第三章井巷通風(fēng)阻力

1、第三章井巷通風(fēng)阻力本章重點和難點：摩擦阻力和局部阻力產(chǎn)生的原因和測算當(dāng)空氣沿井巷運動時，由于風(fēng)流的粘滯性和慣性以及井巷壁面等對風(fēng)流的阻滯、擾動作用而形成通風(fēng)阻力，它是造成風(fēng)流能量損失的原因。井巷通風(fēng)阻力可分為兩類：摩擦阻力（也稱為沿程阻力）和局部阻力。第一節(jié)井巷斷面上風(fēng)速分布、風(fēng)流流態(tài)1、管道流同一流體在同一管道中流動時，不同的流速，會形成不同的流動狀態(tài)。當(dāng)流速較低時，流體質(zhì)點互不混雜，沿著與管軸平行的方向作層狀運動，稱為層流（或滯流）。當(dāng)流速較大時，流體質(zhì)點的運動速度在大小和方向上都隨時發(fā)生變化，成為互相混雜的紊亂流動，稱為紊流（或湍流）。Re（1）雷諾數(shù)Re式中：平均流速v、管道直徑d和流

2、體的運動粘性系數(shù)丫。在實際工程計算中，為簡便起見，通常以Re=2300作為管道流動流態(tài)的判定準數(shù)，即：Re<2300層流，Re>2300紊流（2）當(dāng)量直徑對于非圓形斷面的井巷，Re數(shù)中的管道直徑d應(yīng)以井巷斷面的當(dāng)量直徑de來表示:Sde4U因此，非圓形斷面井巷的雷諾數(shù)可用下式表示:Re4vSU對于不同形狀的井巷斷面，其周長U與斷面積S的關(guān)系，可用下式表示:UCS式中：C斷面形狀系數(shù)：梯形C=4.16;三心拱C=3.85;半圓拱C=3.90o(舉例見P38)2、孔隙介質(zhì)流在采空區(qū)和煤層等多孔介質(zhì)中風(fēng)流的流態(tài)判別準數(shù)為：vK式中：K冒落帶滲流系數(shù)，m2;l濾流帶粗糙度系數(shù)，m。層流，R

3、eW0.25;紊流，Re>2.5;過渡流0.25vRe<2.5、井巷斷面上風(fēng)速分布(1)紊流脈動風(fēng)流中各點的流速、壓力等物理參數(shù)隨時間作不規(guī)則變化。(2)時均速度瞬時速度VX隨時間T內(nèi)，流速Vx總是圍繞著某一平均值上下波動。(3)巷道風(fēng)速分布由于空氣的粘性和井巷壁面摩擦影響，井巷斷面上風(fēng)速分布是不均勻的。層流邊層：在貼近壁面處仍存在層流運動薄層，即層流邊層。其厚度S隨曾加而變薄，它的存在對流動阻力、傳熱和傳質(zhì)過程有較大影響。在層流邊層以外，從巷壁向巷道軸心方向，風(fēng)速逐漸增大，呈拋物線分布平均風(fēng)速:vVidSSSVidSSi式中：巷道通過風(fēng)量Q。貝U:Q=VxS風(fēng)速分布系數(shù)：斷面上平

4、均風(fēng)速V與最大風(fēng)速Vmax的比值稱為風(fēng)速分布系數(shù)（速度場系數(shù)）,用Kv表示：Vmax巷壁愈光滑，Kv值愈大，即斷面上風(fēng)速分布愈均勻砌碹巷道，Kv=0.80.86;木棚支護巷道，Kv=0.680.82;無支護巷道，Kv=0.740.81。第二節(jié)摩擦風(fēng)阻與阻力一、摩擦阻力風(fēng)流在井巷中作沿程流動時，由于流體層間的摩擦和流體與井巷壁面之間的摩擦所形成的阻力稱為摩擦阻力（也叫沿程阻力）。由流體力學(xué)可知，無論層流還是紊流，以風(fēng)流壓能損失來反映的摩擦阻力可用下式來計算：(Pa)hfd；入-無因次系數(shù)，即摩擦阻力系數(shù)，通過實驗求得。d圓形風(fēng)管直徑，非圓形管用當(dāng)量直徑；1.尼古拉茲實驗實際流體在流動過程中，沿程

