 真空 (0) 图2-1-1 绝对静压、相对静压和大气压之间的关系

风流的绝对静压（p）、相对静压（h）和与其对应的大气压（p0）三者之间的关系（见图2-1-1）： h= p - p0 二、动压 1.概念 当空气流动时，除位压和静压外，还有空气定向运动的动能，用Ev表示，J/m3；其单位体积风流的动能所转化显现的压力叫动压或称速压，用hv表示，单位Pa。

2.计算 设某点的空气密度为ρi（kg/m3），其定向运动的流速即风速为i（m/s），则单位体积空气所具有的动能为： ，J/m3 Evi对外所呈现的动压 ，Pa

3.特点 （1）只有做定向流动的空气才具有动压，因此动压具有方向性。 （2）动压总大于零。当作用面与流动方向有夹角时，其感受到的动压值将小于动压真值。故在测量动压时，应使感压孔垂直于运动方向。 （3）在同一流动断面上，由于风速分布的不均匀性，各点的风速不相等，所以其动压值不等。 （4）某断面动压即为该断面平均风速计算值。

三、位压 1.概念 单位体积风流对于某基准面而具有的位能，称为位压，用hz表示。 物体在地球重力场中因地球引力的作用，由于位置的不同而具有的一种能量，叫重力位能，简称位能，用Ep0表示。 Ep0=MgZ , J

a b Pi Z12 2 1 图2-1-2 位压计算图

2.计算 在图2-1-2所示的井筒中，求1-1、2-2两断面之间的位压，取2-2点为基准面（2-2断面的位能为零）。按下式计算1-1、2-2断面间位压： ,J/m3 此式是位压的数学定义式。即两断面间的位压的数值就等于两断面间单位面积上的空气柱重量的数值。

3.位压与静压的关系 当空气静止时（v=0），如图2-1-2的系统。由空气静力学可知，各断面的机械能相等。设2-2断面为基准面， 1-1断面总机械能 E1=Ep01 + p1 2-2断面总机械能 E2=Ep02 + p2 由E1=E2得： Ep01 + p1 = Ep02 + p2 由于Ep02 =0（以2-2断面为基准面）， Ep01 =ρ12gZ12，又得 p2= Ep01 + p1 = ρ12gZ12 + p1 此即空气静止时，位压与静压之间的关系。

4.位压的特点 （1）位压是相对某一基准面具有的能量，它随所选基准面的变化而变化。 （2）位压是一种潜在的能量，不能像静压那样用仪表进行直接测量。 （3）位压和静压可以相互转化，当空气由标高高的断面流至标高低的断面时，位压转化为静压；反之，当空气由标高低的断面流至标高高的断面时，静压转化为位压。

四、风流的全压和机械能 1.风流的全压 风流中某一点的动压和静压之和称为全压。 全压也分为绝对全压（pt）和相对全压（ht）。 在风流中某点i的绝对全压均可用下式表示 pti = pi + hvi 式中 pti——风流中i点的绝对全压，Pa； pi——风流中i点的绝对静压，Pa； hvi——风流中i点的动压，Pa。 由上式可知，风流中的任一点的绝对全压恒大于绝对静压；相对全压有正负之分，与通风方式有关。

2.单位体积风流的机械能 根据能量的概念，单位体积风流的机械能为单位体积风流的静压能、动能、位能之和，因此，从数值上来说，单位体积风流的机械能E等于静压、动压和位压之和，或等于全压和位压之和，即 E = pi + hvi + hZ 或 E = pti + hZ

第二节 风流流动基本方程 包括风流流动的连续性方程和能量方程。 第二节 风流流动基本方程 包括风流流动的连续性方程和能量方程。 本节主要介绍工业通风中空气流动的压力和能量变化规律，导出风道风流流动的连续性方程和能量方程。 一、风流流动连续性方程 风流在风道中的流动可以看作是稳定流（流动参数不随时间变化的流动）。质量守恒定律 当空气从风道的1断面流向2断面，且做定常流动时（即在流动过程中不漏风又无补给），则两个过流断面的空气质量流量相等，即 ρ11S1 = ρ22S2

任一过流断面的质量流量为Mi（kg/s），则 Mi = const 这就是空气流动的连续性方程，适用于可压缩和不可压缩流体。 （1）可压缩流体 当S1=S2时，空气的密度与其流速成反比。 （2）不可压缩流体（密度为常数） 其通过任一断面的体积流量Q（m3/s）相等，即 Q = iSi =const 风道断面上风流的平均流速与过流断面的面积成反比。

