第03章井巷通風阻力

1、當空氣沿井巷運動時，由于風流的粘滯性和慣性以及井巷壁面等對風流的阻滯、擾動作用而形成通風阻力，它是造成風流能量損失的原因。井巷通風阻力可分為兩類：l 摩擦阻力(也稱為沿程阻力)l 局部阻力本章學習目標本章學習目標l 了解層流、紊流的特征及其與雷諾數的關系。l 熟悉井巷斷面上的風速分布特征。l 掌握摩擦阻力系數、摩擦風阻、摩擦阻力內涵及其計算方法。l 熟悉局部阻力的概念、計算方法。l 掌握井巷阻力特性，掌握礦井總風阻的計算方法。l 理解礦井等積孔的含義及其計算方法。l 掌握降低井巷摩擦阻力和局部阻力的方法。第一節(jié) 井巷斷面上的風速分布一 風流流態(tài)DBAC墨水流線玻璃管雷諾實驗（1）雷諾實驗）雷諾

2、實驗 1883年年, 英國物理學家英國物理學家Osbone Reynolds作了如下實驗。作了如下實驗。第一節(jié) 井巷斷面上的風速分布（2）雷諾實驗現(xiàn)象雷諾實驗現(xiàn)象 兩種穩(wěn)定的流動狀態(tài)：層流、湍流。兩種穩(wěn)定的流動狀態(tài)：層流、湍流。用紅墨水觀察管中水的流動狀態(tài)用紅墨水觀察管中水的流動狀態(tài)(a)層流(b)過渡流(c)湍流 流體質點做直線運動；流體質點做直線運動； 流體分層流動，層間不相混合、不碰撞；流體分層流動，層間不相混合、不碰撞； 流動阻力來源于層間粘性摩擦力。流動阻力來源于層間粘性摩擦力。 不是獨立流型（層流不是獨立流型（層流+湍流），湍流）， 流體處于不穩(wěn)定狀態(tài)（易發(fā)生流型轉變）。流體處于不

3、穩(wěn)定狀態(tài)（易發(fā)生流型轉變）。主體做軸向運動，同時有徑向脈動；主體做軸向運動，同時有徑向脈動；特征：流體質點的脈動特征：流體質點的脈動 。第一節(jié) 井巷斷面上的風速分布（3）雷諾數）雷諾數ev dReRvd平均流速管道直徑運動粘性系數(讀Nu)雷諾數式中：流體在流體在直圓管內直圓管內流動時，當流動時，當Re2320(下臨界雷諾數下臨界雷諾數)時，為時，為層流層流；當當Re4000(上臨界雷諾數上臨界雷諾數)時，流動狀態(tài)為時，流動狀態(tài)為紊流紊流；在在Re=23204000的區(qū)域內，流動狀態(tài)不是固定的，只要稍有干擾的區(qū)域內，流動狀態(tài)不是固定的，只要稍有干擾，流態(tài)就會發(fā)生變化，因此稱為不穩(wěn)定的，流態(tài)就會

4、發(fā)生變化，因此稱為不穩(wěn)定的過渡區(qū)過渡區(qū)。礦井空氣運動粘度系數取1510-6第一節(jié) 井巷斷面上的風速分布l 當量直徑：當量直徑：l 非圓形斷面井巷雷諾數：非圓形斷面井巷雷諾數：l 井巷斷面形狀系數井巷斷面形狀系數C： 梯形梯形C=4.16；三心拱；三心拱C=3.85；半圓拱；半圓拱C=3.904eSdU4evSRUSCU （4）當量直徑）當量直徑第一節(jié) 井巷斷面上的風速分布二 井巷斷面上的風速分布 在礦井通風中，空氣流速簡稱為在礦井通風中，空氣流速簡稱為風速風速。 井巷中風流質點的運動狀態(tài)是極井巷中風流質點的運動狀態(tài)是極其復雜的，運動參數隨時間而變化。其復雜的，運動參數隨時間而變化。 AAAvv

