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《矿井通风与安全》实验指导书
( 采岩工程专业适用)

中南大学资源与安全工程学院
8月
实验一　　风流点压力及压差的测定

一、 实验目的
掌握风流点压力及压差的测定方法
二、 实验内容
了解压差计、 皮托管的构造原理, 熟悉使用皮托管、 压差计测定实验风筒内风流的静压( hs) 、 动压(hv)、 全压(ht)及压差 (h1－2)的方法。真正理解抽出式、 压入式通风时, 静压、 动压及全压三种压力之间的关系。
三、 实验所用仪器及其构造原理
风流的静压、 动压、 全压和压差一般见U形压差计、 单管倾斜压差计或补偿式微压计与皮托管配合测量的。
1.U形压差计
它可分为垂直和倾斜两种类型, 它都是由一内径相同, 装有蒸馏水或酒精的U形管与刻度尺所构成。如图1－1:

( a) U形压差计 ( b) 倾斜压差计
图1－1
它的测压原理:
U形管两侧液面受到相同压力时, 液面处于同一水平, 当两侧压力不同时, 压力大的一侧液面下降, 另一测液面上升, 两液面间的高差所产生的压力即为所测压力差。
对于垂直U形管压差计来说, 两液面的高差L就是两侧压力差H。
H=L ( Pa) ( 1－1)
对于倾斜压差计来说, 两侧施加不同压力后液面所错开的距离为L＇, 则两侧的压力差是:
H=L＇sinα ( Pa) ( 1－2)
式中:
α——U型管倾斜的角度。
U形压差计精度低, 一般只能达到1mm液柱, 多用于测量较大的压差。倾斜U形压差计精度比垂直U形压差计精度要高一些。
2.单管倾斜压差计
单管倾斜压差计是由一个较大断面的容器A与一个可调倾斜角小断面的倾斜测压管B相互连通而成, 一般A与B断面的比例为250～300, 其中充有适量的酒精。
图1－2单管倾斜压差计原理图
它的测压原理: 当A与B内承受相同的压力时, 液面保持水平, 当A与B内承受的压力不同时( A内压力较大) , A内液面稍有下降, B内液面上升, 因A容器断面较大, 下降值一般能够忽略不计。
两侧的压差可按下式计算:
(Pa) ( 1－3)
式中:
L——倾斜测压管的始末读数差。
K——仪器校正系数。( 包括倾斜角度a与大断面容器液面下降时读数的校正) 经过实验方法测定, 其值一般分为1/2、 1/5、 1/10、 1/25、 1/50等, 可根据所测量压差大小来选取。
Δ——仪器所用液体的比重, 酒精为0.8。
单管倾斜压差计的主要部分有盛液容器A, 倾斜管B, 控制阀门, 带密闭盖的酒精注入口以及一个确定倾斜角度或K值的弧形架。
测定方法:
( 1) 根据所测压差的大小调整倾斜管所需的倾角( K值) 。
( 2) 将仪器底座调平, 使水准仪水泡位于中心。
( 3) 读倾斜管的初读数。
( 4) 将较大压力端用胶管与容器A连通, 较小压力端与倾斜管B连通。
( 5) 读倾斜管的末读数。
( 6) 根据公式计算两端压差。
3.补偿式微压计
补偿式微压计由盛水容器A和B经过胶管连通而成。容器B固定不动, 内装有水准头, 容器A能够上下移动。其原理图如图( 1－3) 。
图1－3 补偿式微压计原理图
在无压差时, 两容器水面处于同一水平面位置。当容器A和容器B受到不同压力时( B容器与较大的压力连接) , 迫使B的液面下降, 水准头露出, 同时A内液面上升, 测量时转动固定在丝杆的刻度盘, 容器A借助于丝母沿丝杆上升, 直至B中液面回到水准头所在的水平为止。即经过提高容A的位置, 用液柱高度来平衡( 补偿) 压力差造成的B中液位下降, 并恢复到原来的位置, 此时A所上升的高度即是压力差H造成的液柱高度。即
H=L ( Pa) ( 1－4)
式中:
L—— 液柱高度变化值。
为使H测量准确, 仪器上装有微调装置与水准观察装置, 微调装置由刻有200等分的微调盘构成, 将它转动一圈, 螺杆将带动A上下移动2mm, 其读度能读到0.01mm。 水准观察装置根据光学原理使水准头形成倒像, 当水准头的尖端恰好和像的尖端接触时, B中液面已经达到要求的位置。
测定方法:
( 1) 将仪器底座调平, 使水准仪水泡位于中心。
( 2) 调节微调盘, 使B中水准头和像的尖端正好相接, 读出刻度尺与微调盘的初读数。
( 3) 将较大压力端用胶管与容器B连通, 较小压力端与倾斜管A连通。
( 4) 调节微调盘, 使B中水准头和像的尖端正好相接, 读出刻度尺与微调盘的末读数。
( 5) 根据公式计算两端压差。
4.皮托管
皮托管是接收和传递风流压力的工具, 与压差计配合使用。结构如图1－4所示。