二、风流流动能量方程 风流在图2-2-1所示的风道中由1断面流至2断面，其间无其他动力源。设1kg空气克服流动阻力消耗的能量为LR(J/kg），周围介质传递给空气的热量为q（J/kg）；设1、2断面的参数分别为风流的绝对静压p1、p2（Pa），风流的平均流速1、2（m/s）；风流的内能u1、u2（J/kg）；风流的密度ρ1、ρ2（kg/m3）；距基准面的高度Z1、Z2（m）。 2 1 Z1 Z2 图2-2-1 倾斜风道示意图

在1断面下，1kg空气具有的能量为 到达2断面时的能量为 根据能量守恒定律， 式中 qR ——风流克服通风阻力消耗的能量后所转化的热 能，J/kg。

根据热力学第一定律，传给空气的热量（qR+q），一部分用于增加空气的内能，一部分使空气膨胀对外做功，即 式中，v——空气的比体积，m3/kg。 又因为： 将上两式代入前面的公式，并整理可得 ,J/kg 此即单位质量可压缩空气在无其他动力源的风道中流动时能量方程的一般形式。

进一步可求得： ，J/kg 此即单位质量可压缩空气在无其他动力源的风道中流动时的能量方程。 同理，如有其他动力源并产生风压Lt，则单位质量可压缩空气能量方程为：

设1m3空气流动过程中的能量损失为hR（Pa），则由体积和质量的关系，其值为1kg空气流动过程中的能量损失（LR）乘以按流动过程状态考虑计算的空气密度ρm ，即 hR=LRρm 将上式代入前面的式子，可得 ，J/m3。单位体积可压缩空气的能量方程（无其他动力源） ,J/m3。单位体积可压缩空气的能量方程（有其他动力源）

式中， p1 - p2 ——静压差； gρm(Z1-Z2)或 ——为1、2断面的位压差； ——是1、2断面的速压差。 上式的物理意义为：1m3空气在流动过程中的能量损失等于两断面间的机械能差。

三、使用单位体积流体能量方程的注意事项 1.由于风道断面上风速分布的不均匀性和测量误差，从严格意义上讲，用实际测得的断面平均风速计算出来的断面总动能和断面实际总动能是不等的。实际测得的断面平均风速计算出来的断面总动能应乘以动能系数加以修正。 动能系数Kv是断面实际总动能与用实际测得的断面平均风速计算出来的总动能的比值，计算式为： 式中，vl为断面S上微小面积dS的风速。 Kv值一般为1.02~1.1。在实际工业通风应用中，可取Kv=1。

2.在工业通风中，一般其动能差较小，式中ρm可分别用各自断面上的密度来代替，以计算其动能差。 3.风流流动必须是稳定流，即断面上的参数不随时间的变化而变化，所研究的始、末断面要选在缓变流场上。 4.风流总是从总能量（机械能）大的地方流向总能量小的地方。在判断风流方向时，应用始、末两断面上的总能量来进行。 5.在始、末断面有压源时，压源的作用方向与风流的方向一致，压源为正，说明压源对风流做功；反之，则为通风阻力。 6.单位质量或单位体积流量的能量方程只适用于1、2断面间流量不变的条件，对于流动过程中有流量变化的情况，应按总能量的守恒定律列方程。

第三节 通风阻力 通风阻力是当空气沿风道运动时，由于风流的黏滞性和惯性以及风道壁面等对风流的阻滞、扰动作用而形成的，它是造成风流能量损失的原因。 通风阻力包括摩擦阻力（沿程阻力）和局部阻力。 一、风流流态与风道断面风速分布 1.管道风流流态 层流：在流速较低时，流体质点互不混杂，沿着与管轴方向平行的方向做层状运动，称为层流（或滞流）。 紊流：在流速较大时，流体质点的运动速度在大小和方向上都随时发生变化，成为相互混杂的紊乱流动，称为紊流（或湍流）。

管道内流动的状态的变化，可用无量纲雷诺数来表征 式中 v——气流速度，m/s； D——管道直径，m； ρ——气体密度，kg/m3； µ——气体动力黏度，Pa·S。 流体在直圆管内流动时，流动状态的变化： Re<2320（下临界雷诺数）：层流； 2320<Re<4000：不稳定的过渡区； Re>4000（上临界雷诺数）：紊流。 实际工程计算中，以Re=2300作为管道流动流态的判定准数，即： Re<2300 层流； Re>2300 紊流。

抛物线 vc 指数曲线 vc （b）紊流 （a）层流 图2-3-1 风流流态与风道断面风速分布示意图

2.风道断面风速分布 层流流态的风流，断面上的流速分布为抛物线形，中心最大速度v0为平均流速的2倍（图2-3-1）。 紊流状态下，管道内流速的分布取决于Re的大小。距管中心r处的流速与管中心（r=0）最大流速v0的比值服从于指数定律（图2-3-1） 。 式中 r0——管道半径； n——取决于Re的指数：当Re=50000时，n=1/7； Re=200000时，n=1/8； Re=2000000时，n=1/10。