5、vAvvOttC點A處流體質點的速度脈動曲線示意圖Av采用時均速度后，井巷風流流采用時均速度后，井巷風流流動可看作穩(wěn)定流。動可看作穩(wěn)定流。第一節(jié) 井巷斷面上的風速分布sidSvSv1巷道斷面風速分布巷道斷面風速分布Re4000Re4000ururRd湍流時流體在圓管中的速度分布湍流時流體在圓管中的速度分布umax第一節(jié) 井巷斷面上的風速分布l 風速分布系數： 斷面上平均風速v與最大風速vmax的比值稱為風速分布系數(速度場系數)，用Kv表示。巷壁愈光滑，Kv值愈大，即斷面上風速分布愈均勻。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。

6、maxvvKv第二節(jié) 摩擦風阻與阻力一 摩擦阻力l 摩擦阻力(也叫沿程阻力)：風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。l 計算公式：式中 無因次系數，通過實驗求得； d 圓形風管直徑，非圓形管用當量直徑。2 2vdLhf達西達西-威斯巴赫公式威斯巴赫公式第二節(jié) 摩擦風阻與阻力（一）尼古拉茲實驗尼古拉茲實驗l 能量損失原因： 內因：取決于粘滯力和慣性力的比值，用雷諾數Re來衡量； 外因：是固體壁面對流體流動的阻礙作用，與管道長度、斷面形狀及大小、壁面粗糙度有關。壁面粗糙度的影響通過值來反映。l 絕對糙度：砂粒的直徑就是管壁凸起的高度，l 相對糙度：絕對

7、糙度與管道半徑r的比值/r 第二節(jié) 摩擦風阻與阻力 lg 1000lg Re115r130.6r160r1126r1256r1507r2lg274.11r區(qū)區(qū)層流區(qū)層流區(qū)當當Re2320 (即即lgRe3.36)時時,只與只與Re有關，且有關，且=64/Re。與與/r無關無關區(qū)區(qū)過渡流區(qū)過渡流區(qū)。23202320ReRe4000 4000 ( (即即3.36lg3.36lgReRe3.6)3.6)，不同的管內，不同的管內流體由層流轉變?yōu)槲闪鳌Ａ黧w由層流轉變?yōu)槲闪?。隨隨ReRe增大增大而增大，與而增大，與/ /r r無明顯關系。無明顯關系。區(qū)區(qū)水力光滑管區(qū)水力光滑管區(qū)。紊。紊流狀態(tài)流狀態(tài)( (R

8、eRe4000) 4000) 與與仍然無關，只與仍然無關，只與ReRe有關有關區(qū)區(qū)紊流過渡區(qū)紊流過渡區(qū)，各，各種不同相對糙度的實驗種不同相對糙度的實驗點各自分散呈一波狀曲點各自分散呈一波狀曲線，線，值既與值既與ReRe有關，有關，也與也與/ /r r有關有關。區(qū)區(qū)- -水力粗糙管區(qū)水力粗糙管區(qū)第二節(jié) 摩擦風阻與阻力（二）層流摩擦阻力根據尼古拉茲實驗，當流體處于層流狀態(tài)時：根據尼古拉茲實驗，當流體處于層流狀態(tài)時：則，則，232fLhvd64ReevdR2642fLvhRe dl層流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比，即兩者之間滿足層流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比，即兩者之間滿足線性關系線性關系

9、。由于由于 ，則則2 2vdLhf第二節(jié) 摩擦風阻與阻力（三）紊流摩擦阻力l 對于紊流運動，=f (Re，/r)，關系比較復雜。用當量直徑 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：22388fLULUhvQSS 第二節(jié) 摩擦風阻與阻力二 摩擦阻力系數l 大多數通風井巷風流的Re值已進入阻力平方區(qū)，值只與相對糙度有關，對于幾何尺寸和支護已定型的井巷，相對糙度一定，則可視為定值。l =1.2kg/m3時l 1.2kg/m3時l 稱為摩擦阻力系數，單位為 kg/m3 或N.s2/m48 01.2第二節(jié) 摩擦風阻與阻力l 標準摩擦阻力系數在標準狀態(tài)（0=1.2kg/

