矿井通风网络与风量自然分配讲义

1、矿井通风网络与风量自然分配讲义第一节第一节 概述概述一、通风网络一、通风网络 矿井通风系统是由纵横交错的井巷构成的一矿井通风系统是由纵横交错的井巷构成的一个复杂系统。用图论的方法对通风系统进行抽象个复杂系统。用图论的方法对通风系统进行抽象描述，把通风系统变成一个由线、点及其属性组描述，把通风系统变成一个由线、点及其属性组成的系统，称为。成的系统，称为。二 基本术语 1. 分支（边、弧）：分支（边、弧）：表示一段通风井巷的有向线段，线段的方向代表井巷中的风流方向。 2. 节点（结点、顶点）：节点（结点、顶点）：是三条或三条以上巷道的交汇点。 3. 路（通路、道路）：路（通路、道路）：是由若干条方

2、向相同的分支首尾相连而成的线路。 4. 回路（网孔）回路（网孔）：由两条或两条以上分支首尾相连形成的闭合线路称为回路。 5、 树树：是指任意两节点间至少存在一条通路但不含回路的一类特殊图。 三、矿井通风网络图三、矿井通风网络图通风网络图：用直观的几何图形来表示通风网络。通风网络图：用直观的几何图形来表示通风网络。 特点：）通风网络图只反映风流方向及节点与分支间特点：）通风网络图只反映风流方向及节点与分支间的相互关系，节点位置与分支线的形状可以任意改变。的相互关系，节点位置与分支线的形状可以任意改变。 ）能清楚地反映风流的方向和分合关系，并且是进行）能清楚地反映风流的方向和分合关系，并且是进行各

3、种通风计算的基础，因此是矿井通风管理的一种重要图各种通风计算的基础，因此是矿井通风管理的一种重要图件。件。网络图两种类型：一种是与通风系统图形状基本一致的网络图；网络图两种类型：一种是与通风系统图形状基本一致的网络图；另一种是曲线形状的网络图。但一般常用曲线网络图。另一种是曲线形状的网络图。但一般常用曲线网络图。绘制步骤：绘制步骤：(1) (1) 节点编号节点编号 在通风系统图上给井巷的交汇点标上特定的在通风系统图上给井巷的交汇点标上特定的节点号。节点号。(2) (2) 绘制草图绘制草图 在图纸上画出节点符号，并用单线条（直线或在图纸上画出节点符号，并用单线条（直线或弧线）连接有风流连通的节点

4、。弧线）连接有风流连通的节点。(3) (3) 图形整理图形整理 按照正确、美观的原则对网络图进行修改。按照正确、美观的原则对网络图进行修改。四、基本定律四、基本定律 1 1 风量平衡定律风量平衡定律 是指在稳态通风条件下，单位时间流入某节点的空是指在稳态通风条件下，单位时间流入某节点的空气质量等于流出该节点的空气质量；或者说，流入与流气质量等于流出该节点的空气质量；或者说，流入与流出某节点的各分支的质量流量的代数和等于零。出某节点的各分支的质量流量的代数和等于零。 若不考虑风流密度的变化，则流入与流出某节点的各分支若不考虑风流密度的变化，则流入与流出某节点的各分支的体积流量（风量）的代数和等于

5、零，即：的体积流量（风量）的代数和等于零，即：如图如图a a，节点，节点4 4处的风量平衡方程为：处的风量平衡方程为：0iQ06454434241QQQQQ16523图a将上述节点扩展为无源回路，则将上述节点扩展为无源回路，则上述风量平衡定律依然成立。如上述风量平衡定律依然成立。如图图b b所示，回路所示，回路2-4-5-7-22-4-5-7-2的各的各邻接分支的风量满足如下关邻接分支的风量满足如下关系：系：087654321QQQQ2178356图b2 2 风压平衡定律风压平衡定律 假设：一般地，回路中分支风流方向为顺时针时，假设：一般地，回路中分支风流方向为顺时针时， 其阻力取其阻力取“”

