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        樓梯間正壓送風(fēng)系統(tǒng)管道水力計(jì)算方法的探討

        2022-11-09 12:57:38邱相武
        四川建筑 2022年5期
        關(guān)鍵詞:沿程樓梯間孔口

        邱相武

        (中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司,北京100013)

        火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣是建筑火災(zāi)中人員傷亡的主要因素,不加控制或控制不當(dāng)將導(dǎo)致嚴(yán)重后果。防煙樓梯間是火災(zāi)中人員逃生避免煙氣侵害的生命通道。對(duì)采用機(jī)械加壓送風(fēng)的防煙樓梯間,加壓送風(fēng)量應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求,風(fēng)量太小,不能有效阻擋煙氣侵入,風(fēng)量太大,會(huì)導(dǎo)致疏散門開(kāi)啟阻力過(guò)大,影響人員有效疏散。因此GB51251-2017《建筑防排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[1]對(duì)機(jī)械加壓送風(fēng)防煙系統(tǒng)的加壓送風(fēng)量計(jì)算和防煙樓梯間余壓做了明確規(guī)定。影響加壓送風(fēng)樓梯間風(fēng)量和風(fēng)壓的因素有土建風(fēng)道密閉性能、疏散門縫隙、風(fēng)機(jī)性能等。土建風(fēng)道漏風(fēng)量可通過(guò)土建風(fēng)道施工控制解決,疏散門縫隙漏風(fēng)量可通過(guò)風(fēng)量詳細(xì)計(jì)算確定。影響所選風(fēng)機(jī)性能主要參數(shù)是加壓送風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓,而風(fēng)壓的計(jì)算要通過(guò)對(duì)風(fēng)道的正確水力計(jì)算來(lái)確定。

        GB51251-2017《建筑防排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[1]和《實(shí)用采暖空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[2](以下簡(jiǎn)稱《手冊(cè)》)中對(duì)樓梯間加壓送風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量計(jì)算均作出了比較詳細(xì)的說(shuō)明,設(shè)計(jì)過(guò)程中比較容易把握。但對(duì)樓梯間正壓送風(fēng)管道水力計(jì)算沒(méi)有給出具體算法,實(shí)際設(shè)計(jì)工作中設(shè)計(jì)人員會(huì)根據(jù)個(gè)人理解采用不同算法,常見(jiàn)的有2種算法:

        (1)假設(shè)管道流量為管道進(jìn)口流量不變,進(jìn)行沿程阻力計(jì)算,將該沿程阻力損失作為正壓送風(fēng)管道阻力損失。

        (2)將送風(fēng)口看做分流三通,各風(fēng)口流速相同,直管段局部阻力按分流三通直管段,分段計(jì)算管道阻力,將各段阻力和作為管道阻力損失。

        這2種算法理論上與正壓送風(fēng)管道的孔口出流是有差異的,有時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大誤差。本文從分析樓梯間正壓送風(fēng)管道內(nèi)空氣流動(dòng)物理過(guò)程入手,介紹帶等面積孔口的等斷面近似均勻送風(fēng)管道的算法,并將幾種計(jì)算方法結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,供設(shè)計(jì)人員參考。

        1 正壓送風(fēng)管道流動(dòng)特點(diǎn)分析

        防煙樓梯間的正壓送風(fēng)風(fēng)道一般為土建混凝土風(fēng)道,2~3層設(shè)置一個(gè)送風(fēng)口,一端與加壓送風(fēng)機(jī)相連,另一端封閉。其特點(diǎn)是風(fēng)量大,送風(fēng)斷面尺寸較大。送風(fēng)口尺寸與風(fēng)道界面相對(duì)尺寸較小。為簡(jiǎn)化問(wèn)題做假設(shè):

        (1)用斷面平均風(fēng)速和平均靜壓代替該斷面的流速和靜壓。

        (2)流量系數(shù)、沿程阻力系數(shù)和局部阻力系數(shù)看做常數(shù)。

        (3)疏散口出流僅是由于風(fēng)道中靜壓作用的結(jié)果。

        如圖1所示的正壓送風(fēng)風(fēng)道,管道斷面為A,當(dāng)量直徑為d,長(zhǎng)度為L(zhǎng)??卓跀?shù)為n,單個(gè)孔口面積為σ。管道進(jìn)口流速為ω0。從管道末端向進(jìn)口逆流方向,將孔口編號(hào)。在每個(gè)孔口前面取一個(gè)斷面。第i號(hào)孔口的岀流速度為式(1)。

        圖1 正壓送風(fēng)風(fēng)道

        (1)

        圖2 孔口與流速變化關(guān)系

        2 帶等面積孔口的等斷面近似均勻送風(fēng)管道孔口流速和風(fēng)道壓降[3]

