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儲糧通風(fēng)是以空氣作為介質(zhì)，通過空氣流動調(diào)節(jié)儲糧的生態(tài)環(huán)境，起著通風(fēng)降溫、干燥去水或調(diào)質(zhì)增濕等多種作用。由于儲糧通風(fēng)與糧食干燥都是借助空氣運動實現(xiàn)的，因此，掌握必要的流體力學(xué)基礎(chǔ)知識是十分必要的。

    一、流體的基本特性

   （一）流體的物理性質(zhì)

    1、粘性

    因體物體間的相對運動會產(chǎn)生與運動相反的摩擦力。流體也有類似性質(zhì)，即流體質(zhì)點間作相對運動時，也會產(chǎn)生力（內(nèi)摩擦力），這是因為流體具有粘性的緣故，它是造成流體在管道中運動時壓力損失的內(nèi)因。流體粘性大，動動時克服的內(nèi)摩擦力就大。內(nèi)摩擦力的大小與流體粘性引起的的速度變化梯度、摩擦面、流體的物理性質(zhì)等因素有關(guān)。

    2、壓縮性

    流體具有一定的壓縮性，即當(dāng)溫度等于定值時，壓力上升，體積縮小。液體的壓縮性很小，一般在工程中可忽略不計，而氣體的壓縮性顯著。當(dāng)溫度為定值時，氣體壓力（P)與體積（V）成反比，PV=常數(shù)。當(dāng)氣體壓力變化不大時，其體積變化也可忽略不計。如壓力增加2940Pa時，氣體的體積只減少3%。儲糧通風(fēng)是常壓下進(jìn)行的，故此可以忽略氣體體積變化而引起的誤差。

    3、流動性

    與固體物體相比，流體質(zhì)點間相互作用的內(nèi)聚力極小，易于流動，沒有固定的外形，不能承受拉力和切力，只要有極微小的切向力，就可以破壞質(zhì)點間的相互平衡。由于流體容易流動，不能承受切力，所以流體的靜壓力一定垂直于作用面。

    （二）氣流的壓力

    氣體在管道中流動時存在著兩種壓力形式，即靜壓力與動壓力，二者之和又稱為全壓力。

    1、靜壓力Hj

    靜壓力是氣體作用于與其速度相平行的風(fēng)管壁面上的垂直力，它在管道中對各個方向的作用力都相等。通常以大氣壓為零，用相對壓力來計算靜壓力。在吸管段，靜壓力小于大氣壓為負(fù)值，在壓氣管段，靜壓力大于大氣壓為正值。在管壁上開一小孔，用膠管與壓力計相接便可測得靜壓力。

    2、動壓力Hd

    動壓力是氣體分子作定向運動時產(chǎn)生的壓力，動壓力的方向與氣流方向一致，其值永遠(yuǎn)為正值。

    3、全壓力Hq

    靜壓力和動壓力之和為全壓力。即：Hq=Hj+Hd

    全壓力實際表示了單位體積氣體所具有的全部能量。

   （三）流體的流動狀態(tài)

    由于流體具有粘性，在流動過程中必然會造成能量損失，即在流體內(nèi)摩擦力的作用下產(chǎn)生的流道阻力。實踐證明，流道阻力與流體的運動狀態(tài)密切相關(guān)。實際流體在流動時存在兩種流動狀態(tài)，一種是有秩序的流動，稱為層流；另一種是雜亂無章的流動，稱為紊流。

    流體的流動狀態(tài)不同，引起流道中同一截面上速度分布有顯著的差別。當(dāng)氣體在圓管內(nèi)的流動狀態(tài)為層流時，其速度分布為拋物線，如圖8-1所示，氣流沿著管軸流動的流動質(zhì)點速度最大，而與管壁直接接觸處的流速為零，這時計算流量很不方便。工程中常用假想的平均速度（V）來計算。層流的平均速度：  V=Vmax/2