图1－4 皮托管
皮托管是由两根金属同心管构成, 内管1与外管2互不相通, 内管的一端经过管嘴直接与前孔4相通, 管嘴正对风流, 它能感受到该点的动压和静压, 即标有”+”的管脚是用来测量风流全压。外管为一断面成环状的空间, 与圆管壁上有4－6个的侧孔( 3) 连通, 这些侧孔经过外管与标有”－”的管脚相通, 由于侧孔与风流方向垂直, 只能感受到风流的静压, 即标有”-”接管是测量静压的管脚。
在安装皮托管时, 必须使管嘴正对风流方向, 其左、 右、 上、 下偏差不得超过50。
四、 实验步骤
( 1) 安平压差计或微压计, 对零或记下测压管的倾斜系数K, 读出压差计或微压计的初读数。
( 2) 根据所测风道某断面中心的动压, 静压与全压的要求, 用胶管联接好仪表, 并读出末读数。
( 3) 改变通风方式, 测出中心点的静压、 动压与全压, 并验证公式ht＝|hs|±hv.。
( 4) 测出风道内两断面之间的压差。
五、 实验报告内容
1.绘出不同通风方式时, 测定风筒中风流的静压、 动压、 全压及压差所用用仪器的连接示意图及其液面位置关系( 压差计、 微压计用U形管表示) 。
2.填写实验记录表, 详见表1。
3.计算两种不同通风方式时, 各测点的静压、 动压、 全压及压差。
4.计算中心点的静压、 动压和全压。
5.验证公式ht=|ht|±hv。
6.计算相对误差。

表1 实 验 记 录 表
测 点
断面测点读数
压 差 计 读 数
使用何种仪器
静 压
动 压
全 压
静压差
全压差
L初
L末
hs
L初
L末
hv
L初
L末
ht
L初
L末
hsⅠ-Ⅱ
L初
L末
htⅠ-Ⅱ
Ⅰ
1

2

3

平均

Ⅱ
1

2

3

平均

K＝ P0＝ 学号: 姓名: 指导老师( 签字) :

