华北理工矿井通风与安全教案第2章 矿井风流的能量及变化规律

课程名称：《矿井通风与安全》摘要授课题目（章、节）第二章矿井风流的能量及变化规律第一节矿井风流运动特征第二节能量方程第三节矿井风流的能量方程本讲目的要求及重点难点：【目的要求】通过本章的学习，要求学生了解和掌握风流能量方程及应用。【重点】风流的运动状态、能量方程及其应用。【难点】完全紊流状态下的能量方程及应用。内容【本讲课程的引入】大家学习过流体力学，在流体力学中水在圆管中流动，其规律与风流在巷道中运动过程是一样的。风流也是一种流体，它同时遵循流体力学中的基本规律。【本讲课程内容】第二章矿井风流的能量及其变化规律第一节矿井风流运动的特征矿井风流是连续介质，其运动要素（压力、速度、密度等）都是连续分布的，而且矿井风流主要是沿着井巷的轴线方向运动可视为一维运动。特点：（1）连续运动；（2）一维运动。稳定流：流场中流体质点通过空间点的所有运动要素都不随时间改变，只是位置的函数这种流叫做稳定流或定常流。非稳定流：其中一个要素随时间变化的流体。在矿井正常通风期间，可把矿井风流近似的视为稳定流，在发生煤尘，瓦斯爆炸，火灾或煤与瓦斯突出等重大灾害时，矿井风流的热力状态就变为非稳定流。另外，风流沿井巷流动时，由于向下流动的压缩向上流动的膨胀以及与井下各种热源间的热交换，致使矿井风流的热力状态不断变化。第二节能量方程一、稳定总流的连续方程1、元流与总流（1）有无数流线组成的曲面管叫流管（2）元流就是流管中的流体，元流横断面极小为ds，小到使断面上各点的速度和压力均一致且代表该处的真值。（3）总流就是由无数元流组成其断面具有一定尺寸断面上各点的运动要素不一定相等。对一维运动总流运动要素在断面上各点的变化情况用平均值来表示.2、流量和断面的平均流速（图2-2）。元流断面上各点流速均为ω其方向与断面垂直，在dA时间内，通过的流体体积为ω.dS.dt即单位时间内通过的流体体积：（ω.dS.dt）/dt即是流量dQ即：dQ=ω.dS总流的流量就是无数元流流量的总和：Q=∫dQ=∫sdsm3/s如图2-3所示：在稳定流管1和2量各断面间的元流体称为元流段设：从元流段1-2以动到1`-2`时有dQ`（热量）流入，元流段能量发生了变化，外界必有一个与其数值相等的能量变化。能量平衡式为：元流段增加的能量=加给元流段的热量+外界对元流所作的功-克服阻力所作的功1、元流段增加的能量任何物质的本身都具有能量，它包括：内能，动能，位能。单位质量流体所具有的能量用e表示，则e=u+w2/2+gzJ/kg（2-4）从图可以看出，元流段移动前后气体本身所增加的能量等于2-2`段的能量e2dm与1-1段的1-1段的e1dm之差，即：（e2-e1）dm（2-5）因为1-1，2-2相距甚微，可把e1，e2看作是1，2断面上单位质量气体的能量，dm为位移段气体质量。2、加给元流段的热量dQh包括元流段与井巷围岩交换的热量（吸收为正，放出为负）。吸收井下有机物氧化生成的热和机电设备运转所散发出的热量，以及流体因克服阻力做功而消耗的机械能转化成的热量。3、外界对元流段所作的功Pdsdx=Pdv=Pvdm则外界对元流段所作的功应为（P1v1-P2v2）dmJ（2-6）v1，v2分别为1，2断面上的气体的比容m`/kg4、阻力功气体因克服阻力所作的功阻力功=dw因此，流体元流段能量变化放程为：（e2-e1）dm=dQh+（P1v1-P2v2）dm-dw（2-7）将上式除dm的单位质量的能量方程：e2-e1+Hr=q+（P1v1-P2v2）或q+（P1v1-P2v2）=e2-e1+Hr（2-8）Hr=dw/dm是单位质量的流体在通过1，2两断面过程中因克服阻力而消耗的机械功。流体获得的热量用来增加流体的内能，同时对外界作膨胀功。q=（u2-u1）+∫12pdvJ/kg（2-9）而P1v1-P2v2=∫12pdv=-∫12vdp-∫12pdv（2-10）由于矿井风流为理想气体，内能只是温度的单值函数，所以气体元流的内能变化量和膨胀功是由加给元流段的热量dQh引起的。