5、能量損失一方面（內(nèi)因）取決于粘滯力和慣性力的比值，用雷諾數(shù)Re來衡量；另一方面（外因）是固體壁面對流體流動的阻礙作用，故沿程能量損失又與管道長度、斷面形狀及大小、壁面粗糙度有關(guān)。其中壁面粗糙度的影響通過入值來反映。19321933年間，尼古拉茲把經(jīng)過篩分、粒徑為&的砂粒均勻粘貼于管壁。砂粒的直徑&就是管壁凸起的高度，稱為絕對糙度；絕對糙度&與管道半徑r的比值&/r稱為相對糙度。以水作為流動介質(zhì)、對相對糙度分別為1/15、1/30.6、1/60、1/126、1/256、1/507六種不同的管道進行試驗研究。對實驗數(shù)據(jù)進行分析整理，在對數(shù)坐標紙上畫出入與Re的關(guān)系曲

6、線，如圖3-2-1所示。結(jié)論分析：丄一區(qū)層流區(qū)一。當(dāng)Rev2320（即IgRev3.36）時，不論管道粗糙度如何，其實驗結(jié)果都集中分布于直線I上。這表明入與相對糙度&/r無關(guān)，只與Re有關(guān)，且入=64/Re。與相對粗糙度無關(guān)且區(qū)過渡流區(qū)。2320WRe<4000（即3.36<IgRe<3.6），在此區(qū)間內(nèi)，不同相對糙度的管內(nèi)流體的流態(tài)由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪?。所有的實驗點幾乎都集中在線段U上。入隨Re增大而增大，與相對糙度無明顯關(guān)系。皿區(qū)水力光滑管區(qū)。在此區(qū)段內(nèi)，管內(nèi)流動雖然都已處于紊流狀態(tài)（Re>4000），但在一定的雷諾數(shù)下，當(dāng)層流邊層的厚度S大于管道的絕對糙度&a

7、mp;（稱為水力光滑管）時，其實驗點均集中在直線川上，表明入與&仍然無關(guān)，而只與Re有關(guān)。隨著Re的增大，相對糙度大的管道，實驗點在較低Re時就偏離直線川，而相對糙度小的管道要在Re較大時才偏離直線川。M區(qū)二二紊流過渡區(qū)一，即圖中W所示區(qū)段。在這個區(qū)段內(nèi)，各種不同相對糙度的實驗點各自分散呈一波狀曲線，入值既與Ret關(guān)，也與&/r有關(guān)。V區(qū)一一水力粗糙管區(qū)。在該區(qū)段，Refi較大，管內(nèi)液流的層流邊層已變得極薄，有&>>3，砂粒凸起高度幾乎全暴露在紊流核心中，故Re對入值的影響極小，略去不計，相對糙度成為入的唯一影響因素。故在該區(qū)段，入與Re無關(guān)，而只與相對糙度

8、有關(guān)。摩擦阻力與流速平方成正比，故稱為阻力平方區(qū)，尼古拉茲公式：12r1.742lg當(dāng)流體在圓形管道中作層流流動時,32Ld2Re從理論上可以導(dǎo)出摩擦阻力計算式:Vd2層流摩擦阻力64Re可得圓管層流時的沿程阻力系數(shù):64Re古拉茲實驗所得到的層流時入與Re的關(guān)系，與理論分析得到的關(guān)系完全相同，理論與實驗的正確性得到相互的驗證。層流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比。3、紊流摩擦阻力對于紊流運動，入=f(Re,£/r)，關(guān)系比較復(fù)雜。用當(dāng)量直徑de=4S/U代替d,代入阻力通式，則得到紊流狀態(tài)下井巷的摩擦阻力計算式:hfv2丄斗Q28S8S3、摩擦阻力系數(shù)與摩擦風(fēng)阻1摩擦阻力系數(shù)a礦井