实验二 风流速度和速度剖面图的测绘

一、 实验目的
掌握用风表测定风速的方法和速度剖面图的测绘方法。
二、 实验所用仪器的构造和原理
本次实验所用的主要风表有机械式风表和热球式风速仪。
机械式风表可分为杯式风表和翼式风表。按量程可分为: 高速表( 测量范围0～30m/s) 、 中速风表( 测量范围0.5～10 m/s) 、 微速风表( 测量范围0.3～5m/s) 。
热球式风速仪为电测风速仪的一种, 其量程分为0～5m/s、 0～10m/s、 5～30m/s几种。
机械式风表测量原理: 根据单位时间内风表的旋转速度与风速成正比的关系( 公式2－1) , 经过风表转速来指示风速。机械风表主要由一在风流作用下能转动的小风扇与机械计数器组成, 计数器经过刻度盘读出转数。一般把一次测量中指针的指示数除以测量时间来确定风表的转速。
( 2－1)
式中:
V——风表指示风速。
T——测量时间。
N——风表转数。
热球式风速仪测量原理: 风速仪主要由热球式测头和测量仪表两部分组成。测杆头部有一直径约0.8mm的玻璃球。球内绕有加热玻璃球用的镍铬丝线圈和两个串连的热电阻。热电阻的冷端连接在磷铜质的支柱上, 直接暴露在气流中, 当一定大小的电流经过加热线圈后, 玻璃球的温度升高, 升高的程度和气流的速度有关, 流速小时升高的程度大, 反之升高程度小。升高程度的大小经过热电阻产生热电势在电表上指示出来。因此经过校正后可经过电表读数来表示气流的速度。
为了确定机械式风表计数器的指示数与空气流动速度的关系, 风表必须进行校正, 本实验室有一”手动式校正台”和”简易风表校正装置”供校正风表之用。”手动式校正台”经过在在静止的空气中作匀速圆周运动来校正风表; ”简易风表校正装置”是借助于一个可调速的直流电机驱动风扇在风洞内形成风流, 经过导流器和整流器, 使风洞出口段风流流场稳定。将被校风表装在风表卡上, 经过改变风机的转速得出不同风速情况下风表的指示风速, 然后计算出各对应转速下的实际风速与指示转速的关系, 然后绘制出被校风表的指示风速与实际风速的关系曲线, 就是我们所需要的校正曲线。
三、 实验内容
1.用风表测定点速
1) 机械式风表
( 1) 记录风表原始读数n0(有回零装置的风表, 使指针回零)。
( 2) 将风表置于测点, 正迎风流。
( 3) 待风表转动正常后, 同时打开风表及秒表, 测定一定时间( 100s) 后, 同时停止风表及秒表。
( 4) 记录风表转数( n) 及时间( s) 。
( 5) 计算风表单位时间内读数( 指示风速) 。
( 6) 查风表所附的校正曲线求出实际风速( m/s) 。
2) 热球式风速仪
( 1) 按要求装上电池, 在断开状态下将探头与仪表正确连接。
( 2) 在探头处于封闭情况下校准仪器, 先调满度后调零度。
( 3) 打开探头, 使探杆与风流垂直, 探头正对测点风流, 稳定后读出指示风速。
( 4) 查校正表, 求出实际风速。
( 5) 测定若干分钟后( 十分钟) 将测杆螺塞压紧探头密闭, 重复调整满度、 零度, 以保证测量的准确性。
( 6) 测量完毕后, 将”校正开关”置于”断”的位置后, 把探头从仪表上拔掉。
2.用机械式风表测定巷道内平均风速
( 1) 测量前记录风表原始读数n0。
( 2) 风表的叶轮( 小风扇) 旋转平面垂直风流方向, 待稳定转动之后, 同时打开风表和秒表, 在被测断面内按一定的路线均匀移动风表, 测量一定时间( 100s) 后, 同时关风表和秒表, 读下测量后风表读数n和测量时间( s) 。
( 3) 按读数查出速度值, 然后按照所采用的测量方法算出真正的平均风速, 即用不同的方法乗以不同的校正系数。测量方法有:
迎面法: 测风员位于巷道内, 面对着风流, 手持风表向前伸直, 沿断面均匀移动, 人也跟随移动, 校正系数值为1.14～1.15。
侧身法: 测风员背向巷道壁站立, 手持风表向着风流垂直方向, 然后在巷道断面内作均匀移动, 系数值与测量的巷道断面大小有关, 可用下式计算:
( 2－2)
式中:
S —— 巷道断面积, m2。
Vs —— 校正风速, m/s。
3.巷道内风流断面相对速度剖面图的测绘
( 1) 用皮托管和压差计按照风流点压力及压差测定方法测出风流某断面上各点( 本实验要求最少取5个测点) 的动压。
( 2) 用空盒气压计、 温度计分别测出风流的绝对静压及气温, 并计算出空气密度( ) 。
( 3) 由各点的动压算出其风速( ) 。
( 4) 取最大一个风速为1, 求出其余各点风速对最大风速的比值, 按断面上各测点相对位置绘制相对速度剖面图。
( 5) 计算出风流断面算术平均风速和风速的校正系数
( 2－3)
( 6) 求出该风流的雷诺数( ) 。

四、 实验报告格式
1.用翼式微速风表测某断面的平均风速。( 注意修正系数, 附路线图, T>100s)
测定次序
n初
n末
T
N
指示风速
校正值
修正值
平均值
第一次

第二次

第三次

2.用热球式风速仪测某断面上各点的风速, 然后求平均风速。
测 点
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
平均风速
指示风速

校正风速

3.实验风道内某断面风流相对速度剖面图的测绘。
1) 热球式风速仪 ( 附测点布置图, 断面等效直径d)
测 点
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
指示风速

