淺談礦井通風(fēng)系統(tǒng)中的流體力學(xué)理

1、淺談礦井通風(fēng)系統(tǒng)中的流體力學(xué)理摘要：礦井通風(fēng)是煤礦安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)，流體力學(xué)原理是通風(fēng)系統(tǒng)中的重中之重。我們將氣體在巷道中的流動(dòng)稱(chēng)為管流流動(dòng)。本文主要研究礦井風(fēng)流管流流動(dòng)特征以及其中所應(yīng)用的流體力學(xué)原理。關(guān)鍵詞：礦井通風(fēng)，管流，流體力學(xué)Abstract:Miningventilationisthebaseofsafemining,andfluidmechanicsprinciplesarethemostimportantofventilationsystem.Itisthepremiseofsafetymanagementofventilationtoanalyzeandcomputeventi

2、lationnetworkaccurately.ItisdefinedpipeflowflowingthatthegasflowinginthetunnelThisthesisismainlyaboutintegrationofpipeflowflowingKeyword:miningventilationpipeflowfluidmechanics1緒論礦井通風(fēng)系統(tǒng)是由向井下各作業(yè)地點(diǎn)供給新鮮空氣、排出污濁空氣的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)和通風(fēng)動(dòng)力及通風(fēng)控制設(shè)施等構(gòu)成的工程體系。研究礦井通風(fēng)的目的是用最經(jīng)濟(jì)的方法向井下各用風(fēng)地點(diǎn)供風(fēng)，為井下創(chuàng)造一個(gè)適宜的工作環(huán)境。礦井通風(fēng)是煤礦生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)

3、安全生產(chǎn)、防治瓦斯煤塵事故的隱患的必要條件。有效合理的通風(fēng)不僅能滿足礦井生產(chǎn)的通風(fēng)要求，而且對(duì)井下火災(zāi)及瓦斯和煤塵爆炸的防治也起著至關(guān)重要的作用。因?yàn)榈V井通風(fēng)是稀釋和排出瓦斯與粉塵最有效、最可靠的方法，也是創(chuàng)造良好勞動(dòng)環(huán)境的基本途徑，合理的通風(fēng)又是抑制煤炭自燃和火災(zāi)發(fā)生的重要手段。目前，井工煤礦用通風(fēng)方法排除礦井瓦斯量的80%-90%；排除采煤工作面瓦斯量的70%-80%；排除裝有抑塵裝置采煤工作面粉塵量的20%30%；排除深井采煤工作面熱量的60%-70%。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)災(zāi)害時(shí)，合理的通風(fēng)系統(tǒng)有助于井下工人脫離危險(xiǎn)區(qū)域，有助于防止災(zāi)害的進(jìn)一步擴(kuò)大。因此通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)礦井的生產(chǎn)意義重大。2礦井風(fēng)流管流

4、流動(dòng)特征2.1管流及研究方法流體力學(xué)中將充滿運(yùn)動(dòng)流體的空間稱(chēng)為流場(chǎng)。流場(chǎng)主要分為管流、場(chǎng)流、縫隙流和多孔介質(zhì)流等。簡(jiǎn)單說(shuō)，流體在管路（其走向尺寸遠(yuǎn)大于徑向尺寸）中的流動(dòng)就是管流。井巷風(fēng)流是連續(xù)介質(zhì)，其運(yùn)動(dòng)要素（壓力、速度、密度等）都是連續(xù)分布的，并且井巷風(fēng)流主要沿井巷的軸線方向運(yùn)動(dòng)。結(jié)合流體力學(xué)的知識(shí)，我們可以把風(fēng)流在井巷中的流動(dòng)看作管流來(lái)研究。我們可以借助流體力學(xué)中研究流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的知識(shí)來(lái)研究風(fēng)流在井巷中的流動(dòng)，即采用拉格朗日法和歐拉法來(lái)研究。1拉格朗日法從研究個(gè)別流體質(zhì)點(diǎn)著手，來(lái)研究整個(gè)流體的運(yùn)動(dòng)。由于流體質(zhì)點(diǎn)動(dòng)的復(fù)雜性，使得尋找個(gè)別流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的方法往往導(dǎo)致數(shù)學(xué)上的困難，而且對(duì)于大多

