一种综合管廊通风系统当量摩擦阻力系数确定方法与流程

本发明涉及通风
技术领域：
，尤其是一种综合管廊通风系统当量摩擦阻力系数确定方法。
背景技术：
：综合管廊又称共同沟，它是实施统一规划、设计、施工和维护，建于城市地下用于敷设市政公用管线的市政公用设施。综合管廊通风系统通常利用管廊舱室作为风道，管廊舱室主要包括单独设置的蒸汽热力管道舱室、燃气管道舱室、电力电缆管道舱室和综合给水、中水、热水、空调冷水管及电信管的管道舱室等种类不同的舱室，其通风系统的摩擦阻力有所不同。与矿井、地铁、公路隧道等大截面通风管道相比，综合管廊最大的特点是其舱室内部管线和敷设的支架占据了绝大部分面积，其通风摩擦阻力特性也有较大的区别。而目前国内外均未对如何计算该类管道舱室的通风摩擦阻力提出有效的解决办法。在实际的工程设计中，若忽略各管线及其支架对通风摩擦阻力的影响，则可能会出现通风设备压头偏小的情况，而若考虑这部分阻力因素乘以一定的安全系数，则可能因无依据，易造成风机选型压头偏大的现象，从而造成浪费并增加了将来的运行费用。综合管廊通风系统的摩擦阻力大小与当量摩擦阻力系数有关，故当量摩擦系数又是综合管廊通风系统设备计算选型的基础。然而，目前业内也缺乏计算或确定综合管廊通风系统当量摩擦阻力系数的方法，不够科学、有效和方便，亟待进一步完善和提高。技术实现要素：为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种科学、有效和方便的，综合管廊通风系统当量摩擦阻力系数确定方法。本发明所采取的技术方案是：一种综合管廊通风系统当量摩擦阻力系数确定方法，包括以下步骤：采用理论公式计算忽略管线和支架敷设情况时综合管廊舱室内的摩擦阻力；采用数值计算方法计算忽略管线和支架敷设情况时综合管廊舱室内的摩擦阻力；对比同等条件下理论公式与数值计算方法的计算结果，得到第一修正系数，所述第一修正系数用于对数值计算方法得出的摩擦阻力进行修正；采用数值计算方法计算考虑管线和支架敷设情况时综合管廊舱室内的摩擦阻力；对比同等条件下忽略与考虑管线和支架敷设情况时数值计算方法的计算结果，得到第二修正系数，所述第二修正系数用于对考虑管线和支架敷设情况时数值计算方法得出的摩擦阻力进行修正；根据第一修正系数和第二修正系数计算综合管廊通风系统的当量摩擦阻力系数。进一步，所述采用理论公式计算忽略管线和支架敷设情况时综合管廊舱室内的摩擦阻力这一步骤，其具体为：采用理论公式计算忽略管线和支架敷设情况时综合管廊舱室内的摩擦阻力δpm1，所述摩擦阻力δpm1的计算公式为：或其中，λ为摩擦阻力系数，rs为管廊水力半径，l为管廊长度，ρ为空气密度，v为管廊内空气平均流速，a为过流断面面积，qv为体积流量。进一步，所述数值计算方法在计算综合管廊舱室内的摩擦阻力时，将执行以下操作：s1、建立综合管廊管道舱室内的摩擦阻力数值计算模型；s2、以综合管廊管道为原型，搭建用于模拟原型的缩尺模型试验台并建立缩尺模型的摩擦阻力数值计算模型；s3、根据综合管廊管道舱室内的摩擦阻力数值计算模型和输入的计算参数计算原型的摩擦阻力；s4、根据缩尺模型的摩擦阻力数值计算模型和输入的计算参数计算缩尺模型的摩擦阻力；s5、对比同等条件下原型的摩擦阻力与缩尺模型的摩擦阻力的差值是否在设定的误差范围内，若是，则以原型的摩擦阻力作为数值计算方法的计算结果，反之，则在输入的新计算参数后返回步骤s3。