因此，把（2-4）（2-9）（2-10）代入（2-8）得：-∫12vdp=（w22-w21）/2+g（Z2-Z1）+Hr或-∫12vdp+g（Z2-Z1）+（w22-w21）/2=Hr或∫12（1/ρ）dp+g（Z2-Z1）+（w22-w21）/2=Hr上式表明：流体的压能，位能和动能三种能量的变化之和，用来满足因克服阻力而消耗的机械功。对于不可压缩流体单位质量的能量方程为：（P1-P2）/ρ+g（Z2-Z1）+（w22-w21）/2=HrJ/Kg（2-12）对于可压缩流体若流体的热力变化是多变过程，则：[n/（n-1）][（p1/ρ1）-（p2/ρ2）]+g（Z2-Z1）+（w22-w21）/2=HrJ/Kg（2-13）或近似为（p1-p2）.[ρ1-2/（ρ1ρ2）]+g（Z2-Z1）+（w22-w21）/2=Hrρ1-2-----1.2两断面间的平均密度根据气体状态方程，可以写为：（R/2）（P1-P2）（T2/P2+T1/P1）+g（Z2-Z1）+（w22-w21）/2=Hr（2-14）第三节矿井风流的能量方程利用（2-11）推导出矿井风流的能量方程时，应考虑以下几点：一、矿井风流的压缩性1、空气柱的重力作用由于气体的可压缩性，则空气柱的重力作用下，使非水平巷道的风流的密度和压力沿途不断发生变化。2、矿井主扇所产生的压差的影响3、其它原因的影响二、风流动能修正系数单位时间流过断面S的流体总动能∫s（w2/2）ρdQ。不等于用该断面上平均流速V计算出来的功能。（V2/2）ρQ，必须用一个修正系数α去乘计算的功能才等于实际的功能，即（2-15）式中dQ、Q—分别为通过元流断面和总流段面的流量。在矿井条件下，分能动流的修正系数α要为1.05～1.1一般可近似α=1.精确度要求高时，可把风流断面分成几个分断面，量出风流的段面积s核小段面积si，测出风流断面上的平均风速V，和各小断面中得以风速Vi代入式（2—22）即可算出α值。小断面数目越多，α值越精确。三、单位容积风流的能量方程根据上述分析，只须动能修正系数区修正（2-13）不可压缩能量方程和（2-3）中元流的动能之和，即可得出不可压缩的风流单位质量的能量方程。s/kg（2-16）可压缩风流单位质量的能量方程：J/kg（2-17）用风流密度乘（2-16）的不可压缩的风流单位容积的能量方程：Pa（2-18）式中：hr—风流断面1、2件的通风阻力。单位容量的能量方程Hr=Hrρ（2-18）式是在ρ=cosA条件下得出的，在实际应用中，常近似用风流在期末断面上的密度并取α1=α2=1则有不可压缩风流，Pa（2-19）第四节风流任一段面上机械能量风流任意断面上都有压能，位能和动能。这三中能量分别用相应的静压、位压和动压来体现。一、压能（图2-6；2-7）相对静压：管道内测点的绝对静压与管道外测点同标高的大气压力之差。-his=Pis-Pat式中his—相对静压Pat—大气压力Pis—测点I处的绝对静压风流在风压测任意测点的相对静压是正值，故常把压入式通风叫正压通风（2-22）相对静压可用压差计直接测定。图中两个u型压差计的右面都必须高于左边水面，这两个水面的垂直高差就是测点用mmh2O为计量单位的相对静压值。测量仪器分为：u性压计、补偿式微压计u性压计分为：垂直、倾斜二、位能（图2-11）能量变化方程中任一断面上单位体积风流对某基准面的位能使该风流受地球引力作用对该基准面产生的重力位能习惯叫位压在进行计算某区段风流的能量损失时，需要知道该区段始末两断面上风流的位能差.当时由此可以看出，某区段风流的位压差就是该区段垂直空气柱的重力压强，同理上式表明：在水平巷道中，风流没有位压差，在非水平巷道中，向下流的风流位压差为正值，向上流的风流位压差为负值，对于全段位压差则是各分段位压差之和。Pa（2-25）对于如图所示的整段风流，其位压差不是起末两端的位压差，而是井下最低标高以上的进风段位压差和回风段位压差之差。不论空气流动与否，上两断面空气的位压差都存在。在静止的空气中上段面1空气的绝对静压加上两断面空气的位压差，就是下断面的绝对静压。Pa（2-25）三、动能能量变化方程中任意断面上单位体积风流的动能叫动压（速压），它是风流流动产生的能量，其作用方向与风流流动的方向一致。