5、數(shù)實(shí)際問(wèn)題來(lái)說(shuō)，沒(méi)必要尋求個(gè)別流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，所以一般不采用該方法。2歐拉法歐拉法以研究不同流體質(zhì)點(diǎn)通過(guò)固定空間點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)，不是個(gè)別流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，而是匯集固定空間全體的流體質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)軌跡得到的流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，從而得到整個(gè)流場(chǎng)中流體的運(yùn)動(dòng)。用歐拉法研究流體運(yùn)動(dòng)，流體質(zhì)點(diǎn)各運(yùn)動(dòng)參數(shù)可以表示為時(shí)間（T）和空間坐標(biāo)（x,y,z）的函數(shù)，因此流體質(zhì)點(diǎn)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象便可以用空間坐標(biāo)的函數(shù)式進(jìn)行數(shù)學(xué)分析。所以研究流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律廣泛應(yīng)用歐拉法。2.2管流流動(dòng)狀態(tài)的判定井下巖壁溫度、扇風(fēng)機(jī)風(fēng)壓和礦井供風(fēng)量等一段時(shí)間內(nèi)一般變化不大，且礦井正常通風(fēng)期間，風(fēng)門(mén)的開(kāi)啟、提升設(shè)備的升降對(duì)局部風(fēng)流產(chǎn)生瞬時(shí)擾動(dòng)的

6、影響也不大，因此可把礦井風(fēng)流近似的看作穩(wěn)定流。通風(fēng)阻力是風(fēng)流能量損失的關(guān)鍵，而通風(fēng)阻力又和風(fēng)流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有密切關(guān)系。雷諾數(shù)R是判別管流風(fēng)流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)，其定義式為:Ree(2-1)式中：V為巷道中流動(dòng)氣體的平均速度m/s；d為圓形管道的當(dāng)量直徑m；v為巷道中空氣的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，m21s。R值越大，越容易成為紊流；反之R越小，越容易成為層流。井巷的斷面積多數(shù)都在ee4m3以上，而且風(fēng)速大多數(shù)在0.95m/s以上，所以井下風(fēng)流多是紊流，只有個(gè)別情況（例如風(fēng)速很小的漏風(fēng)風(fēng)流、個(gè)別硐室）才有層流的可能。2.3管流流動(dòng)狀態(tài)方程2.3.1連續(xù)性方程如圖2-1所示，采用歐拉法任取一井巷風(fēng)流中的微元平行六面

7、體空間作為控制體，其三個(gè)相互垂直的邊分別為dx,dy,dz，形心坐標(biāo)為（x,y,z）。圖2-1微元六面體空間在t時(shí)刻，流體經(jīng)過(guò)各點(diǎn)的流速在x,y,z坐標(biāo)軸的投影分別為u,u,u密度為p。經(jīng)Xyzdt時(shí)間整個(gè)控制體質(zhì)量的增加量為：dm=d）Hy+d）nx+如”0（叫）魂0氣）鞏円_H;1-_dxdydzdt(2-2)dt時(shí)間后,流體密度為P+乎-dt，則dt時(shí)間內(nèi)，因密度變化引起控制體內(nèi)質(zhì)量的減ot少量為:dm二pdxdydz-P+dtdxdydz二(2-3)根據(jù)質(zhì)量守衡定理得：dm+dm二0得到三維流動(dòng)的連續(xù)方程。即(2-4)魂叫）+魂叫）+（刊J+空=V0(J0(J3一ar1_生&VA丿rH

8、HH+(2-5)_OPC對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)，c二0，故連續(xù)方程為:Ot(2-6)0（叫）鞏碼）d（pih）dx即&對(duì)于不可壓縮的穩(wěn)定流動(dòng)，連續(xù)方程為：(2-7)敢6叫創(chuàng)”-+=0&即dz2.3.3動(dòng)量方程取一井巷風(fēng)流中的微元平行六面體空間，通過(guò)M（x,y,z）有三個(gè)邊界面MHAD、MHLN、MNCD。作用于每個(gè)面上的表面有法向力與切向力兩類(lèi)。假定所有法向力（正應(yīng)力）p,p,p都取外法線方向?yàn)檎担鱾€(gè)切向應(yīng)力T,T,T,T,T,T都平行于受力面。XXyyssxsxysxsyyxys當(dāng)微元六面體流體的質(zhì)量力和表面力確定后，由達(dá)蘭貝爾原理可得：如,P=pX+(dpdr)dt1dydzJdii(%dpvv

9、花)p-=pY+dt(即dzJdur*譏v氏”dp八p/-pZ+dt、dxdydzJ(2-8)U=x_ldp+v0仏d2tix護(hù)dtpdx、dx2dy1dz2丿=Y-idp+vV篦d2uyWdtpdy、dx2d)2&2丿du.戸1也-=Z+v-d2ikd2n+dtp&、dx即-dz丿經(jīng)進(jìn)一步推導(dǎo)，并兩側(cè)同除以P，令巴p=v得:(2-9)上式就是管流動(dòng)量方程。引入拉普拉斯算子V、缶詁名上式簡(jiǎn)化為納維-斯托克斯方程:722M2閃刃vv+卽-ax如莎卽&1-p1p1-P-XyZ-=-如出咖一出竽I,，.,*式屮，閃仏閃九分別為單位質(zhì)量粘性流體所受切向戰(zhàn)力對(duì)應(yīng)軸的投影02.3.4能量方程從一段巷道中的