10、m3）條件下，通過大量實驗和實測所得的井巷的摩擦阻力系數，即所謂標準值0值，井巷中空氣密度1.2kg/m3時，值應修正。l 紊流狀態(tài)下井巷的摩擦阻力計算式為：23fLUhQS第二節(jié) 摩擦風阻與阻力摩擦阻力系數的影響因素l 對于砌碹、錨噴巷道只考慮橫斷面上方向相對粗糙度；l 對于木棚、工字鋼、U型棚等還要考慮縱口徑=l/d0ld0隨變化實驗曲線工字鋼支架在巷道中流動狀態(tài)工字鋼支架在巷道中流動狀態(tài)第二節(jié) 摩擦風阻與阻力三 巷道的摩擦風阻Rf l 對于已給定的井巷，L、U、S都為已知數，故可把上式中的、L、U、S 歸結為一個參數Rf：l 單位：kg/m7 或 N.s2/m8。l 在正常條件下當某一段

11、井巷中的空氣密度一般變化不大時，可將Rf 看作是反映井巷幾何特征的參數。3fLURS第二節(jié) 摩擦風阻與阻力四 完全紊流下摩擦阻力l 計算公式：l Rf與hf區(qū)別： Rf是風流流動的阻抗參數 hf是流動過程能量損失2ffhR Q第二節(jié) 摩擦風阻與阻力五 井巷摩擦阻力計算方法（新建礦井）查表得查表得0計算摩擦阻力系數計算摩擦阻力系數計算井巷摩擦風阻計算井巷摩擦風阻Rf計算井巷摩擦阻力計算井巷摩擦阻力hf第二節(jié) 摩擦風阻與阻力五 井巷摩擦阻力計算方法（生產礦井）測得井巷摩擦阻力測得井巷摩擦阻力hf計算井巷摩擦風阻計算井巷摩擦風阻Rf計算摩擦阻力系數計算摩擦阻力系數計算標準阻力計算標準阻力0第三節(jié) 局

12、部風阻和阻力一 局部阻力的概念l 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，從而引起風流速度場分布變化和產生渦流等，造成風流能量損失，這種阻力稱為局部阻力。 l 由于局部阻力所產生風流速度場分布的變化比較復雜性，對局部阻力的計算一般采用經驗公式。第三節(jié) 局部風阻和阻力二 局部阻力的計算l 局部阻力的表示： 式中：局部阻力系數，無因次。l 對于層流而言：l 式中：B因局部阻力物形式不同而異的常數。BRe22lhv222lhQS或第三節(jié) 局部風阻和阻力三 幾種常見的局部阻力產生的類型l 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

13、邊壁之間形成渦漩區(qū)，從而增加能量損失。第三節(jié) 局部風阻和阻力l 漸變：主要是由于沿流動方向出現(xiàn)減速增壓現(xiàn)象，在邊壁附近產生渦漩。因為 V hv p ，壓差的作用方向與流動方向相反，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。第三節(jié) 局部風阻和阻力l 轉彎：流體質點在轉彎處受到離心力作用，在外側出現(xiàn)減速增壓，出現(xiàn)渦漩。第三節(jié) 局部風阻和阻力l 分岔與會合：l 上述的綜合。l 因此，局部阻力的產生主要是與渦漩區(qū)有關，渦漩區(qū)愈大，能量損失愈多，局部阻力愈大。第三節(jié) 局部風阻和阻力四 局部阻力系數l 紊流局部阻力系數一般主要取決于局部阻力物的形狀而邊壁