设断面上任一点风速为vi，则风道断面的平均风速v为 式中，S为断面面积， 即为通过断面S上的风量Q，则 Q = vS 断面上平均风速v与最大风速vmax的比值称为风速分布系数（速度场系数），用kv表示 其值与风道粗糙度有关。风道壁面愈光滑，该值愈大，即断面上风速分布愈均匀。

二、一般管道通风摩擦阻力及计算 圆形风道的摩擦阻力hr可按下式计算： ，Pa 式中 λ——摩擦阻力无量纲系数； v——风道内空气的平均流速，m/s； ρ——空气的密度，kg/m3； L——风道长度，m； D——圆形风道直径，m。 如将风道长度为1m摩擦阻力称为比摩阻，并以hb表示，则 ，Pa/m

当量直径：指以与非圆形风道有相等比摩阻值的圆形风道直径。分为流速当量直径和流量当量直径两种，工程中一般用流速当量直径De计算。 流速当量直径：假想一圆形风道中的空气流速与矩形风道的空气流速相等，且单位长度摩擦阻力（比摩阻）也相等，计算出的圆形风道直径。可得流速当量直径De与断面积S、断面周长U的关系为： 对于不同形状的通风断面，其周长U与断面面积S的关系： 式中，C——断面形状系数（梯形C=4.16，三心拱C=3.85，半圆拱C=3.90）。

摩擦阻力无量纲系数λ与风道内空气的流动状态和管壁的粗糙度有关。 管壁的粗糙度分为绝对粗糙度K和相对粗糙度K/D。 1.当流动处于层流区、层流紊流过渡区、紊流光滑区，即 时，λ主要与Re有关，与K/D无明显关系； 2.当流动处于紊流光滑区向紊流粗糙区过渡时，即Re介于两者之间时，λ主要与Re、K/D均有关系； 3.当流动处于阻力平方区（紊流粗糙区）时，即 时，λ只与K/D有关。

对于流动为紊流光滑区向阻力平方区过渡时的摩擦阻力无量纲系数λ，中国于1976年编制的《全国通用通风管道计算表》采用的公式为： 式中 K——风道内壁的当量绝对粗糙度，mm； D——风道直径，mm。

在实际通风系统中，风道直径很小、表面粗糙的砖、混凝土风道内和隧道及地下风道的流动状态属于阻力平方区；除此以外，一般的通风管道的空气流动状态大多属于紊流光滑区到紊流粗糙区之间的过渡区。 在设计通风管道时，为避免繁琐的计算，可根据前面的公式制成各种表格或线算图。《全国通用通风管道计算表》即是一种表格形式。图2-3-2则是根据上述公式得到的线算图，适用于K=0.15mm薄钢板风道。

工程计算中还常用一些简化公式，如 运用线算图或计算表，只要已知流量、管径、流速、阻力四个参数中的任意两个，即可求得其余两个参数。 必须指出：各种线算图或计算表格，都是在一些特定的条件下作出的，使用时必须注意。

当实际条件与图表条件相差较大时，应加以修正。修正的内容主要有以下三类： （1）粗糙度的修正 当风道内壁的粗糙度K≠0.15mm时，可先由图2-3-2查出hb0，再近似按下式修正： ，Pa/m 式中 hb——实际比摩阻，Pa/m； hb0——图上查出的比摩阻，Pa/m； Kr——风道内壁粗糙度修正系数； K——风道内壁粗糙度，mm； v——风道内空气流速，m/s。

（2）空气温度和大气压力的修正 按下式修正： ，Pa/m 式中，Kt——温度修正系数，即 t——实际的空气温度，℃； KB——大气压力修正系数，即 B——实际的大气压力，kPa。

Kt和KB也可以直接由图2-3-3查得。从图中可看出，在0~100℃范围内，可近似把温度和压力的影响看作是直线关系。 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 60 70 80 90 100 -50 50 150 t/℃ B/kPa KB Kt B 图2-3-3 温度与大气压的修正系数

【例1】 已知太原市某厂一通风系统采用钢板制圆形风道，风量L=1000 m3/h，管内空气流速v=10 m/s，空气温度t=80℃，求风管的管径和单位长度的沿程损失。（太原市大气压力为91.9 kPa） 解：由线算图查得：D=200 hb0=6.8 Pa/m， 太原市大气压力：B=91.9 kPa 由图2-3-3查得： Kt=0.86， KB=0.92 所以， hb=KtKBhb0=0.86×0.92×6.8=5.38 Pa/m

【例2】 有一钢板制矩形风道，K=0.15 mm，断面尺寸为500×250 mm，流量为L=2700 m3/h，空气温度为t=50℃，求单位长度摩擦阻力损失。 解： 矩形风管内空气流速 = m/s 流速当量直径 = = m 由 =6 m/s， =330 mm，查图2-3-2得：hb0=1.2 Pa/m 由图2-3-3查得：t=50℃时， Kt=0.92 所以 hb=Kthb0=0.92×1.2=1.1 Pa/m

（3）密度和黏度的修正 ，Pa/m 式中 ρ——实际的空气密度，kg/m3； v——实际的空气运动黏度，m2/s。 【例3】 有一表面光滑的砖砌风道（K=3mm），断面尺寸为500×400 mm，流量为L=1 m3/S（3600 m3/h），求单位长度摩擦阻力。

三、阻力平方区通风风道摩擦阻力及计算 对于紊流粗糙区（阻力平方区）的摩擦阻力无量纲系数λ一般采用以下公式 或

在实际通风系统中，紊流粗糙区的风道如为非圆形，在前面计算圆形风道摩擦阻力hr的式子中，用当量直径De代替D，则得到阻力平方区风道的摩擦阻力hr计算式： 因此，对于几何尺寸和风道壁面已定型的紊流粗糙区通风风道，λ之与K/D有关，可视为定值，在标准状态下空气密度为1.2kg/m3，故令 ，摩擦阻力系数，kg/m3或Ns2/m4。

前人通过大量实验和实测所得的、在标准状态（密度为1.2kg/m3）条件下的各类风道的摩擦阻力系数，即标准值α0见附录10。 将α代入摩擦阻力计算公式，可得 若通过风道的风量为Q（m3/s）时，则 对于已定型的风道，L、S、U等为已知，故令 ，风道的摩擦风阻，kg/m7或Ns2/m8

在正常条件下当某一风道中的空气密度一般变化不大时，可将Rr看作是反映风道几何特征的参数。 代入摩擦阻力计算公式，则有 ，Pa 此式就是紊流粗糙区（阻力平方区）下的摩擦阻力定律。即当摩擦风阻一定时，摩擦阻力与风量的平方成正比。

例 某设计地下风道为梯形断面S=8m2，L=1000m，采用工字钢棚支护，支架截面高度d0=14cm，纵口径Δ=5，计划通过风量Q=1200m3/min。预计风道中空气密度ρ=1.25kg/m3，求该段风道的通风阻力。 解：根据所给的d0、Δ、Q值，由附录10查得 α0=284.2×10-4 ×0.88=0.025 Ns2/m4 则 风道实际摩擦阻力系数 Ns2/m4 风道摩擦风阻 Ns2/m8 风道摩擦阻力 Pa

四、局部阻力及其计算 由于风道断面、方向变化以及分岔或汇合等原因，使均匀流动在局部地区受到影响而破坏，从而引起风流速度场分布变化和产生涡流等，造成风流的能量损失，这种阻力称为局部阻力。 1.局部阻力的成因

2.局部阻力及其计算 局部阻力hl一般用动压的倍数来表示 式中，ξ——局部阻力系数，无量纲，通过实验确定。 若通过风道的风量为Q（m3/s）时，则上式变为： 大量实验证明，ξ只取决于局部构件的形状。 令 ，局部风阻 代入上式，有 此即紊流流动下的局部阻力定律。

五、减少通风阻力的措施 h = hr + hl 1.减少通风摩擦阻力措施 （1）减小相对粗糙度； （2）保证有足够大的风道断面； （3）选用断面周长较小的风道； （4）减少风道长度； （5）避免风道内风量过于集中。

2.减少局部通风阻力措施 （1）尽量避免风道断面的突然变化

（2）风流交叉或汇合处连接合理

（3）尽量避免风流急转弯

（4）降低出口流速

（5）风道与风机的连接应当合理 保证气流在进出风机时均匀分布，避免发生流向和流速的突然变化，以减小阻力（和噪声）。

第四节 通风网络中风流的基本定律 通风网络：指若干风流按照各自的风流方向顺序相连而成的网状线路。 第四节 通风网络中风流的基本定律 通风网络：指若干风流按照各自的风流方向顺序相连而成的网状线路。 包括：风量平衡定律、风压平衡定律和通风阻力定律。 一、风量平衡定律 节点：两条风路或两条以上风路的交点。 分支：汇合处每条支风路。 回路：由两条或两条以上首尾相连形成的闭合线路。 根据质量守恒定律，在稳态通风条件下，流入与流出某节点的各分支的质量流量的代数和为零，即 ΣMi=0