10、氣體中取一微元流束，設(shè)單位時(shí)間內(nèi)沿此微元流束流過(guò)的流體質(zhì)量為Pd%,則其能量關(guān)系為：22(二育+也)內(nèi)+仝牛內(nèi)=(二g+)pcj+葺-pq+pq(2-11)p2p2式中：h為單位質(zhì)量粘性流體自1點(diǎn)流至2點(diǎn)內(nèi)摩擦力所作的功。1-2nfirdqudA2詢(xún)=齋(2-12)疋qit3-Ait3A式中：u為總流在某斷面上的平均速度。將式2-12除以，則得單位質(zhì)量粘性流體總流的能量變化規(guī)律，即p.p.,a.,u,二禺+-=6宮+；/i-2GT3)p2p22.4管流阻力定律2.4.1摩擦阻力定律流體在管路中作均勻流動(dòng)時(shí)，沿程受到管路固定壁面的限制，引起內(nèi)外摩擦，因而產(chǎn)生阻力，這種阻力叫做摩擦阻力。依據(jù)風(fēng)流在

11、井巷中的流動(dòng)狀態(tài)不同摩擦阻力又分為層流狀態(tài)下摩擦阻力和紊流狀態(tài)下摩擦阻力。風(fēng)流在井巷中流動(dòng)大多屬于紊流，所以重點(diǎn)討論完全紊流狀態(tài)下的摩擦阻力計(jì)算方法。計(jì)算公式一般采用h=r-q2(2-14)frfr式中r稱(chēng)為管路的摩擦流阻，N-S2fm8；q為巷道的風(fēng)流流量。r的計(jì)算公式為：frfraLU(2-15)式屮：d稱(chēng)為摩擦阻力系數(shù)，計(jì)算公式為：0=空二些8g8L為巷道的長(zhǎng)度；U為巷道的斷面周長(zhǎng)；S為巷道的橫斷面積。層流狀態(tài)下，摩擦阻力的計(jì)算公式為：hfr=rfrq(2-16)式中：$為層流狀態(tài)下的摩擦流阻，計(jì)算公式為單位N“/n?a為層流狀態(tài)下的摩擦阻力系數(shù)，計(jì)算式a=2vr/g單位Ns/n?：因?yàn)?/p>

12、在大多數(shù)情況下，巷道內(nèi)氣體的流動(dòng)都處于完全紊流狀態(tài)，所以我們常用公式2-14來(lái)計(jì)算巷道的摩擦阻力。2.4.2局部阻力定律風(fēng)流在井巷的局部地點(diǎn)，由于速度或方向突然發(fā)生變化，導(dǎo)致風(fēng)流本身產(chǎn)生劇烈的沖擊,形成極為紊亂的渦流，因而在該局部地點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生局部阻力。在完全紊流狀態(tài)下，不論井巷局部地點(diǎn)的斷面、形狀和拐彎如何變化，所產(chǎn)生的局部阻力h都和局部地點(diǎn)的前面或后面斷er面上的速壓h或h成正比。v1v2突然擴(kuò)大的巷道，假若通過(guò)局部地點(diǎn)的風(fēng)量為Q,前后兩個(gè)斷面積是氣和S2,p為局部地點(diǎn)的空氣密度，該局部地點(diǎn)的局部阻力的計(jì)算公式為：11心O(2-17)式中：心為局部風(fēng)阻，心=盤(pán)=圭.，*局部阻力系數(shù)，無(wú)因次，分別對(duì)應(yīng)于h,h。對(duì)于形狀和尺寸已經(jīng)確定的局部地點(diǎn),12v1v2這兩個(gè)系數(shù)都是常數(shù)，但它們彼此不相等可任用其中一個(gè)系數(shù)和相應(yīng)的速壓計(jì)算局部阻力。2.4.3管流阻力定律通風(fēng)阻力定律是摩擦阻力定律和局部阻力定律的綜合，是通風(fēng)阻力h、風(fēng)阻R和流量q三參數(shù)相互依存的規(guī)律。對(duì)一個(gè)礦井系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，h,r和q分別代表該礦井的通風(fēng)總阻力、總風(fēng)阻和總風(fēng)量。在層流狀態(tài)下，通風(fēng)阻力定律是h二rq；完全紊流狀態(tài)下，通風(fēng)阻力定律是h二rq2；中間過(guò)渡狀態(tài)下，通風(fēng)阻力定律是：h二rqx，指數(shù)x大于1而小于