9、中大多數(shù)通風(fēng)井巷風(fēng)流的Refi已進入阻力平方區(qū)，入值只與相對糙度有關(guān),對于幾何尺寸和支護已定型的井巷，相對糙度一定，則入可視為定值；在標準狀態(tài)下空氣密度P=1.2kg/m3對上式，令：8a稱為摩擦阻力系數(shù)，單位為kg/m3或N.s2/m4則得到紊流狀態(tài)下井巷的摩擦阻力計算式寫為：hfLU!QS3標準摩擦阻力系數(shù)：通過大量實驗和實測所得的、在標準狀態(tài)(po=1.2kg/m3)條件下的井巷的摩擦阻力系數(shù)，即所謂標準值ao值，當(dāng)井巷中空氣密度卩工1.2kg/m3時，其a值應(yīng)按下式修正：1.22.摩擦風(fēng)阻Rf對于已給定的井巷，L、U、S都為已知數(shù)，故可把上式中的a、L、U、S歸結(jié)為一個參數(shù)Rf:RfL

10、US3Rf稱為巷道的摩擦風(fēng)阻，其單位為：kg/m7或N.s2/m8。工程單位：kgf.s2/m8，或?qū)懗桑簁卩。1N.s2/m8=9.8kp一般變化不大Rf=f(p,S,U,L)。在正常條件下當(dāng)某一段井巷中的空氣密度時，可將Rf看作是反映井巷幾何特征的參數(shù)。則得到紊流狀態(tài)下井巷的摩擦阻力計算式寫為:hfRfQ2此式就是完全紊流（進入阻力平方區(qū)）下的摩擦阻力定律。三、井巷摩擦阻力計算方法新建礦井：查表得a0fafRffhf生產(chǎn)礦井：hffRffafa0四、生產(chǎn)礦井一段巷道阻力測定1、壓差計法用壓差計法測定通風(fēng)阻力的實質(zhì)是測量風(fēng)流兩點間的勢能差和動壓差，計算出兩測點間的通阻力。hRP1P22Vi2

11、2V2其中：右側(cè)的第二項為動壓差，通過測定1、2兩斷面的風(fēng)速、大氣壓、干濕球溫度，即可計算出它們的值。第一項和第三項之和稱為勢能差，需通過實際測定。1）布置方式及連接方法2）阻力計算壓差計牛”感受的壓力：P1m1g（Z1Z2）壓差計”感受的壓力:故壓差計所示測值:2gmiZ1gm2乙hp1mg（乙Z2）（巳2mgZ2）n1（Z乙）m2乙上2且與1、2斷面間巷道中空氣平均密度相等，貝h（P1P2）Z12mg式中：乙2為1、2斷面高差，h值即為1、2兩斷面壓能與位能和的差值。根據(jù)能量方程，則1、2巷道段的通風(fēng)阻力hR12為：hR12h把壓差計放在1、2斷面之間，測值是否變化?2、氣壓計法（原理、方

12、法）由能量方程：hR12=(P1-P2)+(1V2/2-2V22/2)+m12gZ2用精密氣壓計分另測得1，2斷面的靜壓P1，P2用干濕球溫度計測得.t1,t2,t1一'和21,2,進而計算.丄一.2用風(fēng)表測定1，2斷面的風(fēng)速v1,v2。m12為1，2斷面的平均密度，若咼差不大，就用算術(shù)平均值，若咼差大，則有加權(quán)平均值;Z121,2斷面高差，從采掘工程平面圖查得?？捎弥瘘c測定法，一臺儀器在井底車場監(jiān)視大氣壓變化，然后對上式進行修正。22hR12=（P仁P2）+P12（+（1V1/2-2V2/2）+m12gZ12例題3-3某設(shè)計巷道為梯形斷面，S=8m2,L=100Om,采用工字鋼棚支護