14、的粗糙程度為次要因素第三節(jié) 局部風阻和阻力l 突然擴大：或1222211112211222lvShvQSS2222222222121222lSvhvQSSv1、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；對于粗糙度較大的井巷，可進行修正： 10.01 第三節(jié) 局部風阻和阻力l 突然縮小：對應于小斷面的動壓，和值可按下式計算： 210.5 1SS10.013 第三節(jié) 局部風阻和阻力l 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。 當20時，漸擴段的局部阻力系數可用下式求算：22111sin1sin2nn

15、風道的摩擦阻力系數，Ns2/m4；n風道大、小斷面積之比，即S2S1；擴張角。 第三節(jié) 局部風阻和阻力l 轉彎： 當巷高與巷寬之比 H/b=0.21.0 時， 當H/b=12.5 時 01280.350.65H b 028bH 上式中： 0假定邊壁完全光滑時，90轉彎的局部阻力系數 巷道的摩擦阻力系數，N.s2/m4 巷道轉彎角度影響系數第三節(jié) 局部風阻和阻力l 風流分叉：典型的分叉巷道如圖所示，12段的局部阻力hl2和13段的局部阻力hl3分別用下式計算：221211 2222cos2lhKvv vv221313322lhKvvv23123第三節(jié) 局部風阻和阻力l 風流匯合：如圖所示，13段

16、和23段的局部阻力hl3、hl23分別按下式計算：221311 3332cos2lhKvv vv222323322lhKvvv12112223coscosQQvvQQ12第三節(jié) 局部風阻和阻力五 局部風阻令則有：式中Rl稱為局部風阻，其單位為N.s2/m8或kg/m7。l 此式表明，在紊流條件下局部阻力也與風量的平方成正比22lRS2llhRQ第三節(jié) 局部風阻和阻力l 局部阻力在礦井通風總阻力中一般不占很大比重l 對于有些形式的局部阻力物,如巷道拐彎等,能把測段的摩擦力與局部阻力分開l 對于如突然擴大等形式的局部阻力, 常把這局部區(qū)段的阻力視為局部阻力Rflhhh第四節(jié) 礦井總風阻與礦井等積孔

17、一 井巷阻力特性l 在紊流條件下，摩擦阻力和局部阻力均與風量的平方成正比。故可寫成一般形式：hRQ2 Pa 。l 對于特定井巷，R為定值。l 根據坐標點（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。l 風阻R越大，曲線越陡。第四節(jié) 礦井總風阻與礦井等積孔井巷阻力特性曲線0QhR第四節(jié) 礦井總風阻與礦井等積孔 已知礦井通風總阻力hRm和礦井總風量Q，即可求得礦井總風阻： N.s2/m8 l Rm是反映礦井通風難易程度的一個指標。Rm越大，礦井通風越困難；2RmmhRQ第四節(jié) 礦井總風阻與礦井等積孔二 礦井總風阻 從入風井口到主要通風機入口，把順序連接的各段井巷的通風阻力累加

18、起來，就得到礦井通風總阻力hRm，這就是井巷通風阻力的疊加原則。第四節(jié) 礦井總風阻與礦井等積孔三 礦井等積孔l礦井等積孔作為衡量礦井通風難易程度的指標。l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。當孔口通過的風量等于礦井風量，且孔口兩側的風壓差等于礦井通風阻力時，則孔口面積A稱為該礦井的等積孔。AIIIP2,v2P2,v2第四節(jié) 礦井總風阻與礦井等積孔l 設風流從I II，且無能量損失， 則有：22112222PvPv2122222/RmRmPPvhvh風流收縮處斷面面積風流收縮處斷面面積A2與孔口面積與孔口面積A之比稱為之比稱為收縮系數收縮系數，由水力學可知，一般，由水力學可知，一般=0.65，故故A2=0.65A。則。則v2Q/A2=Q/0.65A，代，代入上式后并整理得：入上式后并整理得：RmhQA/265. 0取取=1.2kg/m3，則，則RmhQA19.1因因Rm=hm2，故有，故有 mRA19.1可見，可見，A是是Rm