礦井通風(fēng)阻力

礦井通風(fēng)阻力2024/3/29礦井通風(fēng)阻力3.1風(fēng)流狀態(tài)一、兩種流態(tài)的概念層流：流體分層或分片的流動(dòng)狀態(tài)。紊流：流體的質(zhì)點(diǎn)既有橫向流動(dòng)，又有縱向流動(dòng)，各質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)烈地相互混合，形成紊亂向前的運(yùn)動(dòng)軌跡。二、風(fēng)流流動(dòng)狀態(tài)的影響因素用雷諾數(shù)(Re)表示流體的速度、管道的尺寸、粘性對(duì)流體流動(dòng)狀態(tài)的影響。ν—運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，m2/s；受流體的溫度和壓力影響，礦內(nèi)風(fēng)流ν=14.4×

10-6m2/s進(jìn)行計(jì)算。礦井通風(fēng)阻力等值直徑是與風(fēng)流流過(guò)的巷道凈斷面積相等的圓的直徑，用公式表示：

U是巷道的周邊長(zhǎng)，用近似計(jì)算：梯形斷面：P=4.16S0.5三心拱斷面：P=4.10S0.5半圓拱斷面：P=3.84S0.5規(guī)定：Re=2300為臨界(層流與紊流)雷諾數(shù)→=2300*4.16*2*14.4*10-6/4/4=1.81*10-2m/s礦井通風(fēng)阻力3.2阻力定律阻力定律：風(fēng)流在井巷中流動(dòng)時(shí)所遇阻力與平均風(fēng)速和井巷間的依存關(guān)系規(guī)律。一、層流阻力定律hz=czv即層流通風(fēng)阻力與平均風(fēng)速成正比。二、紊流阻力定律hy=cyvxx—風(fēng)流流態(tài)所決定的指數(shù)，介于1.75~2.0之間礦內(nèi)風(fēng)流呈紊流狀態(tài)，井巷通風(fēng)阻力與平均風(fēng)速的平方成正比。礦井通風(fēng)阻力3.3摩擦風(fēng)阻與阻力一、摩擦阻力摩擦阻力概念摩擦阻力約占井巷通風(fēng)總阻力的80-90%。二、摩擦阻力的計(jì)算計(jì)算公式(達(dá)西公式)：因礦內(nèi)空氣密度變化不大，令得：礦井通風(fēng)阻力即：令：得：根據(jù)上式，得摩擦阻力定律：井巷的摩擦阻力等于該井巷的摩擦風(fēng)阻與流過(guò)該井巷的風(fēng)量的平方的乘積。注意：摩擦阻力hf≠摩擦風(fēng)阻Rf,礦井通風(fēng)阻力三、影響α系數(shù)的因素分析達(dá)西系數(shù)，與雷諾數(shù)和井巷的相對(duì)粗糙度有關(guān)空氣的密度，與空氣的溫度、壓力、濕度有關(guān)1.ρ對(duì)α的影響2.λ對(duì)α的影響λ與風(fēng)流的雷諾數(shù)、井巷的相對(duì)粗糙度有關(guān)。即風(fēng)流的雷諾數(shù)、井巷的相對(duì)粗糙度是α的影響因素。礦井通風(fēng)阻力管道的粗糙度用相對(duì)粗糙度或相對(duì)光滑度表示。相對(duì)粗糙度n：管道壁上的突起的平均高度K與管道直徑的d的比值。即：n=K/d相對(duì)光滑度是相對(duì)粗糙度的倒數(shù)，即1/n=d/K。N越大，α越大對(duì)于用支柱支護(hù)的巷道的粗糙度用縱口徑來(lái)表示。縱口徑△：相鄰兩支架中心線之間的距離L與支柱的直徑或厚度d0之比。即：△=L/d0礦井通風(fēng)阻力△=1，α最?。弧?5~6，α最大；△<5~6，α隨△的增大而增大；△:6~9，α隨△的增大而減少；△>9，α基本為定值。λ與雷諾數(shù)、井巷的相對(duì)粗糙度的關(guān)系，見(jiàn)尼古拉茲曲線（見(jiàn)教材圖3-2-1）。△與α的關(guān)系：礦井通風(fēng)阻力尼古拉茲實(shí)驗(yàn)1932～1933年間，尼古拉茲把經(jīng)過(guò)篩分、粒徑為K的砂粒均勻粘貼于管壁。砂粒直徑K，即管壁凸起的高度,稱為絕對(duì)粗糙度;砂粒的平均直徑K與管道直徑D之比,稱為相對(duì)粗糙度.尼古拉茲以水為流動(dòng)介質(zhì)，對(duì)相對(duì)粗糙度（實(shí)際為相對(duì)粗造度的1/2倍）分別為1/15、1/30.6、1/60、1/126、1/256、1/507六種不同的管道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)得出流態(tài)不同的水流，λ系數(shù)與管壁相對(duì)粗糙度、雷諾數(shù)Re的關(guān)系，如下圖所示：礦井通風(fēng)阻力坐標(biāo)：縱坐標(biāo)軸：lg(100λ)；橫坐標(biāo)軸：lgRe根據(jù)λ值隨Re變化特征，圖中曲線分為五個(gè)區(qū)：礦井通風(fēng)阻力Ⅰ區(qū)——層流區(qū)：Re＜2320（即lgRe＜3.36）在此區(qū)，不論管道粗糙度如何，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果都集中分布于直線Ⅰ上。