13、，支架截面高度do=14cm，縱口徑=5，計劃通過風(fēng)量Q=1200m3/min，預(yù)計巷道中空氣密度p=1.25kg/m3，求該段巷道的通風(fēng)阻力。解根據(jù)所給的d。、S值，由附錄4附表4-4查得：=284.2X10_4X0.88=0.025NS/m4則：巷道實際摩擦阻力系數(shù)Ns2/m41.20.0251.250.026巷道摩擦風(fēng)阻RfLUS3L4.6S0.026100011.77-S38"巷道摩擦阻力hfRfQ20.5982120060239.2Pa0.598NS2/m8第三節(jié)局部風(fēng)阻與阻力由于井巷斷面、方向變化以及分岔或匯合等原因，使均勻流動在局部地區(qū)受到影響而破壞，從而引起風(fēng)流速度場

14、分布變化和產(chǎn)生渦流等，造成風(fēng)流的能量損失，這種阻力稱為局部阻力。由于局部阻力所產(chǎn)生風(fēng)流速度場分布的變化比較復(fù)雜性，對局部阻力的計算一般采用經(jīng)驗公式。一、局部阻力及其計算和摩擦阻力類似，局部阻力h般也用動壓的倍數(shù)來表示：hl式中：E局部阻力系數(shù)，無因次。層流E旦Re計算局部阻力，關(guān)鍵是局部阻力系數(shù)確定，因v=Q/S，當(dāng)E確定后，便可用幾種常見的局部阻力產(chǎn)生的類型:hl2S2Q21、突變紊流通過突變部分時，由于慣性作用，出現(xiàn)主流與邊壁脫離的現(xiàn)象，在主流與邊壁之間形成渦漩區(qū)，從而增加能量損失。2、漸變主要是由于沿流動方向出現(xiàn)減速增壓現(xiàn)象，在邊壁附近產(chǎn)生渦漩。因為Vhvp，壓差的作用方向與流動方向相反

15、，使邊壁附近，流速本來就小，趨于0,在這些地方主流與邊壁面脫離，出現(xiàn)與主流相反的流動，面渦漩。3、轉(zhuǎn)彎處流體質(zhì)點在轉(zhuǎn)彎處受到離心力作用，在外側(cè)出現(xiàn)減速增壓，出現(xiàn)渦漩。4、分岔與會合上述的綜合。渦漩區(qū)愈大，能量損失愈多，局部阻力局部阻力的產(chǎn)生主要是與渦漩區(qū)有關(guān),愈大。二、局部阻力系數(shù)和局部風(fēng)阻（一）局部阻力系數(shù)E紊流局部阻力系數(shù)E般主要取決于局部阻力物的形狀，而邊壁的粗糙程度為次2要因素1突然擴大SS222v12hiS2S2V222S；式中：V1、V2分別為小斷面和大斷面的平均流速，m/s；S1、S2分別為小斷面和大斷面的面積，m；Pm空氣平均密度，kg/m3。對于粗糙度較大的井巷，可進行修正1

16、-0.012突然縮小對應(yīng)于小斷面的動壓,E值可按下式計算:1-0.0133 逐漸擴大逐漸擴大的局部阻力比突然擴大小得多,其能量損失可認為由摩擦損失和擴張損失兩部分組成1sin212nsin當(dāng)20。時，漸擴段的局部阻力系數(shù)E可用下式求算:式中風(fēng)道的摩擦阻力系數(shù)，Ns2/m4;n風(fēng)道大、小斷面積之比，即S2/S1；9擴張角。4 .轉(zhuǎn)彎巷道轉(zhuǎn)彎時的局部阻力系數(shù)（考慮巷道粗糙程度）可按下式計算:當(dāng)巷高與巷寬之比H/b=0.21.0時，281H0.350.65-b當(dāng)H/b=12.5時28式中E0假定邊壁完全光滑時，90。轉(zhuǎn)彎的局部阻力系數(shù)，其值見表3-3-1;巷道的摩擦阻力系數(shù)，N.s2/m4;B巷道轉(zhuǎn)