校正风速

Vi/Vmax

Vm＝ K＝ Re＝
2) 翼式微速风表 ( 附测点布置图, 断面等效直径d)
测 点
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
n初

n末

N

T

指示风速

校正值

修正值

Vi/Vmax

Vm＝ K＝ Re＝

姓名: 学号: 指导老师( 签字) :
实验三　通风管道摩擦阻力系数的测定

一、 实验目的
掌握模型通风管道摩擦阻力系数的测定方法。
二、 实验所使用的仪器
微压计, 风表, 秒表, 气压计, 温度计, 皮尺, 皮托管, 橡皮管等。
三、 实验步骤
本实验用一条模型风道测定。
( 1) 安装皮托管、 橡皮管、 微压计, 如图3－1。

图3－1 通风管道摩擦阻力测定图
( 2) 选择合适风道, 并量好尺寸。测量出断面Ⅰ、 Ⅱ之间风道段尺寸长度L( m) 、 面积S( m2) 、 周长P( m) 、 纵口径△( m) 。
( 3) 首先测出风道中风流平均风速Vm( 可用皮托管、 微压计测出最大动压) 再算出; 也可用风速计在风道出口测量。再按公式( 3－1) 算出雷诺数。若不到100000时, 应增大风速, 当Re值达到100000时, 能够测定。
( 3－1)
( 4) 测出断面Ⅰ、 Ⅱ间风流的静压差hs1－2,平均动压hv1、 hv2,再按伯努力方程, 求出摩擦阻力h阻 = hs1－2+( hv1 - hv2)。
( 5) 算出两断面的平均风速Vm和风量Qm。
( 6) 利用公式( 3－2) 计算α实实值。
( 3－2)
( 7) 用气压计测出大气压P, 用温度计测出气温T, 用式( 3－3) 计算空气密度。
( kg/m3) ( 3－3)
( 8) 按式( 3－4) 计算标准的α标值。
( 3－4)
( 9) 根据风道模型尺寸, 经过查表得出风道的α值, 与实验算出结果比较, 求出两者误差。
四、 报告内容
( 1) 画出原理图
( 2) 模型尺寸表
L( m)
P(m)
S(m2)
S3

( 3) 记录表格
静压差hsⅠ-Ⅱ
Ⅰ 点 动 压
读 数( mm)
实际值
( Pa)
读 数( mm)
实际值( Pa)
测量前
测量后
倾斜系数( K= )
测量前
测量后
倾斜系数( K= )

Ⅱ 点 动 压
V1
(m/s)
V2
(m/s)
V3
(m/s)
V4
(m/s)
V5
(m/s)
Vm
(m/s)
Q
( m3/s)
读 数( mm)
实际值
( Pa)
测量前
测量后
倾斜系数( K= )

(4) 室内气压P＝ ( KPa)
气温T＝ ( K)
空气密度＝ ( kg/m3)
( 5) 两断面间风流摩擦损失hf＝ (Pa)
( 6) 实测风道模型＝
( 7) 折算成( ＝1.2) 值的＝

姓名 学号 指导老师( 签字) :
实验四　 通风机性能测定

一、 实验目的
掌握测定通风机在一定转速下的运转特性曲线( H～Q, N～Q和η～Q) 的方法。
二、 实验装置和方法
本实验室所用的实验装置是一台离心式小型通风机, 其进风口接装风筒, 采用进气( 抽出式) 实验, 即在风筒入口附近特定断面Ⅰ上测出风流的相对静压hsdⅠ。用此值换算风速和风机进口的动压, 在风筒断面Ⅱ上测出风流的相对静压hsdⅡ, 用以求算通风机的有效静压hs, 因此, 应按该测定方法进行有关计算( 与采用皮托管测动压的方法及其计算有所不同) 。
三、 使用的仪器
压差计两台( 一台U形水柱计测hsdⅠ, 另一台微压计测hsdⅡ) 、 空盒气压计、 温湿度计; 卡规; 小钢尺; 转速计; 交流电流表; 功率表( 功率因素表) 。

1——通风机; 2——风筒; 3——进风口整流栅; 4——风流入口集流器( 圆锥形) ;
5、 6——测压接管; 下端接风筒周壁上小孔, 上端接压差计; 7——网栅节流器。
图4－1 通风机性能测定图

