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通风·论文

伞形风帽结构尺寸对局部阻力系数影响的试验研究
2017-07-17 | 中国暖通空调网 |【
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任文娟,刘东昊,赵 炬
机械工业第六设计研究院有限公司

[摘 要]本文通过对相关实验的开展,研究了伞形风帽的倒伞形帽锥度β 与伞形帽安装高度对风帽局部阻力系数ζ 的影响。研究结果表明:在实验研究的锥度范围内(108.8°128.9°),随着倒伞形帽锥度的增加,风帽局部阻力系数增大,但整体变化幅度不大;随着伞形帽安装高度H 的增加,风帽的局部阻力系数降低,整体变化趋势呈先急后缓的形态,当伞形帽安装高度H 与风帽通流直径D 的比值H/D 0.5 时,局部阻力系数变化较缓,趋近于最小值。

[关键词]伞形风帽;倒伞形帽锥度β;局部阻力系数ζ;实验研究

在通风系统设计中,排风帽通常会被作为末端设备安装在排风管道出屋面的顶部,用于防止雨水进入排风管道,影响排风系统设备的使用寿命。目前机械通风系统中比较常见的风帽形式有伞形风帽和锥形风帽两种,锥形风帽通常被用于除尘系统和有害气体的高空排放系统的末端风管,因为它的结构设计更有利于风管流出射流的抬升与稀释;伞形风帽适用于无毒无害的机械通风系统,常被用于一般机械通风系统。本文重点研究了伞形风帽的倒伞形帽锥度β 及伞形帽安装高度对风帽局部阻力的影响。

对于伞形风帽而言,倒伞形帽在排气的过程中起到分流和均流的作用,有利于快速稳定排气,目前绝大多数的伞形风帽都有这一结构,本文重点研究了导流锥的锥度对于风帽局部阻力的影响。

无论是利用哪一种风帽形式,排风系统对于风帽防雨性能的要求都会不同程度的阻碍气流的抬升,增加通风系统的阻力[1]。对伞形风帽而言,H/D 是保证风帽防雨性能时需要重点考虑的结构参数,它的值越大,风帽的防雨性能越差;之前不同安装高度风的局部阻力都是通过查表的方式来选取的[2],本文重点研究了图例14K117-2 中标准型风帽在不同H/D 值之下局部阻力的变化规律。

为了表征风帽对于气流局部阻力的影响,引入局部阻力系数ζ 的概念[3–5]

ζ=Pt/Pv=Pt/(ρv2/2 )1

式中:ζ 为风帽局部阻力系数值;Pt 为风帽出口处全压损失(Pa);Pv 为风帽入口处动压(Pa);v 为风管内气流速度(m/s),实验过程控制风速在3.512m/s[6] 的范围内;ρ 为气流密度,取为1.2kg/m3

从公式中可以看到,局部阻力系数ζ 表示的是风帽出口处全压损失与入口动压的比值,其值越大表示风帽对于气流的阻碍作用越明显。

1 实验设置

1.1 实验设备

本次实验的实验装置由调速风机、风速测量装置、3 个倒伞形帽锥度不同的伞形风帽、7 H/D 不同的伞形风帽及其他相关测量仪表和连接管道等组成。实验分两组进行:第1 组测试倒伞形帽锥度对风帽局部阻力系数的影响,有3 个实验对象,共计完成9 种试验工况的测量;第2 组测试风帽结构参数H/D 对于局部阻力系数的影响,实验设置了7 H/D 不同的风帽进行实验。参照资料[4] 中提供的方法搭建实验平台,并校核试验台搭建准确性、密闭性;实验过程中根据文献[4, 7] 给出的方法进行测点布置及相关参数测定;伞形风帽测试装置示意图如图1 中所示。

伞形风帽测试装置示意(注:尺寸标注单位mm)
1 伞形风帽测试装置示意(注:尺寸标注单位mm

实验过程中,按照示意图中指示位置在风管上布置两个测量面,每个测量面上布置5 个测点,具体测点布置如图2 所示。

1 实验中所用到的仪器及相关参数
实验中所用到的仪器及相关参数

测量面毕托管测点位置
2 测量面毕托管测点位置

注:r =0.4D,图中“”表示测点。

1.2 试验原理

试验过程中,测定记录测量面1 全压Pt1、动压Pv1,测量面2 全压Pt2、动压Pv2;试验中近似认为测量面2 到测量面1 与测量面1 至风帽处沿程损失相等,可以根据下面的公式(2)计算测量面1 至风帽处沿程损失Pλ[2]

Pλ=Pt2-Pt1  2

风帽出口处全压损失:

Pt=Pt1-P=2Pt1-Pt23

取风帽入口处动压:

Pv=(Pv1+Pv2)/24

可以根据公式(1)计算风帽的阻力系数ζ

ζ=Pt /Pv=2(2Pt1-Pt2) / (Pv1+Pv2) 5

1.2.1 倒伞形帽锥度对阻力系数影响

选取图集14K117-2 D250 伞形风帽为标准型,风帽具体结构示意图如下图3 所示。实验过程中通过改变H3 的数值来调整倒伞形帽锥度,控制风帽DD1D2HH1H2 等其他主要结构尺寸不变,达到测试倒伞形帽锥度对伞形风帽局部阻力系数ζ 影响的目的。

将下伞形帽锥度记为β,从图3 中可知:

β=2arctan[(D2/2)/H3] 6

实验过程中根据锥度β 的不同将实验对象分别编号,每个实验对象分别测试三种不同风速下的阻力系数。实验对象具体结构参数设置如下表2 中所示。

1 号: 对应《风帽及附件》(14K117-2) 中的D250 伞形风帽,标准型,β=118.3°2 号:1 号参照实验模型,减小锥角,倒伞形帽锥度β=108.8°3 号:1号参照实验模型,增大锥角,倒伞形帽锥度β=128.9°

2 伞形风帽实验对象参数设定
伞形风帽实验对象参数设定

1.2.2 伞形帽安装高度对阻力系数影响

选取表2 1 号标准型风帽的主要结构参数,改变其中H 的高度,控制其他主要结构参数不变,按照下表3 中的参数,设置7 个不同的实验对象,通过实验结果分析H/D 对于风帽局部阻力系数的影响。

圆伞形风帽示意
3 圆伞形风帽示意

注:① 伞形帽;② 倒伞形帽;③ 支撑;④ 法兰。

1.3 试验过程

为了测试倒伞形锥度对伞形风帽局部阻力系数ζ 影响,对表2 中的1 号、2 号、3 号实验对象分别测量风速u1=6, 8m/s, 12m/s 三个风速工况,共计需要完成9 组试验工况的测量,记录实验数据,以备分析。

选取1 号标准型风帽的主要结构参数,按照表3 中的参数设置分别设置7 实验对象,研究H/D 对于风帽阻力系数的影响。整个实验过程中维持风机运行参数不变,保证分别对7 个实验对象测量时风帽入口的风速都是相同的,记录测量面1 与测量面2 的相关实验数据。

3 不同安装高度参数设定
不同安装高度参数设定

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