在不考虑风流密度变化的情况下，取流入的风量为正，流出的风量为负，则流入与流出某节点或回路的各分支的体积流量（风量）的代数和为零，即 ΣQi=0 1 2 7 8 4 3 5 6 1 5 6 3 2 4 （a） （b） 图2-4-1 风流汇合及回路示意图

如图2-4-1（a）所示，当不考虑风流密度变化时，图中节点4处的风量平衡方程为 Q1-4 + Q2-4 + Q3-4 - Q4-5 - Q4-6 = 0 对于图2-4-1（b）所示闭合回路的情况，同样有 Q1-2 + Q3-4 = Q5-6 + Q7-8 或者 Q1-2 + Q3-4 - Q5-6 - Q7-8 = 0

二、风压平衡定律 若任何一回路中没有附加动力，根据能量平衡定律，则不同方向的风流的风压或通风阻力必然平衡或相等。 对于图2-4-1（b），可得 h2-4 + h4-5 + h5-7 = h2-7 取顺时针方向的风压为正，逆时针方向的风压为负，则 h2-4 + h4-5 + h5-7 - h2-7 = 0 对于任何一回路，则有 式中，hi为第i段分支的风压或阻力。

风压平衡定律：没有附加动力回路中，不同方向的风流，其风压或阻力代数和等于零。 若回路中有附加动力，则其风压或阻力代数和等于附加动力产生风压的代数和。即 式中，HJ为附加动力产生风压的代数和。

三、通风阻力定律 1.阻力平方区流动的摩擦阻力定律：风流流动处于紊流粗糙区时，如摩擦风阻一定，摩擦阻力与风量的平方成正比。 hr = RrQ2 2.紊流流动局部阻力定律：紊流流动下，如局部风阻一定，局部阻力与风量的平方成正比。 hl = RlQ2 3.将上两式相加，则得出阻力平方区流动总阻力定律。 令h=hr+hl为某通风系统分支的通风总阻力；R=Rr+Rl为某通风系统的通风总风阻，则有： h = RQ2 此即紊流粗糙区流动总阻力定律。

第五节 简单通风网路特性 一、通风网路基本形式 1.串联风路 由两条或两条以上分支彼此首尾相连，中间没有风流分汇点的线路。 2.并联风路 第五节 简单通风网路特性 一、通风网路基本形式 1.串联风路 由两条或两条以上分支彼此首尾相连，中间没有风流分汇点的线路。 2.并联风路 由两条或两条以上具有相同始节点和末节点的分支所组成的通风网路。 3.角联风路 内部存在角联分支的通风网路。 角联分支：位于通风网路的任意两条有向通路之间、且不与两通路的公共节点相连的分支。 简单角联风路；复杂角联风路。

4.复杂风路 以上三种均为简单风路，至少包含以上两种或以上简单风路的通风网路称为复杂风路。 二、串联风路特性 1.总风量等于各分支的风量 即： M1=M2=M3=…=Mn 当各分支的空气密度相等时，或将所有风量换算为同一标准状态的风量后， Q1=Q2=Q3=…=Qn 2.如系统中无位能差和附加通风动力，则总风压（阻力）等于各分支风压（阻力）之和。 hs=h1+h2+…+hn=

3.阻力平方区流动的总风阻等于各分支风阻之和。 即 绘制阻力平方区流动的串联风路等效阻力特性曲线，方法如下图：

串联风路等效阻力特性曲线 “风量相等，阻力叠加”

三、并联风路特性 1.总风量等于各分支的风量之和 即 当各分支的空气密度相等时，或将所有风量换算为同一标准状态的风量后， 2.如系统中无位能差和附加通风动力，总风压等于各分支风压 Q1=Q2=Q3=…=Qn 注意：当各分支的位能差不相等，或分支中存在风机等通风动力时，并联分支的阻力并不相等。

3.阻力平方区流动并联风路总风阻与各分支风阻的关系 即 4.并联风路的风量分配 若已知并联风路的总风量，在不考虑其他通风动力及风流密度变化时，可由下式计算出分支i的风量 即分支风量取决于总风阻与该分支风阻之比。

并联风路等效阻力特性曲线 “阻力相等，风量叠加”

四、阻力平方区流动角联风路特性 在角联风路中，角联分支的风向取决于其始末节点间的压能差。 通过改变角联分支两侧的边缘分支的风阻，来改变角联分支的风向。 对于图2-5-1（C），推导出如下角联分支风流方向判别式