這表明λ與相對(duì)糙度無(wú)關(guān)，只與Re有關(guān)，且λ=64/Re。與相對(duì)粗糙度無(wú)關(guān)。礦井通風(fēng)阻力Ⅱ區(qū)—過(guò)渡流區(qū)：2320≤Re≤4000,即3.36≤lgRe≤3.6此區(qū)間內(nèi)，不同相對(duì)糙度的管內(nèi)流體的流態(tài)由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳌Ｋ械膶?shí)驗(yàn)點(diǎn)幾乎都集中在線段Ⅱ上。λ隨Re增大而增大，與相對(duì)糙度無(wú)明顯關(guān)系。礦井通風(fēng)阻力Ⅲ區(qū)—水力光滑管區(qū)。在此區(qū)段內(nèi)，管內(nèi)流動(dòng)已處于紊流狀態(tài)（Re＞4000），但在一定Re下，當(dāng)層流邊層的厚度δ大于管道的絕對(duì)糙度K（稱為水力光滑管）時(shí)，其實(shí)驗(yàn)點(diǎn)均集中在直線Ⅲ上；表明λ與K仍然無(wú)關(guān)，而只與Re有關(guān)。隨著Re的增大，相對(duì)糙度大的管道，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)在較低Re時(shí)就偏離直線Ⅲ，而相對(duì)糙度小的管道要在Re較大時(shí)才偏離直線Ⅲ。δK礦井通風(fēng)阻力§4.1摩擦阻力Ⅳ區(qū)—紊流過(guò)渡區(qū)。在此區(qū)段內(nèi)，各種不同相對(duì)糙度的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)各自分散呈一波狀曲線，λ值既與Re有關(guān)，也與粗糙度K有關(guān)。礦井通風(fēng)阻力§4.1摩擦阻力Ⅴ區(qū)—水力粗糙管區(qū)：完全紊流。在該區(qū)段，λ與Re無(wú)關(guān)，而只與相對(duì)粗糙度有關(guān)。原因：在該區(qū)段，Re值較大，管內(nèi)液流的層流邊層已變得極薄，有K>>δ，砂粒凸起高度幾乎全暴露在紊流核心中，故Re對(duì)λ值的影響極小，略去不計(jì)，相對(duì)粗糙度K成為λ的唯一影響因素。摩擦阻力與流速平方成正比，故稱為阻力平方區(qū)阻力平方區(qū)，尼古拉茲公式：礦井通風(fēng)阻力通風(fēng)工程：當(dāng)Re≤2320(lgRe≤3.36)時(shí)，流體作層流運(yùn)動(dòng)，λ=64/Re，與管道的相對(duì)光滑度無(wú)關(guān)；當(dāng)2320<Re<10000(3.36<lgRe<5)時(shí)，流體從層流過(guò)渡到完全紊流的中間狀態(tài)，λ系數(shù)與Re和管道相對(duì)光滑度有關(guān)；當(dāng)Re>10000(lgRe＞5)時(shí)，流體進(jìn)入完全紊流狀態(tài)，λ系數(shù)取決于管道的相對(duì)光滑度，與Re無(wú)關(guān)。礦井風(fēng)流一般屬于第三種情況，λ系數(shù)取決于管道的相對(duì)光滑度，與Re無(wú)關(guān)。某一井巷在一定時(shí)間范圍內(nèi)，n可視為不變，故λ值也可視為常量。礦井通風(fēng)阻力摩擦阻力系數(shù)α的計(jì)算礦井中大多數(shù)通風(fēng)井巷風(fēng)流的Re值已進(jìn)入阻力平方區(qū)，λ值只與相對(duì)糙度有關(guān)，對(duì)于幾何尺寸和支護(hù)已定型的井巷，相對(duì)糙度一定，則λ可視為定值；在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣密度ρ=1.2kg/m3。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和實(shí)測(cè)所得的、在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)條件下的井巷的摩擦阻力系數(shù)，即所謂標(biāo)準(zhǔn)值α0值當(dāng)井巷中空氣密度ρ≠1.2kg/m3時(shí)，其α值應(yīng)按下式修正：新建礦井：查表得α0

→α→

Rf

→hf生產(chǎn)礦井：hf

→

Rf

→

α→

α0礦井通風(fēng)阻力四、降低井巷摩擦阻力的措施1.降低摩擦阻力系數(shù)α減少井巷的粗糙度。2.減少周邊長(zhǎng)P。3.擴(kuò)大巷道斷面面積S。4.減少巷道的長(zhǎng)度L。5.避免井巷內(nèi)風(fēng)量過(guò)大。注意：在斷面相同的情況下，應(yīng)選擇P較小的圓形或拱形斷面實(shí)際中應(yīng)考慮有效利用、掘進(jìn)費(fèi)用礦井通風(fēng)阻力3.4局部阻力一、局部阻力的產(chǎn)生風(fēng)流在井巷的局部地點(diǎn)(如巷道拐彎、分叉、匯合以及巷道斷面的突然擴(kuò)大、突然縮小、進(jìn)出風(fēng)井口等)，由于風(fēng)流速度或方向突然發(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現(xiàn)象，因而在該局部地點(diǎn)產(chǎn)生一額外阻力，此阻力稱為局部阻力。局部阻力損失或沖擊損失礦井通風(fēng)阻力1-2斷面間的能量方程為：p1+ρ1gz1+0.5ρ1v12=p2+ρ2gz2+0.5ρ2v22+hm或：hm=(p1-p2)+(ρ1z1-ρ2z2)g+0.5(ρ1v12-ρ2v22)二、局部阻力的計(jì)算1.斷面突然擴(kuò)大的局部阻力S1，v1Ｓ2，v2渦流區(qū)斷面1斷面2礦井通風(fēng)阻力由于風(fēng)流從斷面1-2的距離短，空氣的密度視為不變，即ρ1＝ρ2＝ρ，z1＝z2，根據(jù)動(dòng)量定理：P1(S2-S1)+P1S1-P2S2=ρv2S2(v2-v1)→P1-P2=ρv2(v2-v1)由能量方程和動(dòng)量方程得：hm=ρ(v1-v2)2/2=(1-S1/S2)2ρv12/2令ξ1＝(1-S1/S2)2則hm=ξ1ρv12/2或：hm=ξ2ρv22/2修正公式：ξ`=ξ(1+α/0.01)礦井通風(fēng)阻力2.突然縮小的局部阻力Ｓ1→Ｓmin→Ｓ2能量損失由兩部分組成，分別為：一是風(fēng)流由大斷面Ｓ1流至最小斷面Ｓmin的能量損失；二是最小斷面Ｓmin擴(kuò)大至小斷面Ｓ2的能量損失。第二部分是主要的，第一部分可忽略。計(jì)算公式為：hm=ξmρv22/2