    當(dāng)氣體在圓管內(nèi)的流動狀態(tài)為紊流時，流體在管道截面上每一點的流速在大小和方向上是經(jīng)常變化著的，與層流相比，速度分布曲線較平直，如圖8-1所示。這是由于紊流中各層的流體質(zhì)點相互混雜時進(jìn)行動能交換的緣故。紊流的平均速度為：  V=（0.8---0.85）Vmax

   （四）雷諾數(shù)---流體流態(tài)的判斷方法

    實驗表明，層流與紊流是完全不同的兩種流動狀態(tài)，在一定條件下，兩者可以相互轉(zhuǎn)變。流體流態(tài)的轉(zhuǎn)變不僅與流速有關(guān)，還受管徑大小、流體粘度等因素影響。這些因素按一定規(guī)則組成一無因次的量，稱為雷諾準(zhǔn)數(shù)Re：  Re=vdρ/μ=vd/v

    在通風(fēng)工程上常用臨界雷諾數(shù)Re=2320作為流體流態(tài)的判別依據(jù)，即Re<2320時的流動狀態(tài)為層流；當(dāng)Re>2320時的流動狀態(tài)為紊流。在儲糧通風(fēng)中，由于管道內(nèi)空氣流速較大，通常在4米/秒以上，管徑大于80毫米，若取空氣運動粘性系數(shù)v=15*10-6米2/秒，則雷諾數(shù)：  Re=4*0.08/15*10-6=21333>2320

    所以，在儲糧通風(fēng)管道中的空氣流動都屬于紊流。

    二、流體的基本方程式

   （一）空氣的流量

    空氣流量（簡稱風(fēng)量）是指單位時間內(nèi)流經(jīng)某一管道截面的空氣量，它與風(fēng)速以及流過橫截面的大小等因素有關(guān)?？諝饬髁恳泽w積計算，稱為體積流量，用Qv表示，單位為米3/秒；以質(zhì)量計算，則稱質(zhì)量流量，用Qm表示，單位為千克/秒。兩者的換算關(guān)系為：  Qv=v*Qm 

    式中：v---空氣的比容（米3/千克）；Qm---空氣的質(zhì)量流量（千克/秒）；Qv---空氣的體積流量（米3/秒）。

    當(dāng)管道內(nèi)空氣的平均風(fēng)速為v，管道的橫截面積為F時，流經(jīng)管道的流量為：

    體積流量：Qv=v*F

    質(zhì)量流量：Qm=ρ*v*f

    式中：F---管道的截面積（米2）；v---管內(nèi)平均風(fēng)速（米/秒）；ρ---空氣的密度（千克/米3）。

   （二）流量的連續(xù)方程

    前面討論的是在等截面管道中風(fēng)量與風(fēng)速、風(fēng)道截面的關(guān)系。在通風(fēng)工程中還經(jīng)常遇到如圖8-2所示的變截面管道。對于穩(wěn)定流動，由質(zhì)量守恒定律得知，流經(jīng)截面1-1和2-2的質(zhì)量流量相等。即：

    Qm1=Qm2

    ρ1v1F1=ρ2v2F2     8-8

    對于不可壓縮流體或流動過程中溫度、壓力變化不大的空氣，可近似作為不可壓縮流體處理，此時ρ1=ρ2

    則有  v1F1=v2F2   8-9

    即 Q1=Q2

    公式8-8、公式8-9為流量連續(xù)方程。它表明只要流體沿著管道作穩(wěn)定流動時，不論管道的截面積如何變化，流體質(zhì)量沿整個流道處處相等。對不可壓縮流體作穩(wěn)定流動時，流體的平均流速與截面積成反比，即v*F=定值。流量連續(xù)方程式在工程上應(yīng)用廣泛。