由该判别式可以看出，简单角联风路中角联分支的风向完全取决于边缘风路的风阻比，而与角联分支本身的风阻无关。 角联分支一方面具有容易调节风向的优点，另一方面又有出现风流不稳定的可能性。

第六节 自然通风及火灾烟气流动原理 自然通风：由有限空间内外空气的密度差、大气运动、大气压力差等自然因素引起有限空间内外空气能量差，促使有限空间的气体流动并与大气交换的现象。 自然通风动力（自然风压）：促使有限空间内气体流动的能量差。 自然通风的应用： （1）单层工业厂房 （2）多层或高层工业建筑中的热车间 （3）特种（殊）建筑物、构筑物及容器 （4）各类建筑物中的防排烟系统

一、自然通风的产生 例1：烟囱内外密度差形成（烟囱效应） 例2：工业厂房密度差形成

例3：矿井密度差形成的自然通风

例4：大气运动形成的自然通风

二、自然风压的计算 1.密度差形成的自然风压计算 根据自然风压定义，图2-6-2所示系统的自然风压HN可用下式计算 式中 Z——与大气温度或密度不等的有限空间高度，m； g——重力加速度，m/s2； ρ1、ρ2——分别为图2-6-2中0-1-2和5-4-3空间的dZ段空气密度，kg/m3。 分别以空气密度平均值ρm1、ρm2代替ρ1、ρ2后，简化可得：

2.大气运动（风压）形成的自然风压计算 风向一定时，建筑物外表面上某一点的风压大小和室外气流的动压成正比，HN可用下式表示 式中 A——空气动力系数；（为正，该点风压为正） vw——室外空气流速，m/s； ρm——室外空气密度，kg/m3。 穿堂风 3.密度差与大气运动（风压）合成的自然风压计算

三、自然风压的影响因素 1.密度差形成的自然风压的影响因素 可用下式来表示 （1）温度差 影响气温差的主要因素是大气气温和风流与有限空间内的热交换。 （2）空气成分和湿度 （3）与大气温度或密度不等的有限空间高度 （4）大气压力

2.大气运动（风压）形成自然风压的影响因素 （1）室外空气风速 （2）室外温度T、大气压p和相对湿度φ （3）建筑物形状、风向 在实际通风设计中，自然通风仅以密度差形成自然风压作用计算。

四、火灾烟气流动基本原理 1.火灾烟气的成分和危害性 燃烧分为两个阶段：热分解过程和燃烧过程。 火灾烟气：指火灾时各种物质在热分解和燃烧作用下生成的产物与剩余空气的混合物，是悬浮的固态粒子、液态粒子和气体的混合物。 烟气的危险性： （1）毒害性 （2）遮光作用 （3）高温危害

2.促使地面建筑物烟气流动的主要因素 （1）烟囱效应 （2）气体热膨胀 （3）大气运动风力 （4）通风空调系统

第七节 风道通风压力(能量)分布及分析 一、水平风道通风压力（能量）分布及分析 通风机-水平风道通风系统 第七节 风道通风压力(能量)分布及分析 一、水平风道通风压力（能量）分布及分析 通风机-水平风道通风系统 如图2-7-1所示，以纵坐标为压力（相对压力或绝对压力），横坐标为风流流程，作出压力（能量）分布线。

从图中可以看出： （1）由于风道水平，各断面间无位能差，任意两断面间的通风阻力等于两断面的全压损失（全压差）（5-6段除外）。 （2）绝对全压（相对全压）沿程逐渐减小；绝对静压（相对静压）沿程分布随动压的大小变化而变化。在全压一定的条件下，风流的静压和动压可以相互转化，故静压坡度线是沿程起伏变化的。 （3）风机的全压Ht等于风机进、出口的全压差，或等于风道的总阻力及出口动压损失之和。 Ht = pt5 – pt6 Ht = h0-12 + hv12 即通风机全压是用以克服风道阻力和出口动能损失。

将通风机用于克服风道阻力的那一部分能量叫通风机的静压Hs，则有 Hs = h0-12 = Ht - hv12 （4）风机吸入段的全压和静压均为负值，在风机入口处负压最大；风机压出段的全压均是正值，在风机出口处全压最大。而压出段的静压则不一定。 （5）各并联分支的阻力总是相等。

二、包含非水平风道通风压力（能量）分布及分析 图2-7-2为简化的包含非水平风道的地下通风系统。

1.风流压力（能量）分布线的绘制 设若干测点，即1、2、3、4点，测出各点的绝对静压、风速、温度、湿度、标高等参数；然后以最低水平2-3为基准面，计算出各断面的总压能；再选择坐标系和适当的比例，以压能为纵坐标，风流流程为横坐标，把各断面的静压、动压和位能描在图2-7-3的坐标系中，即得1、2、3、4断面的总能量，分别用a、b、c、d点表示，以a1、b1、c1、d1分别表示各断面的全压，其中b、c和b1、c1重合； a2、b2、c2、d2点分别表示各断面的静压；最后在压力（纵坐标）-风流流程（横坐标）坐标图上描出各测点，将同名参数点用折线连接起来，即得1-2-3-4流程上的压力（能量）分布线，如图2-7-3所示。