其中：ξm＝0.5（1-Ｓ2/Ｓ1）修正公式：ξ`m＝ξm(1+α/0.013)礦井通風(fēng)阻力三、局部阻力計(jì)算的普遍公式突然擴(kuò)大：hm=ξ1ρv12/2=ξ2ρv22/2

突然縮?。篽m=ξmρv22/2

拐彎：hs=ξsρv2/2

普遍公式：

hx=ξ1ρv12/2或：hx=ξ2ρv22/2因?yàn)椋海眩絭1S1=v2S2hx=ξ1ρQ2/2S12=ξ2ρQ2/2S22=RxQ2局部阻力等于局部風(fēng)阻與風(fēng)量平方的乘積。礦井通風(fēng)阻力四、降低局部阻力的措施局部阻力：hx=ξ1ρv12/2=ξ2ρv22/2=ξ1ρQ2/2S12=ξ2ρQ2/2S22

=RxQ2避免大小巷道相連，大小斷面巷道相連要逐漸過(guò)渡；避免直角拐彎，拐彎處做成斜面或圓弧，增大曲率半徑，設(shè)置導(dǎo)風(fēng)板；避免風(fēng)流突然分支和突然匯合，分支和匯合處內(nèi)側(cè)做成斜面或圓弧；風(fēng)橋的進(jìn)風(fēng)口做成聚流結(jié)構(gòu)，出風(fēng)口要有擴(kuò)散結(jié)構(gòu)。礦井通風(fēng)阻力3.5正面阻力一、正面阻力的產(chǎn)生和計(jì)算產(chǎn)生：風(fēng)流在井巷中流動(dòng)，遇到靜止或運(yùn)動(dòng)的障礙物時(shí)，風(fēng)流只能從障礙物的四周流過(guò)，使風(fēng)流的速度和方向發(fā)生改變，引起前后風(fēng)流的互相沖擊，而產(chǎn)生正面阻力。礦井通風(fēng)阻力局部阻力：hx=RxQ2正面阻力：摩擦阻力：通式：h=RQ2通風(fēng)阻力定律總阻力：礦井通風(fēng)阻力3.6等積孔與井巷風(fēng)阻特性等積孔面積Ａ的計(jì)算：AIIIP2,v2P1,v1一、井巷等積孔的概念等積孔概念：礦井通風(fēng)阻力三、風(fēng)流的功率與電耗風(fēng)流的功率：礦井一天的通風(fēng)費(fèi)用：０QhR二、井巷風(fēng)阻特性曲線h=RQ2h－Q之間的關(guān)系曲線礦井通風(fēng)阻力例1：某梯形巷道斷面Ｓ＝6m2，平均風(fēng)速v=1.2m/s，問(wèn)該巷道的風(fēng)流狀態(tài)是層流還是紊流？若要使風(fēng)流為層流，平均風(fēng)速應(yīng)是多少？解：Re=vd/νd=4S/P=4S/4.16*S1/2=2.35(m)所以：Ｒe=1.2*2.35/(15*10-6)=188000>2300為紊流。要為層流，則v≤2320ν/d=2320*(15*10-6)/2.35=0.01468(m/s)礦井通風(fēng)阻力例2：某礦井一主要主要運(yùn)輸巷道Ｌ＝2500米，用不完全木支架，支柱直