    （三）能量方程---伯努利方程

    運動著的流體除分子間的內(nèi)能外，還具有動能和位能，對于氣體還具有靜壓能。伯努利方程即流體能量守恒方程式，就是通過分析流體中的能量互相轉(zhuǎn)換規(guī)律同，從而揭示出流體具有的機械能沿管道各截面的變化規(guī)律。利用伯努利方程可解決工程上許多問題。

    實驗證明，氣流在管道中穩(wěn)定流動時，截面大的地方流速小，壓力大；截面小的地方流速大，壓力小。這并不表明流體靜壓力與流速在數(shù)值上呈反比關(guān)系，而是反映了靜壓力與動壓力在能量上的相互轉(zhuǎn)換的關(guān)系。如圖8-3所示，在穩(wěn)定流的管道內(nèi)任意選取流段1-2經(jīng)過△t時間流動至1'-2'位置，若流動中間沒有能量的增加與損失，它的總能量應(yīng)保持不變。即

    Hj1+Hd1+Z1=Hj2+Hd2+Z2     8-10

    式中：Hj---流體靜壓能；Hd---流體動壓能；Z---流體的位能。

    由于截面1、2是可以任意選取的，因此，對于任意一個截面均有：

    Hj+Hd+Z=常量      8-11

    上式就是流體力學(xué)最基本的方程，即為伯努利方程，它表明作穩(wěn)定流動的流體，其靜壓能、動能、位能之和為一常數(shù)，也就是說三者之間只會相互轉(zhuǎn)換，而總能量保持不變。當(dāng)空氣作為不可壓縮理想氣體處理時，位能項較小，可忽略不計，所以空氣流動的伯努利方程可寫為：

    Hq=Hj+Hd=常量      8-12

    式中：Hq---流體的全壓能。

    然而，空氣是有粘性的，在流動時存在內(nèi)摩擦損失、流體與流道表面的摩擦損失，還有流道截面變化引起的局部損失。因此，實際伯努利方程應(yīng)加上一項流動的能量損失。即：

    Hj1+Hd1=Hj2+Hd2+H損1-2      8-13

    或 Hq1=Hq2+H損1-2

    這種能量損失表現(xiàn)為壓力的變化，所以也稱為壓力損失。

    如有外功（如風(fēng)機）加入系統(tǒng)時，通風(fēng)管道的兩截面間的能量守恒方程中還應(yīng)包括輸入的單位能量項H風(fēng)機在內(nèi)。

     Hj1+Hd1+H風(fēng)機=Hj2+Hd2+H損      8-14

    式中：H風(fēng)機---風(fēng)機供給的能量；H損---整個系統(tǒng)的能量損失。

    三、風(fēng)道的阻力計算

    從流體力學(xué)中知道，流體沿風(fēng)道流動時會產(chǎn)生兩類阻力。當(dāng)流體通過任意形狀、不同材料制成的風(fēng)道時，由于流體的粘滯、管壁粗糙，會在流體內(nèi)部、流體和管壁之間產(chǎn)生因摩擦形成的阻力稱為沿程摩擦阻力；當(dāng)流體通過風(fēng)道中的異形部件（彎頭、三通等）或設(shè)備時，由于氣流方向改變或速度變化以及產(chǎn)生渦流等形成的阻力稱為局部阻力。

    （一）沿程摩擦阻力的計算

    1、計算式

    沿程摩擦阻力的大小與管道的幾何尺寸、內(nèi)壁的粗糙度以及空氣的流動狀態(tài)和流速等有關(guān)。長度為L的任何形狀的直長管道的摩擦力，用水力半徑表示則為：

    Hm=L*(λ/4R水)*(γν2/2)     8-15

    式中：Hm---長度為L的風(fēng)道摩擦阻力（帕）；L---風(fēng)道的長度（米）；λ---摩擦阻力系數(shù)；ν---風(fēng)道中的平均流速（米/秒）；γ---流體重度（千克/米3）；R水---風(fēng)道的水力半徑（米）。

