第2章 礦內(nèi)空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

安全工程學(xué)院礦井通風(fēng)與安全

MineVentilationandSafety中國(guó)礦業(yè)大學(xué)多媒體教學(xué)課件1第2章礦內(nèi)空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)多媒體教學(xué)課件2上一章內(nèi)容第1章礦內(nèi)空氣1.1礦內(nèi)空氣成分及其基本性質(zhì)1.2礦內(nèi)空氣的主要物理參數(shù)1.3礦井氣候3上一章內(nèi)容學(xué)習(xí)目標(biāo)1、礦內(nèi)空氣的主要成分2、井下常見(jiàn)的有害氣體3、礦內(nèi)空氣的主要物理參數(shù)4、礦井的氣候條件，礦內(nèi)空氣的溫度、濕度，風(fēng)速，礦內(nèi)氣候參數(shù)的測(cè)定。重點(diǎn)與難點(diǎn)1、礦內(nèi)空氣主要成分及其性質(zhì)2、井下常見(jiàn)的有害氣體、來(lái)源及最高允許濃度

3、礦井的氣候條件（溫度、濕度，風(fēng)速）4第2章礦內(nèi)空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)根據(jù)能量平衡及轉(zhuǎn)換定律，結(jié)合礦井風(fēng)流的特點(diǎn)，分析礦井風(fēng)流任一斷面上的機(jī)械能和風(fēng)流沿井巷運(yùn)動(dòng)的能量變化規(guī)律及其應(yīng)用，為以后章節(jié)提供理論基礎(chǔ)。5第2章礦內(nèi)空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)2.1流體的概念

2.2風(fēng)流能量與能量方程

2.3風(fēng)流壓力及壓力坡度

6學(xué)習(xí)目標(biāo)、重點(diǎn)與難點(diǎn)學(xué)習(xí)目標(biāo)1、流體的概念2、風(fēng)流能量與能量方程3、風(fēng)流壓力及壓力坡度重點(diǎn)與難點(diǎn)1、點(diǎn)壓力之間的關(guān)系2、能量方程及其在礦井中的應(yīng)用72.1流體的概念流體是一種受任何微小剪切力作用時(shí)都能連續(xù)變形的物質(zhì)。流體可分為液體和氣體。氣體的分子分布比液體分子相距大約103倍。氣體的分子距很大，分子間的吸引力很小，總是充滿它所能夠達(dá)到的全部空間。液體的分子距較小，分子間的吸引力較大，液體的流動(dòng)性不如氣體。此外，一定質(zhì)量的液體具有一定的體積，并取容器的形狀，但不像氣體那樣能夠充滿全部空間?！?流體具有流動(dòng)性，兩層流體以一定速度作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在兩層的交界面上就要產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，這種內(nèi)摩擦力阻礙各層的流動(dòng)。流體中的內(nèi)摩擦力又叫粘滯力，決定它的因素很復(fù)雜，因此就造成了研究液體運(yùn)動(dòng)時(shí)的很大困難，為簡(jiǎn)化問(wèn)題，假定在流體運(yùn)動(dòng)中并無(wú)內(nèi)摩擦力的存在。一般來(lái)說(shuō)，流體是可以壓縮的，當(dāng)壓力改變時(shí)其體積就要改變，因而密度也隨之必變。這也增加了研究問(wèn)題時(shí)的復(fù)雜性，為此，又假定流體是不可壓縮的。既沒(méi)有內(nèi)摩擦又沒(méi)有壓縮性的流體，叫做理想流體。真實(shí)流體都是有粘性的，在研究過(guò)程中，首先以理想流體代替真實(shí)流體，以便清晰揭示流體主要運(yùn)動(dòng)特性；然后，再根據(jù)需要考慮粘性的影響。因此，理想流體是為便于解決實(shí)際問(wèn)題對(duì)真實(shí)流體作的一種抽象。92.2風(fēng)流能量與能量方程2.2.1風(fēng)流能量2.2.2不可壓縮流體的能量方程2.2.3可壓縮風(fēng)流能量方程2.2.4關(guān)于能量方程使用的幾點(diǎn)說(shuō)明□102.2風(fēng)流能量與能量方程2.2.1風(fēng)流能量礦井通風(fēng)是典型的穩(wěn)定流，風(fēng)流沿著一維的巷道連續(xù)的流動(dòng)。在這個(gè)流動(dòng)中涉及到了能量的轉(zhuǎn)移和消耗。能量的改變是我們計(jì)算風(fēng)量和通風(fēng)壓力等通風(fēng)工程中重要參數(shù)的基礎(chǔ)。在井巷中，任一斷面上的能量（機(jī)械能）都由位能、壓能和動(dòng)能三部分組成。假設(shè)從風(fēng)流中任取一質(zhì)量為m，速度為u，相對(duì)高度為Z，大氣壓為P的控制體?，F(xiàn)在用外力對(duì)該控制體做多少功來(lái)衡量這三種機(jī)械能的大小。112.2.1風(fēng)流能量1、位能（勢(shì)能）物體在地球重力場(chǎng)中因受地球引力的作用，由于相對(duì)位置不同而具有的一種能量叫重力位能，簡(jiǎn)稱(chēng)位能，用Ep0表示。當(dāng)向上移動(dòng)到高于基點(diǎn)Z（m）時(shí)，做的功為，J這就給出了物體在Z高度上的位能。122.2.1風(fēng)流能量2、靜壓能（流動(dòng)功）由分子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的分子動(dòng)能的一部分轉(zhuǎn)化過(guò)來(lái)的能量，并且能夠?qū)ν庾龉Φ臋C(jī)械能叫靜壓能，(Ep)。如下圖所示，有一兩端開(kāi)口的水平管道，斷面積為A，在其中放入體積為V，質(zhì)量為m的單元流體,使其從左向右流動(dòng)，即使不考慮磨擦阻力，由于管道中存在壓力P，單元體的運(yùn)動(dòng)就會(huì)有阻力，因此必須施加一個(gè)力F克服這個(gè)阻力，單元體才會(huì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)該力使單元體移動(dòng)一段距離s后，就做了功。132、靜壓能（流動(dòng)功）為平衡管道內(nèi)的壓力，施加的力為F=PA，

N做的功為，J又AS是流體的體積V，所以根據(jù)密度的定義

=m/V或者V=m/

則對(duì)該單元體做的流動(dòng)功為或者，（J/kg）（2-7）當(dāng)流體在管道中連續(xù)流動(dòng)時(shí)，壓力就必須對(duì)流體連續(xù)做功,此時(shí)的壓力就稱(chēng)為壓能，所做的功為流動(dòng)功。上式就是單位質(zhì)量流體的靜壓能表達(dá)式。142.2.1風(fēng)流能量3、動(dòng)能當(dāng)空氣流動(dòng)時(shí)，除了位能和靜壓能外，還有空氣定向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，用表示。如果我們對(duì)一個(gè)質(zhì)量為m的物體施加大小為F的外力，使其從靜止以加速度a做勻加速運(yùn)動(dòng)，在t時(shí)刻速度達(dá)到u，外力對(duì)其做的功為：這就是質(zhì)量為m的物體所具有的動(dòng)能152.2風(fēng)流能量與能量方程2.2.2不可壓縮流體的能量方程能量方程表達(dá)了空氣在流動(dòng)過(guò)程中的壓能、動(dòng)能和位能的變化規(guī)律，是能量守恒的轉(zhuǎn)換定律在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用。假設(shè)空氣不可壓縮，則在井下巷道內(nèi)流動(dòng)空氣的任意斷面，它的總能量都等于動(dòng)能、位能和靜壓能之和。16現(xiàn)有空氣在一巷道內(nèi)流動(dòng)，考慮到在任意兩點(diǎn)間的能量變化，如圖所示。內(nèi)能的變化是非常小的，忽略不計(jì)，又因?yàn)橥饧拥臋C(jī)械能通常單獨(dú)考慮，撇開(kāi)這些因素，在圖中1點(diǎn)的總能量等于2點(diǎn)的總能量與1—2之間損失的能量之和，如果用U1和U2分別表示1點(diǎn)和2點(diǎn)的總能量，h1-2表示1點(diǎn)到2點(diǎn)的能量損失，則有下式：172.2風(fēng)流能量與能量方程又，所以可以得出：（2-2-1）如果我們認(rèn)為空氣是不可壓縮的，此時(shí)有：所以（2-2-1）式變?yōu)椋海?-2-2）這里的是動(dòng)能，Zg是位能，是流動(dòng)功（靜壓能），h1-2是能量損失。如果在方程兩邊同乘以ρ，那么（2-2-2）式變?yōu)椋哼@就是不可壓縮單位質(zhì)量流體常規(guī)的伯努力方程表達(dá)式。單位體積24單位質(zhì)量182.2風(fēng)流能量與能量方程關(guān)于能量方程使用的幾點(diǎn)說(shuō)明從能量方程的推導(dǎo)過(guò)程可知，方程是在一定的條件下導(dǎo)出的，并對(duì)它做了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。因此，在應(yīng)用能量方程時(shí)應(yīng)根據(jù)礦井的實(shí)際條件，正確理解能量方程中各參數(shù)的物理意義，靈活應(yīng)用。(1)能量方程的意義是，表示1kg(或1m3)空氣由1斷面流向2斷面的過(guò)程中所消耗的能量(通風(fēng)阻力)等于流經(jīng)1、2斷面間空氣總機(jī)械能(靜壓能、動(dòng)壓能和位能)的變化量。