        在圖1所示的正壓送風(fēng)管道中,對(duì)1斷面和i斷面列能量方程式,并認(rèn)為流動(dòng)阻力是由沿程阻力和流過(guò)孔口的直通阻力組成(式2)。

        (2)

        式中:pi為管道在1斷面處的空氣靜壓,(Pa);ω1,ωi,ωk,ωk+1為管道在第1,i,k,k+1斷面處的流速,(m/s);λ為沿程阻力系數(shù);l0為相鄰孔口之間的距離,(m);d為管道直徑(或當(dāng)量直徑),(m);τ為流過(guò)孔口的直通阻力相當(dāng)于突然擴(kuò)大阻力的倍數(shù),根據(jù)理論和實(shí)驗(yàn)研究,τ=0.4。

        (3)

        (4)

        (5)

        根據(jù)連續(xù)性方程式Aω0=nσvc,式中vc為孔口的平均出流速度??傻檬?6):

        (6)

        將式(6)代入式(5)可得式(7)。

        vi=

        (7)

        將根號(hào)展開(kāi)成級(jí)數(shù),可得式(8)。

        (8)

        (9)

        式(9)中未知值為第1號(hào)孔口的出流速度。

        (10)

        (11)

        將i=n和式(10)代入(9)式,可得式(12)。

        (12)

        (13)

        (14)

        管道進(jìn)口處孔口流速的不均勻系數(shù)為式(15)。

        (15)

        (16)

        (17)

        E0即為管道斷面1~斷面n的阻力損失。式中:K為管道的總阻力系數(shù)。

        (18)

        3 沿程阻力摩擦系數(shù)計(jì)算

        通風(fēng)與空調(diào)工程中風(fēng)道內(nèi)空氣流動(dòng)一般在紊流過(guò)渡區(qū)和阻力平方區(qū),沿程摩擦阻力系數(shù)可按柯列勃洛克-懷特公式計(jì)算:

        (19)

        式中:λ為沿程阻力系數(shù);K為管道絕對(duì)粗糙度,mm;D為圓形管道直徑或矩形管道當(dāng)量直徑,mm;Re為雷諾數(shù)。

        (20)

        4 計(jì)算實(shí)例

        某民用住宅,地上20層,層高3m,樓梯間加壓送風(fēng),隔層設(shè)置加壓送風(fēng)口,計(jì)算加壓送風(fēng)風(fēng)機(jī)壓力。

        該樓梯間加壓送風(fēng)量取G=25000m3/h,混凝土風(fēng)道尺寸取a×b=1200mm×500mm,風(fēng)道長(zhǎng)度L=60m,孔口數(shù)n=10,流量系數(shù)μ=0.65,最大不均勻系數(shù)rmax=0.05,混凝土風(fēng)道粗糙度K=3mm,空氣動(dòng)力粘度ν=1.57×10-5。

        4.1 正壓送風(fēng)口面積計(jì)算

        管道末端孔口出流速度的不均勻性系數(shù)為:

        (100-1)-0.4×5.5-0.6×20/2.46-400/3/2.462)

        4.2 正壓送風(fēng)管道進(jìn)口斷面全壓計(jì)算

        將K代入式(17)可得:

        4.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

        在上述計(jì)算條件下,按管道全程風(fēng)量25 000m3/h計(jì)算的沿程阻力:λ=0.029,整個(gè)管段沿程阻力:0.029×60×1.2×11.572/(2×0.706)=198 Pa。計(jì)算結(jié)果與3節(jié)中計(jì)算結(jié)果很接近。但當(dāng)風(fēng)道尺寸改變?yōu)閍×b=900 mm×500 mm,風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速為=15.4 m/s時(shí),其他條件不變,用帶等面積孔口的等斷面近似均勻送風(fēng)管道計(jì)算的管道阻力損失為318 Pa;而用全程風(fēng)速為15.4 m/s計(jì)算的沿程阻力計(jì)算結(jié)果為378 Pa,計(jì)算結(jié)果要大60 Pa。

        將送風(fēng)口假設(shè)成分流三通,各風(fēng)口流速相同,直管段局部阻力按分流三通直管段,分段計(jì)算管道阻力,將各段阻力和作為管道阻力損失。管道進(jìn)口流量25 000m3/h,風(fēng)管尺寸為a×b=900mm×500mm時(shí),管道阻力計(jì)算結(jié)果為158Pa(計(jì)算過(guò)程略),計(jì)算結(jié)果明顯偏小。

        5 結(jié)論

        (1)通過(guò)對(duì)防煙樓梯間正壓送風(fēng)風(fēng)道內(nèi)空氣流動(dòng)物理過(guò)程和風(fēng)道特點(diǎn)分析,將該流動(dòng)過(guò)程簡(jiǎn)化為帶等面積孔口近似均勻送風(fēng)。

        (3)計(jì)算過(guò)程很容易通過(guò)Excel表實(shí)現(xiàn),方便設(shè)計(jì)人員參考使用。

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