    流體力學(xué)中定義，管道橫斷面積F與濕周S的比值稱為水力半徑，可用下式計算，它是表示管道幾何特征的尺度。

    R水=F/S

    式中：F---充滿流體的管道橫斷面積，對風(fēng)道來說，就是風(fēng)道的截面積（米2）；S---濕周，對風(fēng)道來說，就是風(fēng)道截面積的周長（米）。

    對于圓形風(fēng)道，其水力半徑為：

    R水=F/S=D/4

    因此，圓風(fēng)道的沿程摩擦阻力的計算式為：

    Hm=L*(λ/D)*(γν2/2)  或   Hm=Rm*L

    式中：Rm---單位長度圓形管道摩擦阻力值（帕/米）；D---圓風(fēng)道的直徑（米）。

    2、摩擦阻力系數(shù)λ值的確定

    摩擦阻力系數(shù)λ值與空氣在風(fēng)道內(nèi)的流動狀況和管壁的粗糙度關(guān)。

    當(dāng)流動呈層流狀態(tài)Re<2320時，λ值與管壁的粗糙度無關(guān)，只與雷諾數(shù)Re有關(guān)，其摩擦阻力系數(shù)為：

    λ=64/Re

    當(dāng)流動處于紊流狀態(tài)時，分為三種情況：

    （1）光滑管區(qū)。當(dāng)層流邊界的厚度δ>△時，可采用下式計算λ值，它適用于104≤Re≤105的范圍。

    λ=0.3164/Re0.25   或  λ=0.35/Re0.25

    (2)過渡區(qū)（粗糙管區(qū)）。當(dāng)層流邊界層的厚度δ<△時，v=1.72---70m/s，可采用下式計算λ值，它適用于Re>105。

    λ=1.42/(lgRe.d/△)2     8-22

    或 λ=1.42/(lg1.272Q/△*ν)

    式中：Q---風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)量（米3/秒）；△---絕對粗糙度（毫米），見表8-1；ν---運動粘性系數(shù)（米2/秒）。

    (3)平方粗糙區(qū)。當(dāng)層流邊界層的厚度δ<△時，可采用下式計算λ值，它適用于Re>105。

    λ=1/(1.74+2lgd/2△)2       8-23

    (4)對于磚砌通風(fēng)道

     λ=0.75/Re0.12      8-24

    粗略計算時 λ可取0.05。

    在通風(fēng)工程中，為了進(jìn)一步簡化沿程阻力以及其它有關(guān)計算，對金屬風(fēng)道的摩擦阻力按圖8-4所示的線算圖計算。當(dāng)采用其它管壁材料時，由于這些材料的粗糙度與薄鋼板是不同的，其數(shù)據(jù)見表8-1。當(dāng)粗糙度不同材料制成的圓形風(fēng)道，其摩阻可用下式計算：

    Rm'=Rm*C

    式中：Rm---由圖8-4查得的單位摩阻（帕/米）；C---不同粗糙度修正系數(shù)，可由圖8-5中查得。

    標(biāo)準(zhǔn)空氣：P=101.3kPa,t=20℃，γ=1.204kg/m3,△=0.15mm(指薄鋼板）。

   （二）矩形風(fēng)道當(dāng)量直徑Dd的計算

    圖8-4是金屬風(fēng)道摩擦阻力線算圖。但在計算矩形風(fēng)道的摩阻時，需利用有關(guān)當(dāng)量直徑的概念，把矩形風(fēng)道換算成圓形風(fēng)道后，才可利用圖8-4求得矩形風(fēng)道的摩擦阻力。當(dāng)量直徑計算方法有兩種：

    1、流速當(dāng)量直徑

    設(shè)某一圓形風(fēng)道中的空氣流速同矩形風(fēng)道中的空氣流速相等，并且單位管長的沿程阻力也相等，則該圓形風(fēng)道的直徑稱為矩形風(fēng)道的流速當(dāng)量直徑，用Dd,v表示。