(2)風(fēng)流流動(dòng)必須是穩(wěn)定流，即斷面上的參數(shù)不隨時(shí)間的變化而變化；所研究的始、末斷面要選在緩變流場(chǎng)上。19(3)風(fēng)流總是從總能量(機(jī)械能)大的地方流向總能量小的地方。在判斷風(fēng)流方向時(shí)，應(yīng)用始末兩斷面上的總能量來(lái)進(jìn)行，而不能只看其中的某一項(xiàng)。如不知風(fēng)流方向，列能量方程時(shí)，應(yīng)先假設(shè)風(fēng)流方向，如果計(jì)算出的能量損失(通風(fēng)阻力)為正，說(shuō)明風(fēng)流方向假設(shè)正確；如果為負(fù)，則風(fēng)流方向假設(shè)錯(cuò)誤。(4)正確選擇基準(zhǔn)面。(5)在始、末斷面間有壓源時(shí)，壓源的作用方向與風(fēng)流的方向一致，壓源為正，說(shuō)明壓源對(duì)風(fēng)流做功；如果兩者方向相反，壓源為負(fù)，則壓源成為通風(fēng)阻力。20(6)單位質(zhì)量或單位體積流量的能量方程只適用1、2斷面間流量不變的條件，對(duì)于流動(dòng)過(guò)程中有流量變化的情況，應(yīng)按總能量的守恒與轉(zhuǎn)換定律列方程。如圖2-2-3所示的情況，當(dāng)時(shí)：(7)應(yīng)用能量方程時(shí)要注意各項(xiàng)單位的一致性。212.3風(fēng)流壓力及壓力坡度2.3.1壓力的基本概念2.3.2風(fēng)流點(diǎn)壓力及其相互關(guān)系2.3.3壓力坡度□222.3.1壓力的基本概念空氣受到重力作用,而且空氣能流動(dòng),因此空氣內(nèi)部向各個(gè)方向都有壓強(qiáng)（單位面積上的壓力）,這個(gè)壓強(qiáng)在礦井通風(fēng)中習(xí)慣稱(chēng)為壓力，也稱(chēng)為靜壓，用符號(hào)P表示。它是空氣分子熱運(yùn)動(dòng)對(duì)器壁碰撞的宏觀表現(xiàn)。其大小取決于在重力場(chǎng)中的位置(相對(duì)高度)、空氣溫度、濕度(相對(duì)濕度)和氣體成分等參數(shù)。23由于無(wú)數(shù)個(gè)空氣分子作無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，不斷地與器壁(或井壁或巷道壁)相碰撞，平均起來(lái)對(duì)任何方向的撞擊次數(shù)是相等的，故器壁各面上所受的壓力也是相等的，即各向同值。根據(jù)上面的分析，空氣的壓力可用下式表示：式中n——單位體積內(nèi)的空氣分子數(shù)；——分子平移運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能。上式闡述了氣體壓力的本質(zhì)。24空氣壓力大小就表示單位體積空氣所具有的機(jī)械能量的大小?？諝鈮毫Φ拇笮】梢杂脙x表測(cè)定。壓力的單位為Pa(帕斯卡，1Pa＝1N/m2)。