在规则的风流中，断面中心点风速最小，四周最小，因此，中心点的速压最大，四周最小。其平均速压可由下式表示：hvi=αiVi2ρi/2=αiVi2γi/2gPa（2-26）式中：αi—i断面上风流的动能修正系数，一般αi=1，必要时可测得。ρi，γi—i断面上的空气密度kg/m³；重率N/m³.Vi—i断面上的平均风速，m/s.测量管道中任意断面上的风流的平均速压，要用皮托管测量见图2-12，测量方法见图2-13。皮托管中心孔接受的是该断面上风流的静压和最大速压，外管壁上的小眼只接受静压，因而，压差计两水平的高差就是i断面上风流的最大速压hvimaxVimax2=2hvimax/ρim/s（2-27）测量巷道中任意断面上风流平均速压，常是人在该断面上用--风速仪测出平均风速，并用前面的公式和仪表，测出空气密度或重率，用（2-26）式计算，常用风表：叶式风表（一是测中速0.5-10m/s；一是测低速0.3-0.5m/s）；杯式风表（测高速≥10m/s）；电子叶式中速风表（18-900m/min能自动记录时间，由数字显示结果）；热三式风速仪（热球式；热敏电阻式）；FC-1型超声波叶式风速传感器（0.4-15m/s）常用测法：人背向巷道壁，伸直持风表的手臂与风流方向垂直，并使风表的背面正对风流方向，在测量断面上，按图所示的路线，均匀移动一分钟即关闭开关，读取读数Va（m/s），据Va值查所用风表的校正线，得真风速Vi.并消除因人在巷中而造成的影响，用下式计算该断面的实际风速V=kVAm/sk—校正系数，k=（s-0.4）/s，s—测风的断面，0.4—人体所占的面积。按上述方法在同一断面处至少测2次，每次测的Va误差不得大于5%。四、全压能（全压）管道内单位体积的风流，在流动方向任意测点上，所产生的绝对静压和速压之和，叫该测点的绝对全压。Pti=Psi+hviPa（2-28）Pti是从零点压力算起的测点全压的绝对值，起作用方向和风流方向一致。管道内风流中任意测点i相对全压Pti是指从管道外和测点同标高的大气压力Pat起的测点全压的相对值，即Pti和Pat之差。对于抽出式通风Pti<Pat得-hti＝Pti-Pat将（2-21）和（2-28）代入上式得：hti＝hsi-hviPa（2-29）对于压入式通风：Pti>Pat得：hti＝Pti-Pat将（2-28）（2-22）代入上式：hti＝hsi+hvi（2-30）即测点i的相对全压等于相对静压与速压之和。第五节能量方程的应用一、始末断面间无其它动力源1、水平巷道若Z1-2＝0，ρ1＝ρ2，则Z1-2ρ1-2g=0当两断面面积相等时。V1＝V2的速压差为零。则能量方程为：上式表明，两断面间的通风阻力值等于两个断面的绝对静压之差。当两断面不等时V1≠V2，则该段的通风阻力等于1、2两断面的绝对静压差与速率差之和，或两断面绝对全压之差=Pa2、倾斜或垂直井巷当风流向下流动时，因始断面1的标高大于末断面2的标高，两断面的标高差Z1-2为正，位差为正Z1-2ρ1-2g，其能量方程称为：Pa当风流向上流动时，因始断面1的标高小于末断面2的标高，Z1-2为负，则两断面的位压差Z1-2ρ1-2g为负值，故能量方称为：Pa在倾斜和垂直井巷始末两断面的速压差为零的条件下，始末两断面的通风阻力等于该两断面的静压差与位压差的代数和。例：风流自断面1经断面2、3、4和5进入扇风机在排入大气中，现测的各点的绝对静压Psi风速Vsi相邻两断面的标高差Z和断面上空气密度。求：各段的通风阻力和1致5断面间的通风阻力，并绘制压力坡线图。（图2-21）解：先看通风阻力的计算公式，风流1-2段=131.32Pa以纵坐标表示压力值（Pa）横坐标表示起来两断面间的距离m在1和2两断面的纵轴上，绝对静压和速压值。并在断面1上量出两断面间的位压差he1-2，当两断面间的风流压力均匀变化时可画出两断面的静压坡线和两段面向比较的总能量坡线。在向比较的总能量坡线上，始末两断面上的能量差，就是这两断面间的通风阻力值hr1-2在2-3段阻力位hr1-2=666.4Pa。位压差和速压差皆为零，这两断面间的通风阻力等于绝对静压差。为了绘制压力坡线图，仍应计入速压，即在2、3