进一步，所述步骤s2包括：选择几何相似比，搭建用于模拟原型的缩尺模型试验台，所述缩尺模型试验台根据几何相似比选择与原型相应粗糙度的材料并使得其管线敷设情况与原型相对应；从缩尺模型试验台获取试验数据，并建立缩尺模型的初步摩擦阻力数值计算模型；对缩尺模型的初步摩擦阻力数值计算模型进行量纲分析和相似性分析；根据量纲分析和相似性分析的结果对缩尺模型的初步摩擦阻力数值计算模型进行修正，得出缩尺模型的最终摩擦阻力数值计算模型。进一步，所述根据第一修正系数和第二修正系数计算综合管廊通风系统的当量摩擦阻力系数这一步骤，其包括：以数值计算方法计算出的考虑管线和支架敷设情况时综合管廊舱室内的摩擦阻力δpm3作为综合管廊通风系统的当量摩擦阻力δpm3，得到当量摩擦阻力δpm3与第一修正系数k1和第二修正系数k2的修正关系式，所述得到的修正关系式为：其中，δpm2为数值计算方法计算出的忽略管线和支架敷设情况时综合管廊舱室内的摩擦阻力，λ′为综合管廊通风系统的当量摩擦阻力系数，r′s为综合管廊通风系统的当量水力半径；根据得到的修正表达式和是否考虑管线和支架敷设情况计算综合管廊通风系统的当量摩擦阻力系数λ′：若忽略管线和支架敷设情况，则r′s＝rs，λ′＝k1k2λ；若考虑管线和支架敷设情况，则r′s＝(断面面积-管线和支架敷设面积)÷(断面周长+管线和支架周长)，进一步，还包括根据综合管廊通风系统的当量摩擦阻力系数λ′对管线和支架敷设的情况按设定的划分标准进行划分，得出管线和支架敷设情况与当量直径的对应关系的步骤。进一步，所述设定的划分标准包括两种划分标准：一种是按管线类型、大小尺寸、数量和层数参数进行划分；另一种是按湿周、水力半径以及当量直径的定义进行划分。进一步，还包括在综合管廊具有非水平直线的走向时，对综合管廊通风系统的当量摩擦阻力系数进行进一步修正的步骤，其中，具有非水平直线的走向是指具有弯度或坡度。进一步，还包括将综合管廊各类舱室各种情况下的当量摩擦阻力系数及当量摩擦阻力进行汇总，并以图表的形式进行展现的步骤，其中，各种情况包括不同过流断面、不同管线、不同支架敷设方式以及不同弯度和坡度。本发明的有益效果是：增设了对比同等条件下理论公式与数值计算方法的计算结果以及对比同等条件下忽略与考虑管线和支架敷设情况时数值计算方法的计算结果的步骤，综合采用了理论公式计算、数值计算和二次修正的方法来确定综合管廊通风系统的当量摩擦阻力系数，克服了现有技术因忽略各管线及其支架对通风摩擦阻力的影响而导致通风设备压头偏小或因考虑各管线及其支架的对通风摩擦阻力的影响而造成风机选型压头偏大的缺陷，更加科学、有效和方便。附图说明图1为本发明一种综合管廊通风系统当量摩擦阻力系数确定方法的整体流程图；图2为实施例一广州亚运城综合管廊管道舱断面图；图3为实施例一水力半径的求解示意图；图4是实施例一考虑弯度时管廊参数的俯视图；图5是实施例一考虑坡度时管廊参数的正视图；图6是实施例一摩擦阻力的拟合曲线图；图7是实施例一修正系数的拟合曲线图。具体实施方式参照图1，一种综合管廊通风系统当量摩擦阻力系数确定方法，包括以下步骤：采用理论公式计算忽略管线和支架敷设情况时综合管廊舱室内的摩擦阻力；采用数值计算方法计算忽略管线和支架敷设情况时综合管廊舱室内的摩擦阻力；对比同等条件下理论公式与数值计算方法的计算结果，得到第一修正系数，所述第一修正系数用于对数值计算方法得出的摩擦阻力进行修正；采用数值计算方法计算考虑管线和支架敷设情况时综合管廊舱室内的摩擦阻力；对比同等条件下忽略与考虑管线和支架敷设情况时数值计算方法的计算结果，得到第二修正系数，所述第二修正系数用于对考虑管线和支架敷设情况时数值计算方法得出的摩擦阻力进行修正；根据第一修正系数和第二修正系数计算综合管廊通风系统的当量摩擦阻力系数。