四、 测定方法与步骤
1.将人员分工, 分别负责测定如下参数:
空气密度、 hsdⅠ、 hsdⅡ、 风机轮轴转速、 输入电功率以及调节流门的过风面积。
各人负责所用仪器就绪。
2.大气气象条件测定
在风筒进口附近, 待通风机正常运转数分钟后, 用空盒气压计测出流过集流器的风流的绝对静压P1( Pa) ,再用温湿度计测出气温t1和湿度。
3、 用改变节流门过风面积的方法, 亦即改变通风机的工况点( 即改变所负担的风阻) 的办法, 对每一个工况点, 应同时测记hsdⅠ, hsdⅡ, 输入电功率W, 风机转速。测定时能够由节流门全启开开始作为第一工况点, 以后逐渐封闭部分节流门, 作为第2、 3, …工况点, 最后全部密封节流门, 作为最后一个工况点, 一般共取7～9点即可, 对每一个工况点的参数, 应在改变节流门后稍等片刻再读取数据, 若读数有波动, 可读取其平均值。
五、 实测参数计算
1.风筒进口处空气密度
( kg/m3) ( 4－1)
2.风筒断面Ⅰ处风流的速度
( m/s) ( 4－2)
式中:
——集流器系数, 对圆锥形集流器=0.98。
hsdⅠ——风筒断面Ⅰ处风流相对静压, Pa。
ρⅠ——风筒断面Ⅰ处空气密度值, kg/m3。
3.通风机风量Q
Q=VⅠSⅠ (m3/s) ( 4－3)
式中:
VⅠ——风筒断面Ⅰ处风流的速度( m/s) 。
SⅠ——风筒断面Ⅰ处的净断面积, ( m2) 。
4.通风机的有效静压Hs
Hs= |hsⅡ|－hvⅡ ( Pa) ( 4－4)
式中:
hsⅡ——风筒断面Ⅱ处风流的相对静压,( Pa) 。
hvⅡ——风筒断面Ⅱ处风流的动压, ( Pa) 。
说明: 因风筒断面Ⅰ与Ⅱ的断面积相等, 故速度相等。则 ( Pa) ( 4－5)
5.通风机的全压Ht
Ht＝Hs＋hvⅢ ( Pa) ( 4－6)
式中:
hvⅢ——通风机出口风流动压。
( Pa) ( 4－7)
式中:
Q——通风机风量( m3/s) 。
SⅢ——通风机出口断面积, 0.5g≈0.051, m2。
——通风机出口风流的空气密度, kg/m3。
6.通风机轴功率
( KW) ( 4－8)
式中:
I——电流, A。
U——电压, V。
cosφ——功率因素, 。
ηm——电动机效率, 取0.9。
7.通风机效率
( 1) 静压效率: ( 4－9)
( 2) 全压效率: ( 4－10)
上两式中符号意义同前。
8.若需将Hs, Ht, Q, N换算成为某一标准空气密度下的值, 或者也换算成某一相同转速下的值时( 当工况点的转速变化时) , 可按公式( 4－11) , ( 4－12) , ( 4－13) 换算。
( 4－11)
( 4－12)
( 4－13)
9.将计算参数值填入实验记录报告中, 用坐标纸将Hs—Q, Ht－Q, N－Q, －Q, －Q, 三条曲线绘制成一组运转特性曲线。

通 风 机 性 能 记 录 表
工

况

点
原 始 数 据
计 算 数 据
hs1
( Pa)
hs2
( Pa)
I
( A)
U
( V)
W
( Kw)
n
( r/min)
tⅠ
( ℃)
tⅢ
( ℃)
Hs
( Pa)
hv3
( Pa)
Ht
( Pa)
Q
( m3/s)
N
(KW)

(%)

(%)
读
实
读
实
读
实
实
读
实
1

2

3

4

5

6

7

8

9

微
压
计
初
读
数
h10＝
h20＝
K ＝
Δ ＝
P1＝
P3＝
＝
＝
通

风

机
SⅠ＝0.066 m2
SⅢ＝0.067 m2
D＝290 mm
＝0.98
d＝400 mm
通
风
机
型
号
4－62＃4
Q2500/5900 m3/h
全压＝230/20 mmH2O
电

机
To51－2
N＝4.5

姓名 学号 指导老师签字: