痛风安全学3.ppt

第三章第三章 井巷通风阻力井巷通风阻力l本章重点和难点：本章重点和难点：l摩擦阻力和局部阻力产生的摩擦阻力和局部阻力产生的原因和测算原因和测算第三章第三章 井巷通风阻力井巷通风阻力 当空气沿井巷运动时，由于风流的粘滞性和惯性以及井巷壁面等对风流当空气沿井巷运动时，由于风流的粘滞性和惯性以及井巷壁面等对风流的阻滞、扰动作用而形成通风阻力，它是造成风流能量损失的原因。井的阻滞、扰动作用而形成通风阻力，它是造成风流能量损失的原因。井巷通风阻力可分为两类：摩擦阻力巷通风阻力可分为两类：摩擦阻力(也称为沿程阻力也称为沿程阻力)和局部阻力。和局部阻力。第一节第一节 井巷断面上风速分布井巷断面上风速分布 一、风流流态一、风流流态1 1、管道流、管道流 同同一一流流体体在在同同一一管管道道中中流流动动时时，不不同同的的流流速速，会会形形成成不不同同的的流流动动状状态态。当当流流速速较较低低时时，流流体体质质点点互互不不混混杂杂，沿沿着着与与管管轴轴平平行行的的方方向向作作层层状状运运动动，称称为为层层流流(或或滞滞流流)。当当流流速速较较大大时时，流流体体质质点点的的运运动动速速度度在在大大小小和和方方向向上都随时发生变化，成为互相混杂的紊乱流动，称为上都随时发生变化，成为互相混杂的紊乱流动，称为紊流紊流(或湍流或湍流)。（）雷诺数（）雷诺数Re Re 式中：平均流速式中：平均流速v v、管道直径、管道直径d d和流体的运动粘性系数和流体的运动粘性系数 。在在实实际际工工程程计计算算中中，为为简简便便起起见见，通通常常以以R Re e=2300=2300作作为为管管道道流流动动流流态态的判定准数，即：的判定准数，即：R Re e2300 2300 层流，层流，R Re e2300 2300 紊流紊流（）当量直径（）当量直径 对于非圆形断面的井巷，对于非圆形断面的井巷，ReRe数中的管道直径数中的管道直径d d应以井巷断面的当量直应以井巷断面的当量直径径dede来表示：来表示：因此，非圆形断面井巷的雷诺数可用下式表示：因此，非圆形断面井巷的雷诺数可用下式表示：对于不同形状的井巷断面，其周长对于不同形状的井巷断面，其周长U U与断面积与断面积S S的关系，可用下式表示：的关系，可用下式表示：式式中中：C C断断面面形形状状系系数数：梯梯形形C C=4.16=4.16；三三心心拱拱C C=3.85=3.85；半半圆圆拱拱C C=3.90=3.90。（举例见（举例见P38P38）二、井巷断面上风速分布二、井巷断面上风速分布（）紊流脉动（）紊流脉动 风流中各点的流速、压力等物理参数随时间风流中各点的流速、压力等物理参数随时间作不规则作不规则（）时均速度（）时均速度 瞬时速度瞬时速度 v vx x 随时间随时间的变化。其值虽然不断变化，但在的变化。其值虽然不断变化，但在一足够长的时间段一足够长的时间段 T T 内，流速内，流速 v vx x 总是围绕着某一平均总是围绕着某一平均值上下波动。值上下波动。Tvxvxt(）巷道风速分布）巷道风速分布 由于空气的粘性和井巷壁面摩擦影响，井巷断面上风速分布是不均匀的。由于空气的粘性和井巷壁面摩擦影响，井巷断面上风速分布是不均匀的。层流边层层流边层：在贴近壁面处仍存在层流运动薄层，：在贴近壁面处仍存在层流运动薄层，即层流边层即层流边层。其厚度。其厚度随随ReRe增加而变薄，它的存在对流动阻力、传热和传质过程有较大影响。增加而变薄，它的存在对流动阻力、传热和传质过程有较大影响。在层流边层以外，从巷壁向巷道轴心方向，风速逐渐增大，呈抛物线在层流边层以外，从巷壁向巷道轴心方向，风速逐渐增大，呈抛物线分布。分布。平均风速：平均风速：则：则：Q QV V S Svvmaxvmax第二节第二节 摩擦风阻与阻力摩擦风阻与阻力一、摩擦阻力一、摩擦阻力 风风流流在在井井巷巷中中作作沿沿程程流流动动时时，由由于于流流体体层层间间的的摩摩擦擦和和流流体体与与井井巷巷壁壁面面之之间间的的摩摩擦擦所所形形成成的的阻阻力力称称为为摩摩擦擦阻阻力力(也也叫叫沿沿程阻力程阻力)。由由流流体体力力学学可可知知，无无论论层层流流还还是是紊紊流流，以以风风流流压压能能损损失失来来反映的摩擦阻力可用下式来计算：反映的摩擦阻力可用下式来计算：无因次系数，即摩擦阻力系数，通过实验求得。无因次系数，即摩擦阻力系数，通过实验求得。d d圆形风管直径，非圆形管用当量直径；圆形风管直径，非圆形管用当量直径；2 2层流摩擦阻力层流摩擦阻力当当流流体体在在圆圆形形管管道道中中作作层层流流流流动动时时，从从理理论论上上可可以以导出摩擦阻力计算式：导出摩擦阻力计算式：可得圆管层流时的沿程阻力系数：可得圆管层流时的沿程阻力系数：层流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比。层流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比。3 3、紊流摩擦阻力、紊流摩擦阻力 对对于于紊紊流流运运动动，=f=f(Re(Re，/r)/r)，关关系系比比较较复复杂杂。用当量直径用当量直径dede=4=4S S/U U代替代替d d，代入阻力通式，则得：，代入阻力通式，则得：二、摩擦阻力系数与摩擦风阻二、摩擦阻力系数与摩擦风阻1 1摩擦阻力系数摩擦阻力系数 紊流区，紊流区，值只与相对糙度有关，对于几何尺寸和支护已定型的井值只与相对糙度有关，对于几何尺寸和支护已定型的井巷，相对糙度一定，则巷，相对糙度一定，则可视为定值；在标准状态下空气密度可视为定值；在标准状态下空气密度=1.2kg/m=1.2kg/m3 3。对上式，对上式，令：令：称为摩擦阻力系数称为摩擦阻力系数，单位为，单位为 kg/mkg/m3 3 或或 N.s N.s2 2/m/m4 4。则得到：则得到：通过大量实验和实测所得的、在标准状态（通过大量实验和实测所得的、在标准状态（0 0=1.2kg/m=1.2kg/m3 3）条件下的）条件下的井巷的摩擦阻力系数，井巷的摩擦阻力系数，即所谓标准值即所谓标准值0 0值值，当井巷中空气密度，当井巷中空气密度1.2kg/m1.2kg/m3 3时，其时，其值应按下式修正：值应按下式修正：2 2摩擦风阻摩擦风阻R Rf f 对对于于已已给给定定的的井井巷巷，L L、U U、S S都都为为已已知知数数，故故可可把把上上式式中中的的、L L、U U、S S 归结为一个参数归结为一个参数R Rf f：单位为：单位为：kg/mkg/m7 7 或或 N.s N.s2 2/m/m8 8（即（即kk）。）。1 N.s1 N.s2 2/m/m8 8=9.8 k=9.8 k则：则：此式就是完全紊流此式就是完全紊流(进入阻力平方区进入阻力平方区)下的摩擦阻力定律。下的摩擦阻力定律。三、井巷摩擦阻力计算方法三、井巷摩擦阻力计算方法 新建矿井：查表得新建矿井：查表得0 0 R Rf f h hf f 生产矿井：生产矿井：h hf f R Rf f 0 0 例例题题3-33-3某某设设计计巷巷道道为为梯梯形形断断面面，S S=8m=8m2 2，L L=1000m=1000m，采采用用工工字字钢钢棚棚支支护护，支支架架截截面面高高度度d d0 0=14cm=14cm，纵纵口口径径=5=5，计计划划通通过过风风量量Q=1200mQ=1200m3 3/min/min，预预计计巷巷道中空气密度道中空气密度=1.25kg/m=1.25kg/m3 3，求该段巷道的通风阻力。，求该段巷道的通风阻力。解解 根据所给的根据所给的d d0 0、S S值，由附录值，由附录5 5附表附表5-45-4查得查得:0 0=284.2=284.210104 40.88=0.025Ns0.88=0.025Ns2 2/m/m4 4则：巷道实际摩擦阻力系数则：巷道实际摩擦阻力系数 Ns Ns2 2m m4 4巷道摩擦风阻巷道摩擦风阻巷道摩擦阻力巷道摩擦阻力第三节第三节 局部风阻与阻力局部风阻与阻力 由由于于井井巷巷断断面面、方方向向变变化化以以及及分分岔岔或或汇汇合合等等原原因因，使使均均匀匀流流动动在在局局部部地地区区受受到到影影响响而而破破坏坏，从从而而引引起起风风流流速速度度场场分分布布变变化化和和产产生生涡涡流流等等，造造成成风风流流的的能能量量损损失失，这这种种阻阻力力称称为为局局部部阻阻力力。由由于于局局部部阻阻力力所所产产生生风风流流速速度度场分布的变化比较复杂性，对局部阻力的计算一般采用经验公式。场分布的变化比较复杂性，对局部阻力的计算一般采用经验公式。一、局部阻力及其计算一、局部阻力及其计算 和摩擦阻力类似，局部阻力和摩擦阻力类似，局部阻力h hl l一般也用动压的倍数来表示：一般也用动压的倍数来表示：式中：式中：局部阻力系数，无因次。层流局部阻力系数，无因次。层流 计算局部阻力计算局部阻力，关键是局部阻力系数确定，因，关键是局部阻力系数确定，因v=Q/S,v=Q/S,当当确定后，便可用确定后，便可用 几种常见的局部阻力产生的类型：几种常见的局部阻力产生的类型：、突变、突变 紊流通过突变部分时，由于惯性作用，出现主流与边壁脱离的现紊流通过突变部分时，由于惯性作用，出现主流与边壁脱离的现象，在主流与边壁之间形成涡漩区，从而增加能量损失。象，在主流与边壁之间形成涡漩区，从而增加能量损失。、渐变、渐变 主要是由于沿流动方向出现减速增压现象，在边壁附近产生涡漩。主要是由于沿流动方向出现减速增压现象，在边壁附近产生涡漩。因为因为 V hV hv v p p ，压差的作用方向与流，压差的作用方向与流动方向相反，使边壁附近，流速本来就小，趋于动方向相反，使边壁附近，流速本来就小，趋于0,0,在这些地方在这些地方主流与边壁面脱离，出现与主流相反的流动，面涡漩。主流与边壁面脱离，出现与主流相反的流动，面涡漩。、转弯处、转弯处 流体质点在转弯处受到离心力作用，在外侧出现减速增流体质点在转弯处受到离心力作用，在外侧出现减速增压，出现涡漩。压，出现涡漩。、分岔与会合、分岔与会合 上述的综合。上述的综合。局部阻力的产生主要是与涡漩区有关，涡漩区愈大，局部阻力的产生主要是与涡漩区有关，涡漩区愈大，能量损失愈多，局部阻力愈大。能量损失愈多，局部阻力愈大。二、局部阻力系数和局部风阻二、局部阻力系数和局部风阻(一一)局部阻力系数局部阻力系数 紊紊流流局局部部阻阻力力系系数数一一般般主主要要取取决决于于局局部部阻阻力力物物的的形形状状，而而边边壁壁的的粗粗糙程度为次要因素。糙程度为次要因素。1 1突然扩大突然扩大或或式中：式中：v v1 1、v v2 2分别为小断面和大断面的平均流速，分别为小断面和大断面的平均流速，m/sm/s；S S1 1、S S2 2分别为小断面和大断面的面积，分别为小断面和大断面的面积，m m；m m空气平均密度，空气平均密度，kg/mkg/m3 3。对于粗糙度较大的井巷，可进行修正对于粗糙度较大的井巷，可进行修正 2 2突然缩小突然缩小对应于对应于小断面的动压小断面的动压 ，值可按下式计算：值可按下式计算：3 3逐渐扩大逐渐扩大 逐渐扩大的局部阻力比突然扩大小得多，其能量损失可认为由摩擦逐渐扩大的局部阻力比突然扩大小得多，其能量损失可认为由摩擦损失和扩张损失两部分组成。损失和扩张损失两部分组成。当当2020时，渐扩段的局部阻力系数时，渐扩段的局部阻力系数可用下式求算：可用下式求算：式中式中 风道的摩擦阻力系数，风道的摩擦阻力系数，NsNs2 2/m/m4 4；n n风道大、小断面积之比，即风道大、小断面积之比，即2 21 1；扩张角。扩张角。4 4转弯转弯巷道转弯时的局部阻力系数巷道转弯时的局部阻力系数(考虑巷道粗糙程度考虑巷道粗糙程度)可按下式计算：可按下式计算：当巷高与巷宽之比当巷高与巷宽之比H H/b b=0.2=0.21.01.0 时，时，当当 H H/b b=1=12.5 2.5 时时 式中式中 0 0假定边壁完全光滑时，假定边壁完全光滑时，9090转弯的局部阻力系数，其值见转弯的局部阻力系数，其值见表表3-3-13-3-1；巷道的摩擦阻力系数，巷道的摩擦阻力系数，N.sN.s2 2/m/m4 4；巷道转弯角度影响系数，见表巷道转弯角度影响系数，见表3-3-23-3-2。5 5风流分叉与汇合风流分叉与汇合1)1)风流分叉风流分叉 典典型型的的分分叉叉巷巷道道如如图图所所示示，1 12 2段段的的局局部部阻阻力力h hl l2 2和和1 13 3段段的的局局部部阻阻力力h hl l3 3分别用下式计算：分别用下式计算：2)2)风流汇合风流汇合 如图所示，如图所示，1 13 3段和段和2 23 3段的局部阻力段的局部阻力h hl l3 3、h hl l2 23 3分别按下式计算：分别按下式计算：式中：式中：1223123(二二)局部风阻局部风阻在局部阻力计算式中，令在局部阻力计算式中，令 ，则有：则有：式中式中R Rl l称为局部风阻，其单位为称为局部风阻，其单位为N.sN.s2 2/m/m8 8或或kg/mkg/m7 7。此式表明，在紊流条件下局部阻力也与风量的平方成正比此式表明，在紊流条件下局部阻力也与风量的平方成正比第四节第四节 矿井总风阻与矿井等积孔矿井总风阻与矿井等积孔 一、井巷阻力特性一、井巷阻力特性在紊流条件下，摩擦阻力和在紊流条件下，摩擦阻力和局部阻力均与风量的平方成局部阻力均与风量的平方成正比。故可写成一般形式：正比。故可写成一般形式：h hRQRQ2 2 Pa Pa。对对于于特特定定井井巷巷，R R为为定定值值。用用纵纵坐坐标标表表示示通通风风阻阻力力(或或压压力力)，横横坐坐标标表表示示通通过过风风量量，当当风风阻阻为为R R时时，则则每每一一风风量量Q Qi i值值，便便有有一一阻阻力力h hi i值值与与之之对对应应，根根据据坐坐标标点点（Q Qi i,h,hi i）即即可可画画出出一一条条抛抛物物线线。这这条条曲曲线线就就叫叫该该井井巷巷的阻力特性曲线。风阻的阻力特性曲线。风阻R R越大，曲线越陡。越大，曲线越陡。QhR二、矿井总风阻二、矿井总风阻 从从入入风风井井口口到到主主要要通通风风机机入入口口，把把顺顺序序连连接接的的各各段段井井巷巷的的通通风风阻阻力力累累加加起起来来，就就得得到到矿矿井井通通风风总总阻阻力力h hRmRm，这这就是井巷通风阻力的叠加原则。就是井巷通风阻力的叠加原则。已已知知矿矿井井通通风风总总阻阻力力h hRmRm和和矿矿井井总总风风量量Q Q，即即可可求求得得矿矿井井总风阻：总风阻：N.sN.s2 2/m/m8 8 R Rm m是是反反映映矿矿井井通通风风难难易易程程度度的的一一个个指指标标。R Rm m越越大大，矿矿井井通风越困难；通风越困难；三、矿井等积孔三、矿井等积孔我国常用矿井等积孔作为衡量矿井通风难易程度的指标。我国常用矿井等积孔作为衡量矿井通风难易程度的指标。假假定定在在无无限限空空间间有有一一薄薄壁壁，在在薄薄壁壁上上开开一一面面积积为为A A(m(m2 2)的的孔孔口口。当当孔孔口口通通过过的的风风量量等等于于矿矿井井风风量量，且且孔孔口口两两侧侧的的风风压压差差等于矿井通风阻力时，则孔口面积等于矿井通风阻力时，则孔口面积A A称为该矿井的等积孔。称为该矿井的等积孔。AIIIP2,v2P2,v2设风流从设风流从I III II，且无能量损失，且无能量损失，则有：则有：得：得：风流收缩处断面面积风流收缩处断面面积A A2 2与孔口面积与孔口面积A A之比称为之比称为收缩系数收缩系数，由水力学可，由水力学可知，一般知，一般=0.65=0.65，故，故A A2 2=0.65=0.65A A。