    從式8-15可以看出，不論風(fēng)道截面積的形狀如何，在風(fēng)道內(nèi)流速相同的條件下，只要它們的水力半徑相同，其單位摩擦阻力也相等。

    對于圓形風(fēng)道，其水力半徑為：

    R水=D/4

    對于邊長為a*b的矩形風(fēng)道，其水力半徑為：

    R水=a*b/2(a+b)

    使圓形風(fēng)道和矩形風(fēng)道的水力半徑相等，則得：

    D/4=a*b/2(a+b)

    D=2a*b/(a+b)=Dd,v    8-26

    2、流量當(dāng)量直徑

    設(shè)某一圓形風(fēng)道中的空氣流量同矩形風(fēng)道中的空氣流量相等，并且單位管長的沿程阻力也相等，則該圓形風(fēng)道的直徑稱為矩形風(fēng)道的流量當(dāng)量直徑，用Dd,l表示。一般計算流量當(dāng)量直徑的近似式為：

    Dd,l=1.3[a5b5/(a*b)2]1/8      8-27

   （三）局部阻力的計算

    流體在風(fēng)道內(nèi)流動時，不僅有沿程阻力，而且在通過風(fēng)道的彎頭、三通、收縮管等管件時，發(fā)生氣流方向的改變或截面變化，從而形成渦流和氣體擾亂，消耗部分能量。這種由管件對流動所產(chǎn)生的能量損失僅局限于一定范圍內(nèi)，故稱為局部阻力。它可按下式計算：

    H局=ζ*γν2/2      8-28

    式中：ζ---局部阻力系數(shù)。

    ζ值一般取決于局部阻力構(gòu)件的幾何形狀，由實驗確定。附錄中列出常用管件的局部阻力系數(shù)值。局部阻力損失是集中產(chǎn)生的，常?？梢酝ㄟ^改變風(fēng)道的幾何形狀使之減弱或加強。減少局部阻力的途徑是避免產(chǎn)生渦流區(qū)和質(zhì)點的撞擊，例如在風(fēng)道的彎曲處設(shè)置導(dǎo)流板，減少風(fēng)道的擴(kuò)散角等，以求局部阻力損失的減少。

    （四）空氣分配器的阻力計算

    國內(nèi)外一些資料是將分配器阻力作為局部阻力處理，即：

    H分配器=ζ*γν2/2

    當(dāng)Re≥500時，空氣分配器的阻力系數(shù)為：

    ζ=（1-K)+[(1-K)/K]2     8-29

    式中：K---篩孔板的開孔率（小數(shù)）。

    或按附錄計算分配器阻力系數(shù)。

    四、糧層阻力的計算

    糧層阻力是指氣流穿過糧層時的壓力損失，它是通風(fēng)計算中的一個重要參數(shù)，世界許多國家對此都進(jìn)行了研究，得出一些經(jīng)驗公式及計算圖表。由于糧層阻力與通過糧層的風(fēng)速、糧堆厚度、糧食種類、糧堆孔隙度和糧食水分等因素有關(guān)，所得到的公式及圖表之間都有差異，下面推薦幾個常用公式及圖表供計算時選用。

    （一）鄭州糧食學(xué)院的公式

     H糧=9.81*ahVb表        8-30

    式中：H糧---糧層阻力（帕）；h---糧層厚度（米）；V表---糧面表觀風(fēng)速（米/秒）；a,b---與糧種等因素有關(guān)的阻力系數(shù)，見表8-2。