17、彎角度影響系數(shù)，見表3-3-25 .風(fēng)流分叉與匯合1）風(fēng)流分叉典型的分叉巷道如圖所示，12段的局部阻力hiI2和13段的局部阻力hi】3分別用下式計算：h122V12v1v2cos2Vhn3V12vmcos3vf2）風(fēng)流匯合如圖所示，13段和23段的局部阻力hi】3、h1322V12V32V3式中:QiQ2VicosiQ2-V2cos2Q3h|23K22V22V37；（二）局部風(fēng)阻在局部阻力計算式中，令RihiRiQ2則有:式中Ri稱為局部風(fēng)阻，其單位為N.s2/m8或kg/m7此式表明，在紊流條件下局部阻力也與風(fēng)量的平方成正比第四節(jié)礦井總風(fēng)阻與礦井等積孔一、井巷阻力特性在紊流條件下，摩擦阻力

18、和局部阻力均與風(fēng)量的平方成正比。故可寫成一般形式：h=RQ2Pa。對于特定井巷，R為定值。用縱坐標表示通風(fēng)阻力（或壓力），橫坐標表示通過風(fēng)量，當(dāng)風(fēng)阻為R時，則每一風(fēng)量Qi值，便有一阻力hi值與之對應(yīng)，根據(jù)坐標點（Qi,hi）即可畫出一條拋物線。這條曲線就叫該井巷的阻力特性曲線。風(fēng)阻R越大，曲線越陡。二、礦井總風(fēng)阻從入風(fēng)井口到主要通風(fēng)機入口，把順序連接的各段井巷的通風(fēng)阻力累加起來，就得到礦井通風(fēng)總阻力hRm，這就是井巷通風(fēng)阻力的疊加原則。已知礦井通風(fēng)總阻力hRm和礦井總風(fēng)量Q,即可求得礦井總風(fēng)阻:RhRmm2Q2N.s2/m8Rm是反映礦井通風(fēng)難易程度的一個指標。Rm越大，礦井通風(fēng)越困難;三、礦

19、井等積孔我國常用礦井等積孔作為衡量礦井通風(fēng)難易程度的指標。假定在無限空間有一薄壁，在薄壁上開一面積為A(m2)的孔口。當(dāng)孔口通過的風(fēng)量等于礦井風(fēng)量,而且孔口兩側(cè)的風(fēng)壓差等于礦井通風(fēng)阻力時，則孔口面積A稱為該礦井的等積孔。設(shè)風(fēng)流從III,且無能量損失,則有:PiV；2得：P22V222V2風(fēng)流收縮處斷面面積PiP2hRmv2、21hRmA2與孔口面積A之比稱為收縮系數(shù)©,由水力學(xué)可知,般©=0.65,故A2=0.65A。則V2=Q/A2=Q/0.65A，代入上式后并整理得:QA0.652/hRm取p=1.2kg/m3,則:A1.19QhRm因Rm=hRm/Q2,故有.1.196m由此可見，A是Rm的函數(shù)，故可以表示礦井通風(fēng)的難易程度當(dāng)A>2,容易；A=12,中等；AVI困難。例題3-7某礦井為中央式通風(fēng)系統(tǒng)，測得礦井通風(fēng)總阻力hRm=2800Pa,礦井總風(fēng)量Q=70m3/s，求礦井總風(fēng)阻Rm和等積孔A,評價其通風(fēng)難易程度。解Rmh