其中，忽略管线和支架敷设情况是指，在计算时将管线和支架情况排除在考虑的范围之外，即在计算时不考虑管线和支架情况。进一步作为优选的实施方式，所述采用理论公式计算忽略管线和支架敷设情况时综合管廊舱室内的摩擦阻力这一步骤，其具体为：采用理论公式计算忽略管线和支架敷设情况时综合管廊舱室内的摩擦阻力δpm1，所述摩擦阻力δpm1的计算公式为：或其中，λ为摩擦阻力系数，rs为管廊水力半径，l为管廊长度，ρ为空气密度，v为管廊内空气平均流速，a为过流断面面积，qv为体积流量。进一步作为优选的实施方式，所述数值计算方法在计算综合管廊舱室内的摩擦阻力时，将执行以下操作：s1、建立综合管廊管道舱室内的摩擦阻力数值计算模型；s2、以综合管廊管道为原型，搭建用于模拟原型的缩尺模型试验台并建立缩尺模型的摩擦阻力数值计算模型；s3、根据综合管廊管道舱室内的摩擦阻力数值计算模型和输入的计算参数计算原型的摩擦阻力；s4、根据缩尺模型的摩擦阻力数值计算模型和输入的计算参数计算缩尺模型的摩擦阻力；s5、对比同等条件下原型的摩擦阻力与缩尺模型的摩擦阻力的差值是否在设定的误差范围内，若是，则以原型的摩擦阻力作为数值计算方法的计算结果，反之，则在输入的新计算参数后返回步骤s3。进一步作为优选的实施方式，所述步骤s2包括：选择几何相似比，搭建用于模拟原型的缩尺模型试验台，所述缩尺模型试验台根据几何相似比选择与原型相应粗糙度的材料并使得其管线敷设情况与原型相对应；从缩尺模型试验台获取试验数据，并建立缩尺模型的初步摩擦阻力数值计算模型；对缩尺模型的初步摩擦阻力数值计算模型进行量纲分析和相似性分析；根据量纲分析和相似性分析的结果对缩尺模型的初步摩擦阻力数值计算模型进行修正，得出缩尺模型的最终摩擦阻力数值计算模型。进一步作为优选的实施方式，所述根据第一修正系数和第二修正系数计算综合管廊通风系统的当量摩擦阻力系数这一步骤，其包括：以数值计算方法计算出的考虑管线和支架敷设情况时综合管廊舱室内的摩擦阻力δpm3作为综合管廊通风系统的当量摩擦阻力δpm3，得到当量摩擦阻力δpm3与第一修正系数k1和第二修正系数k2的修正关系式，所述得到的修正关系式为：其中，δpm2为数值计算方法计算出的忽略管线和支架敷设情况时综合管廊舱室内的摩擦阻力，λ′为综合管廊通风系统的当量摩擦阻力系数，r′s为综合管廊通风系统的当量水力半径；根据得到的修正表达式和是否考虑管线和支架敷设情况计算综合管廊通风系统的当量摩擦阻力系数λ′：若忽略管线和支架敷设情况，则r′s＝rs，λ′＝k1k2λ；若考虑管线和支架敷设情况，则r′s＝(断面面积-管线和支架敷设面积)÷(断面周长+管线和支架周长)，进一步作为优选的实施方式，还包括根据综合管廊通风系统的当量摩擦阻力系数λ′对管线和支架敷设的情况按设定的划分标准进行划分，得出管线和支架敷设情况与当量直径的对应关系的步骤。进一步作为优选的实施方式，所述设定的划分标准包括两种划分标准：一种是按管线类型、大小尺寸、数量和层数参数进行划分；另一种是按湿周、水力半径以及当量直径的定义进行划分。进一步作为优选的实施方式，还包括在综合管廊具有非水平直线的走向时，对综合管廊通风系统的当量摩擦阻力系数进行进一步修正的步骤，其中，具有非水平直线的走向是指具有弯度或坡度。进一步作为优选的实施方式，还包括将综合管廊各类舱室各种情况下的当量摩擦阻力系数及当量摩擦阻力进行汇总，并以图表的形式进行展现的步骤，其中，各种情况包括不同过流断面、不同管线、不同支架敷设方式以及不同弯度和坡度。下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。实施例一针对现有技术缺乏计算或确定综合管廊通风系统当量摩擦阻力系数的方法的问题，本发明提出了当量摩擦阻力系数的概念，并提供了一种采用现场实地测量、缩尺模型试验研究、数值计算模拟仿真和理论经验公式修正等多种手段对综合管廊通风系统当量摩擦阻力系数进行确定的方法。该方法可以作为通风系统设备计算选型的基础，解决了不同断面、不同管线、不同支架敷设方式以及不同弧度和坡度的通风系统当量摩擦阻力系数的选取缺乏依据的难题。以广州亚运城综合管廊管道舱为例，其管道舱断面高3.1m，宽2.8m，内部布置管线包括通信电缆1、中水管3、消防水管2，如图2所示，其当量摩擦阻力系数的确定过程具体包括：(一)采用现有理论经验公式计算忽略管线和支架敷设情况下综合管廊舱室内的摩擦阻力δpm1。δpm1的计算公式为：或式中，λ为摩擦阻力系数，单位为m；rs为管廊水力半径，单位为m；l为管廊长度，单位为m；ρ为空气密度，单位为kg/m3；v为管廊内空气平均流速，单位为m/s；a为过流断面面积，单位为m2；qv为体积流量。δpm1的计算参数又可具体分为以下2种情况：(1)层流：(2)紊流紊流时，不同区域的计算参数为：1)紊流水力光滑区：2)紊流过渡区：3)紊流粗糙区：以上各式中，re为雷诺系数，d为管廊直径，单位为m；k为管廊的粗糙度，单位为mm，薄钢板或镀锌钢板的k＝0.15～0.18；砌墙体的k＝3～6；混凝土的k＝1～3。而水力半径p为湿周，单位为m。(二)在与理论公式流速或流量相同的条件下，用数值计算方法计算忽略管线和支架敷设情况下综合管廊舱室内的摩擦阻力δpm2。(三)对比理论经验公式与数值计算方法的计算结果，然后对数值计算方法得出的摩擦阻力进行修正，其修正系数用k1表示，则有：(四)在与忽略管线和支架敷设情况时的流速或流量相同的条件下，用数值计算方法分别计算考虑管线和支架敷设情况下综合管廊舱室内的摩擦阻力δpm3。(五)对比忽略与考虑管线和支架敷设情况下数值计算方法的计算结果，对考虑管线和支架敷设情况下数值计算方法得出的摩擦阻力进行修正，其修正系数用k2表示，则有：则当量摩擦阻力即从而分别得到相应的速度当量直径dv和流量当量直径dl，以及得到当量摩擦阻力系数λ′与当量水力半径rs′的修正关系式。本发明数值计算方法的可靠性可通过以下步骤进行保证：1)、首先对广州亚运城综合管廊管道舱的通风摩擦阻力进行现场实地测量，同时建立相关数值计算模型并对其进行仿真计算，使计算结果与实测结果的误差控制在工程允许范围内。2)、选择适当的几何相似比，搭建模拟原型的缩尺模型试验台，根据相似比选择与原型相应粗糙度的材料，保持模型内部管线敷设情况与原型相对应，并获取试验数据；同时建立缩尺模型相关的数值计算模型并对其进行仿真计算。在进行相似性研究时，由于原型与缩尺模型两者惯性力与浮升力所占的比例不同，如果只保证原型与缩尺模型雷诺数相等，则势必会存在一定误差，因此要先进行量纲分析和相似性分析，再在缩尺模型所获取的数据反推到实际原型时做一定的修正。