在地球引力場(chǎng)中的大氣由于受分子熱運(yùn)動(dòng)和地球重力場(chǎng)引力的綜合作用，空氣的壓力在不同標(biāo)高處其大小是不同的；也就是說(shuō)空氣壓力還是位置的函數(shù)，它服從玻耳茲曼分布規(guī)律：（見(jiàn)P26）(式中，為空氣的摩爾質(zhì)量，28.97kg/kmol；g為重力加速度，m/s2；z為海拔高度，m，海平面以上為正，反之為負(fù)；R0為通用氣體常數(shù)；T為空氣的絕對(duì)溫度，K；P0為海平面處的大氣壓，Pa)。252.3.2風(fēng)流點(diǎn)壓力及其相互關(guān)系1、風(fēng)流點(diǎn)壓力風(fēng)流的點(diǎn)壓力是指在井巷和通風(fēng)管道風(fēng)流中某個(gè)點(diǎn)的壓力，就其形成的特征來(lái)說(shuō)，可分為靜壓、動(dòng)壓和全壓(風(fēng)流中某一點(diǎn)的靜壓和動(dòng)壓之和稱(chēng)為全壓)。根據(jù)壓力的兩種計(jì)算基準(zhǔn)，某點(diǎn)i的靜壓又分為絕對(duì)靜壓(Pi)和相對(duì)靜壓（hi）同理，全壓也可分絕對(duì)全壓(Pti)和相對(duì)全壓（hti）。26在圖2-3-1的通風(fēng)管道中，a圖為壓入式通風(fēng)，在壓入式通風(fēng)時(shí)，風(fēng)筒中任一點(diǎn)i的相對(duì)全壓恒為正值，所以稱(chēng)之為正壓通風(fēng)b圖為抽出式通風(fēng)，在抽出式通風(fēng)時(shí)，除風(fēng)筒的風(fēng)流入口斷面的相對(duì)全壓為零外，風(fēng)筒內(nèi)任一點(diǎn)i的相對(duì)全壓恒為負(fù)值，故又稱(chēng)為負(fù)壓通風(fēng)。在風(fēng)筒中，斷面上的風(fēng)速分布是不均勻的，一般中心風(fēng)速大，隨距中心距離增大而減小。因此，在斷面上相對(duì)全壓是變化的。27無(wú)論是壓入式還是抽出式，其絕對(duì)全壓均可用下式表示：（2-3-2）式中Pti——風(fēng)流中i點(diǎn)的絕對(duì)全壓，Pa；Pi——風(fēng)流中i點(diǎn)的絕對(duì)靜壓，Pa；hvi——風(fēng)流中i點(diǎn)動(dòng)壓，Pa。由于hvi>0，故由（2-3-2）可得，風(fēng)流中任一點(diǎn)（無(wú)論是壓入式還是抽出式）的絕對(duì)全壓恒大于其絕對(duì)靜壓：（2-3-3）風(fēng)流中任一點(diǎn)的相對(duì)全壓為：（2-3-4）式中P0i——當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)嘏c風(fēng)道中i點(diǎn)同標(biāo)高的大氣壓，Pa。在壓入式風(fēng)道中（）在抽出式風(fēng)道中（）28由此可見(jiàn)，風(fēng)流中任一點(diǎn)的相對(duì)全壓有正負(fù)之分，它與通風(fēng)方式有關(guān)。而對(duì)于風(fēng)流中任一點(diǎn)的相對(duì)靜壓，其正負(fù)不僅與通風(fēng)方式有關(guān)，還與風(fēng)流流經(jīng)的管道斷面變化有關(guān)。在抽出式通風(fēng)中其相對(duì)靜壓總是小于零(負(fù)值)；在壓入式通風(fēng)中，一般情況下，其相對(duì)靜壓是大于零(正值)，但在一些特殊的地點(diǎn)其相對(duì)靜壓可能出現(xiàn)小于零(負(fù)值)的情