2.包含非水平风道风流压力（能量）分布分析 （1）全能量沿程逐渐下降，通风阻力等于断面上全能量的下降值；全能量坡度差的坡度反映了流动路线上的通风阻力分布状况。 （2）绝对全压和绝对静压坡度线的变化与全能量坡度线的变化不同，其坡度线变化有起伏。 （3）位能差（Ep01—Ep04）是自然风压（HN），自然风压和通风机全压共同克服风道通风阻力和出口动能损失。

第八节 局部通风进出口气流运动规律 与均匀送风原理 第八节 局部通风进出口气流运动规律 与均匀送风原理 一、吸入口气流运动规律

吸气口附近形成负压 位于自由空间的点汇吸气口【图2-8-1(a)】的吸气量Q为 式中，v1、v2——分别为点1和点2的空气流速，m/s； r1、r2——分别为点1和点2至吸气口的距离，m。 若在吸气口四周加上挡板【图2-8-1(b)】,吸气气流受到限制，吸气量为

由上式可以看出，点汇吸气口外某一点的空气流速与该点至吸气口距离的平方成反比，且随吸气口吸气范围的减小而增大。 图2-8-2为通过实验求得四周无法兰边和四周有法兰边的圆形吸气口的速度分布图。

实验结果也可用式（2-8-4）和式（2-8-5）表示： 对于四周无法兰边的圆形吸气口， 对于四周有法兰边的圆形吸气口， 式中，v0——吸气口的平均流速，m/s； vx——控制点上必需的气流速度即控制风速，m/s； x——控制点至吸气口的距离，m； F——吸气口面积，m2。 （2-8-4） （2-8-5）

对于宽长比不小于1：3的矩形吸气口，上两式也适用。 但上两式仅适用于x≤1.5d的场合，当x>1.5d时，实际的速度衰减要比计算值大。 二、吹出口气流运动规律 空气从吹气口吹出，在空间形成一股气流称为吹出气流或射流。根据空间界壁对射流的约束条件，射流又分为自由射流（吹向无限空间）和受限射流（吹向有限空间）；按射流内部温度的变化情况，可分为等温射流和非等温射流。

1.自由淹没射流 图2-8-3所示为自由淹没射流的流动图，

具有如下特点： （1）出现并发展边界层 （2）全流场或局部流场气流参数分布具有自模性 （3）与吸气口比，轴向速度衰减慢，流场中横向分速可被忽略。 等温自由紊流（圆）射流的轴心速度vx、横断面直径dx、起始段长度ln的计算公式为 （2-8-6）

2.附壁受限射流 当射流边界的扩展受到房间边壁的影响时，就称为受限射流（或有限空间射流）。当射流断面面积达到有限空间横断面面积的1/5时，射流受限，成为有限空间射流。

若以附壁射流为基础，将无量纲距离定为 或 式中，Sn是垂直于射流的空间断面面积。 当 时，射流的扩散规律与自由射流相同，并称 的断面为第一临界断面。 当 时，射流扩散受限，射流断面与流量增加变缓，动量不再守恒，且到 时射流流量最大，射流断面在稍后处亦达最大，称 的断面为第二临界断面。 （2-8-7）

三、均匀送风原理 均匀送风：指通风系统的风道把等量的空气沿风道侧壁的成排孔口或短管均匀送出。 静压差产生的流速为 空气在风道内的流速为 式中 pj——风道内空气的静压； pd——风道内空气的动压。 设孔口实际流速为v，孔口出流与风道轴线间的夹角为α，则它们与孔口面积f0、孔口在气流垂直方向上的投影面积f、静压差产生的流速vj有如下关系 （2-8-8） （2-8-9） （2-8-10）

则，孔口出流流量为 从上式可以看出，要使各侧孔的送风量保持相等，必须保证各侧孔 相等，下面为实现的途径： 1.保持 和 均相等 （1）保持各侧孔流量系数 相等，出流角α尽量大 （2）保持各侧孔 相等，三种实现途径 a.各侧孔孔口面积f0相等，风道断面变化保持各侧孔静压pj相等。 （2-8-11）

b.风道断面相等，各侧孔孔口面积f0变化使得 相等 c.同时变化风道断面、各侧孔孔口面积f0，使得 相等 2. 变化， 也随之变化

【例 6. 4】如下图所示的薄钢板圆锥形侧孔均匀送风道。总送风量为7200 m3/h，开设6个等面积的侧孔，孔间距为1 【例 6.4】如下图所示的薄钢板圆锥形侧孔均匀送风道。总送风量为7200 m3/h，开设6个等面积的侧孔，孔间距为1.5 m，试确定侧孔面积、各断面直径及风道总阻力损失。 均匀送风管道