    注意：一般將糧層阻力限制在754帕以內(nèi)，否則功率消耗會急劇增加，使通風(fēng)成本加大。

    上述公式用于計算垂直通風(fēng)的糧層阻力，如是徑向通風(fēng)可按下式計算：

    H糧=9.81*(Vb2r2-Vb1r1)*a/(1-b)    8-31

    式中：r1、r2---通風(fēng)倉的內(nèi)、外筒的半徑；V1、V2---通風(fēng)倉的內(nèi)、外筒壁處的表觀風(fēng)速。

   （二）前蘇聯(lián)糧科所的公式

    H糧=9.81（AV表+BV2表）h

    式中：H糧---糧層阻力（帕）；A、B---與糧種等因素有關(guān)的系數(shù)，不同水分、不同糧食的A、B值見表8-3；V表---糧面表觀風(fēng)速，米/秒；h---糧層厚度，米。

    （三）前蘇聯(lián)熱工研究所的公式

     H糧=9.81*chVn糧     8-33

    式中：H糧---糧層阻力（帕）；c、n---不同糧種的阻力系數(shù)，見表8-4；h---糧層厚度（毫米）；V表---糧面表觀風(fēng)速（米/秒）；

    （四）謝德（shedd,C.K.)的壓力降應(yīng)用

    國外對謝德1953年的壓力降資料采用比較普遍，但只能用于一般常規(guī)的糧堆深度，對于幾十米高的筒倉則不適用。謝德的壓力降資料見圖8-6所示。

    五、風(fēng)道中的壓強分布

    由于空氣在風(fēng)道中流動時，粘滯阻力導(dǎo)致能量損失，風(fēng)道內(nèi)各截面處的壓力是變化的，為了進(jìn)一步掌握空氣沿風(fēng)道流動時的基本規(guī)律，以及正確設(shè)計風(fēng)網(wǎng)和操作通風(fēng)系統(tǒng)，了解風(fēng)道內(nèi)的壓力沿風(fēng)道長度變化規(guī)律是十分重要的。圖8-7表示沿最簡單的直長風(fēng)道的壓力分布情況。

    利用畢托管和測壓計可以測得風(fēng)道的靜壓、動壓和全壓，畢托管與測壓計的連接方法如圖8-8所示。測定壓力的截面位置應(yīng)選擇在空氣流動達(dá)到穩(wěn)定的部位，以避免渦流對測量精度所帶來的影響。測定截面選在彎頭、三通等管件前面時，應(yīng)距這些管件的距離要大于2倍的風(fēng)道直徑；選在這些管件后面時，應(yīng)距這些管件的距離要大于4--5倍的風(fēng)道直徑。

    六、合理選用風(fēng)機

    在儲糧通風(fēng)系統(tǒng)中，風(fēng)機是儲糧通風(fēng)設(shè)計中的關(guān)鍵設(shè)備，合理選用風(fēng)機是保證通風(fēng)系統(tǒng)正常運行的前提，也是降低電耗和提高通風(fēng)效果的重要一環(huán)。

    選擇風(fēng)機主要依據(jù)通風(fēng)量和系統(tǒng)的總阻力。通風(fēng)系統(tǒng)總阻力主要包括供風(fēng)導(dǎo)管、通風(fēng)管道、糧層阻力等幾項。倉房尺寸、裝糧高度、單位風(fēng)量和風(fēng)道布置形式確定后，每根風(fēng)道的風(fēng)量和阻力即可算出。再根據(jù)風(fēng)道布置形式，使用，風(fēng)機的臺數(shù)，就可確定每臺風(fēng)機所需的風(fēng)壓風(fēng)量。對照風(fēng)機樣本選用一種合適的風(fēng)機。合適風(fēng)機是指風(fēng)機的性能曲線應(yīng)在經(jīng)濟(jì)使用范圍之內(nèi)，其工作效率不低于70%，并在通風(fēng)系統(tǒng)中處于最佳狀態(tài)。在儲糧機械通風(fēng)作業(yè)中，一般使用4-72-11型的中、低壓離心風(fēng)機和管徑為500或600的軸流風(fēng)機。使用時，通過管道直接將風(fēng)機與風(fēng)道口連接起來，連接時要注意接口的氣密性。為了提高設(shè)備的利用率，可將風(fēng)機裝在移動小車上