对于不可压缩流体的定常流动来说，如果其缩尺模型流动和原型流动力学相似，则它们的弗劳德数fr、欧拉数eu和雷诺数re必须各自相等，此时，fr和re分别要各自满足和kv和kl分别为速度比例尺和长度比例尺，当kl≠1时不成立，而欧拉数准则与上述两个准则没有矛盾，因此需要先进行取舍，再对模型结果进行修正，具体做法为：在保证雷诺数相等的条件下，对当量摩擦阻力系数进行拟合修正，得出λ关于雷诺数re和壁面相对粗糙度的关系式或者在弗劳德数和雷诺数都不相等的情况下，对当量摩擦阻力系数进行拟合修正，得出λ关于弗雷德数fr、雷诺数re和壁面相对粗糙度的关系式得出最佳相似方案。3)、将仿真计算和理论公式计算的数据进行对比，使误差控制在工程允许范围内，并且分别与原型进行对比，得出原型与缩尺模型之间的相似修正系数。4)、对每一种工况下的数值计算结果，都通过相应工况的缩尺模型所获取的数据来验证，以保证结果的可靠性。(六)对管线和支架敷设的情况按一定的划分标准进行划分，得出管线和支架敷设情况与当量直径的一一对应关系。本发明的划分标准分为以下两种：第一种是按管线类型、大小尺寸、数量和层数等参数进行划分。其中，通信线缆按层数进行划分，用n1表示通信线缆敷设的层数。电力电缆按层数进行划分，用n2表示表示电力电缆敷设的层数。而给水、再生水管道，排水管渠，天然气管道，热力管道和消防水管道则按大小尺寸划分，具体划分情况如下表1所示：表1管线划分表公称直径dn数量200以下n3200-400n4400-600n5600-800n6800-1000n7另一种划分标准是按湿周、水力半径以及当量直径的定义进行划分：将管线所占的截面面积从过流断面面积中舍去，并将管线周长纳入湿周，从而对水力半径进行修正。如图3所示，宽、高分别为a、b的管廊内部布置了一条半径为r的管线，忽略管线敷设情况时，其水力半径而考虑管线敷设情况时，其水力半径代入理论经验公式进行计算，并与数值计算方法的结果进行对比，可得出其修正系数。(七)在管廊是具有一定弯度或坡度等非水平直线的走向时，对其通风摩擦阻力系数进行进一步修正。1)考虑弯度的管廊摩擦阻力系数确定方法：按照一定标准(与等长度的直线管廊对比)，在不同弧长和半径的情况下得出相应的修正系数kw，如图4所示，则有：kw＝kw(l,r)其中，l为弧长，单位为m；r为半径，单位为m。2)考虑坡度的管廊摩擦阻力系数确定方法：按照一定标准(与等长度的直线管廊对比)，在不同角度和高度的情况下得出相应的修正系数kp，如图5所示，则有：kp＝kp(φ,h)其中，φ为角度，单位为°；h为高度，单位为m。(八)最后通过大量的数值计算来建立数据库，并将综合管廊各类舱室不同断面、不同管线、不同支架敷设方式以及不同水平弯度和纵向坡度的摩擦阻力系数及其摩擦阻力进行汇总以图表的形式展现，如表1、表2、表3、图6、图7所示。表2当量直径查询表序号n1n2n3n4n5n6n7dvdl10000001dv1dl120000010dv2dl230000100dv3dl340001000dv4dl450010000dv5dl5…………………………由表2可得到：dv＝dv(n1,n2,n3,n4,n5,n6,n7)dl＝dl(n1,n2,n3,n4,n5,n6,n7)表3是摩擦阻力系数查询表dvv△pλdlqv△pλdv1v1dl1qv1dv1v2dl1qv2dv2v1dl2qv1dv2v2dl2qv2…………以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。当前第1页12