解 1．计算静压速度 和侧孔面积 设侧孔平均流速 =4.5 m/s，孔口流量系数 =0.6，则侧孔静压流速 = m/s 侧孔面积 m2 取侧孔的尺寸高×宽：250×300 mm

2．计算断面1处流速和断面尺寸 由 ≥60°，即 ≥1.73的原则确定断面1处流速 = m/s 取 =4 m/s，断面1动压 = Pa 断面1直径 m

由风量L=6000 m3/h，近似以 =800 mm作为平均直径，查线算图得 =0.14 Pa/m 沿程损失 Pa 3．计算管段1～2的阻力损失 由风量L=6000 m3/h，近似以 =800 mm作为平均直径，查线算图得 =0.14 Pa/m 沿程损失 Pa 空气流过侧孔直通部分的局部阻力系数 局部损失 管段1～2总损失 = + =0.21+0.096=0.306 Pa =0.35

4．计算断面2处流速和断面尺寸 根据两侧孔间的动压降等于两侧孔间的阻力可得 Pa 断面2流速 = m/s 断面2直径 m

5．计算管段2～3的阻力 由风量L=4800 m3/h， =730 mm查附录6.1得 =0.14 Pa/m 沿程损失 = =0.14×1.5=0.21 Pa 局部损失 =0.35× Pa 总损失 = + =0.21+0.13=0.34 Pa 6．按上述步骤计算其余各断面尺寸，计算结果见表6.6。

7．计算风道总阻力 因风道最末端的全压为零，因此风道总阻力应为断面1处具有的全压，即 Pa

第九节 置换通风原理与特征 一、置换通风的原理 挤压的原理

二、置换通风的特性 以浮力控制为动力。 具有气流扩散浮力提升、小温差、低风速、送风紊流小、温度/浓度分层、空气品质接近于送风、送风区为层流区的特点。 1.置换通风房间内的自然对流 置换通风的主导气流是依靠热源产生的上升气流及烟羽来驱动房间内的气流流向。

2.置换通风房间的热力分层 置换通风是利用空气密度差在室内形成的由下而上的通风气流。 3.置换通风房间室内空气温度、速度与有害物浓度的分布 温度：底部温度低、上部温度高。 风速：出口约为0.25m/s，随着高度增加风速越来越低。 有害物浓度：上部高，下部低。在1.1m以下的工作区其有害物浓度远低于上部的有害物浓度。

三、置换通风的应用 1.落地式置换通风末端装置在工业厂房的应用

2.落地式置换通风在会议厅的应用 3.架空式置换通风器在办公室的应用

思 考 题 1.风道直径250mm，长15m，风道内空气温度40℃。求维持层流运动的最大流速和相应的摩擦阻力。（计算） 2.有一钢板制矩形风道，其断面尺寸为宽300mm、长600mm，长10m，风道内流过的风量L=4000 m3/h。求风道的总摩擦阻力。 （查图或表） 3．已知某梯形风道摩擦阻力系数α=0.0177 N·s2/m4，风道长L=200m，净断面积S=5m，通过风量Q=720 m3/min，求摩擦风阻与摩擦阻力。？

4．兰州市某厂有一通风系统，风管用薄钢板制作。已知风量L=1500 m3/h（0 4．兰州市某厂有一通风系统，风管用薄钢板制作。已知风量L=1500 m3/h（0.417 m3/s），管内空气流速v=15 m/s，空气温度 t=100℃，求风管的管径和单位长度的沿程损失。 5．一矩形薄钢板风管（K=0.15 mm）的断面尺寸为400mm×200mm，管长8m，风量为0.88 m3/s，在t=20℃的工况下运行，试分别用流速当量直径和流量当量直径计算其摩擦阻力。如果采用矿渣混凝土板（K=1.5 mm）制作风管，再求该风管的摩擦阻力。如果空气在冬季加热至50℃，夏季冷却至10℃，该矩形薄钢板风管的摩擦阻力有何变化？

6.一圆形通风管道系统的局部，大断面直径为600，小断面直径为400m，今在断面变化处测得大小断面之间的静压差为550Pa，大断面的平均动压为100Pa,空气密度为1.2kg/m，求该处的局部阻力系数。

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