则。则v v2 2Q/AQ/A2 2=Q/0.65=Q/0.65A A，代入上式后并整，代入上式后并整理得：理得：取取=1.2kg/m=1.2kg/m3 3，则：，则：因因R Rm m=h hm m2 2，故有，故有 由此可见，由此可见，A A是是R Rm m的函数，的函数，故可以表示矿井通风的难易程度。故可以表示矿井通风的难易程度。当当A A，容易；，容易；A A 2 2，中等；，中等；A A困难。困难。例例题题3-73-7某某矿矿井井为为中中央央式式通通风风系系统统，测测得得矿矿井井通通风风总总阻阻力力h hRmRm=2800Pa=2800Pa，矿矿井井总总风风量量Q Q=70m=70m3 3/s/s，求求矿矿井井总总风风阻阻R Rm m和和等等积积孔孔A A，评评价价其其通通风风难易程度。难易程度。解解 对照表对照表3-4-13-4-1可知，该矿通风难易程度属中等。可知，该矿通风难易程度属中等。1 1、对对于于多多风风机机工工作作的的矿矿井井，应应根根据据各各主主要要通通风风机机工工作作系系统统的的通通风风阻阻力力和和风风量量，分分别别计计算算各各主主要要通通风风机机所所担担负负系系统统的的等等积积孔孔，进进行行分分析评价。析评价。2 2、必必须须指指出出，表表3-4-13-4-1所所列列衡衡量量矿矿井井通通风风难难易易程程度度的的等等积积孔孔值值，是是18731873年年缪缪尔尔格格(Murgue)(Murgue)根根据据当当时时的的生生产产情情况况提提出出的的3 3，一一直直沿沿用用至至今今。由由于于现现代代的的矿矿井井规规模模、开开采采方方法法、机机械械化化程程度度和和通通风风机机能能力力等等较较以以前前已已有有很很大大的的发发展展和和提提高高，表表中中的的数数据据对对小小型型矿矿井井还还有有一一定定的的参参考考价价值值，对对大大型型矿矿井井或或多多风风机机通通风风系系统统的的矿矿井井，衡衡量量通风难易程度的指标还有待研究。通风难易程度的指标还有待研究。第五节第五节 降低矿井通风阻力措施降低矿井通风阻力措施降低矿井通风阻力，对保证矿井安全生产和提高经济效益具有重要意降低矿井通风阻力，对保证矿井安全生产和提高经济效益具有重要意一、降低井巷摩擦阻力措施一、降低井巷摩擦阻力措施1 1减小摩擦阻力系数减小摩擦阻力系数。2 2保保证证有有足足够够大大的的井井巷巷断断面面。在在其其它它参参数数不不变变时时，井井巷巷断断面面扩扩大大33%33%，R Rf f值可减少值可减少50%50%。3 3选选用用周周长长较较小小的的井井巷巷。在在井井巷巷断断面面相相同同的的条条件件下下，圆圆形形断断面面的的周周长长最最小小，拱形断面次之，矩形、梯形断面的周长较大。拱形断面次之，矩形、梯形断面的周长较大。4 4减少巷道长度。减少巷道长度。5 5避免巷道内风量过于集中。避免巷道内风量过于集中。二、降低局部阻力措施二、降低局部阻力措施局局部部阻阻力力与与值值成成正正比比，与与断断面面的的平平方方成成反反比比。因因此此，为为降降低低局局部部阻阻力力，应应尽尽量量避避免免井井巷巷断断面面的的突突然然扩扩大大或或突突然然缩缩小小，断断面面大大小小悬悬殊殊的的井井巷巷，其其连连接接处处断断面面应应逐逐渐渐变变化化。尽尽可可能能避避免免井井巷巷直直角角转转弯弯或或大大于于9090的的转转弯弯，主主要要巷巷道道内内不不得得随随意意停停放放车车辆辆、堆堆积积木木料料等等。要要加加强强矿矿井井总总回回风风道道的的维维护和管理，对冒顶、片帮和积水处要及时处理。护和管理，对冒顶、片帮和积水处要及时处理。本章习题本章习题3-23-23-63-63-73-73-83-83-103-103-113-11