6、，逆时针时，其阻力取，逆时针时，其阻力取“”。 （1 1）无动力源（）无动力源（H Hn n H Hf f） 通风网路图的任一回路中，无动力源时，各分支阻力的代数和为零，通风网路图的任一回路中，无动力源时，各分支阻力的代数和为零，即：即： 如图，对回路如图，对回路 -6-6中有：中有：234560Rih02436RRRRhhhh（2 2）有动力源）有动力源 设风机风压设风机风压H Hf f ，自然风压，自然风压H HN N 。 如图，对回路如图，对回路 2 23 34-5-14-5-1中有：中有：一般表达式为：一般表达式为：即：能量平衡定律是指在任一闭合回路中，即：能量平衡定律是指在任一闭合回

7、路中，各分支的通风阻力代数和等于该回路中各分支的通风阻力代数和等于该回路中自然风压与通风机风压的代数和。自然风压与通风机风压的代数和。2345654321RRRRRNfhhhhhHHRiNfhHH3 阻力定律2RQh 第二节第二节 串联、并联通风网路的基本性质串联、并联通风网路的基本性质一、串联通风风路一、串联通风风路 由两条或两条以上分支彼此首尾相连，中间没有风流分汇点的线路称由两条或两条以上分支彼此首尾相连，中间没有风流分汇点的线路称为串联风路。如图所示为串联风路。如图所示（一）（一） 串联风路特性串联风路特性 1. 1. 总风量等于各分支的风量，即总风量等于各分支的风量，即 M MS S

8、 = M= M1 1 = M= M2 2 = M= Mn n 当各分支的空气密度相等时，当各分支的空气密度相等时， Q QS S = Q= Q1 1 = Q= Q2 2 = Q= Qn n2. 2. 总风压（阻力）等于各分支总风压（阻力）等于各分支 风压（阻力）之和，即风压（阻力）之和，即: : niinshhhhh1213. 3. 总风阻等于各分支风阻之和，即：总风阻等于各分支风阻之和，即： 4. 4. 串联风路等积孔与各分支等积孔间的关系串联风路等积孔与各分支等积孔间的关系 niinsnsssRRRRQhhhQhR1212212.222211111nsAAAA 242.1iAiR （二）串

9、联风路等效阻力特性曲线的绘制（二）串联风路等效阻力特性曲线的绘制 根据以上串联风路的特性，可以绘制串联风路等效阻力特性曲线。方法：、根据以上串联风路的特性，可以绘制串联风路等效阻力特性曲线。方法：、首先在首先在h hQ Q坐标图上分别作出串联风路坐标图上分别作出串联风路1 1、2 2的阻力特性曲线的阻力特性曲线R R1 1、R R2 2； 、根据串联风路、根据串联风路“风量相等，阻力叠加风量相等，阻力叠加”的原则，作平行于的原则，作平行于h h轴的若干条等轴的若干条等风量线，在等风量线上将风量线，在等风量线上将1 1、2 2分支阻力分支阻力h h1 1、h h2 2叠加，得到串联风路的等效阻叠

10、加，得到串联风路的等效阻力特性曲线上的点；力特性曲线上的点； 、将所有等风量线上的点联成曲线、将所有等风量线上的点联成曲线R R3 3，即为串联风路的等效阻力特性曲线。，即为串联风路的等效阻力特性曲线。1R1R2R1R2R1+R2QH二、并联通风风网二、并联通风风网 由两条或两条以上具有相同始节点和末节点的分支所组成的通风由两条或两条以上具有相同始节点和末节点的分支所组成的通风网络，称为并联风网。如图所示并联风网由网络，称为并联风网。如图所示并联风网由3 3条分支并联。条分支并联。（一）并联风路特性：（一）并联风路特性：1. 1. 总风量等于各分支的风量之和，即总风量等于各分支的风量之和，即

11、当各分支的空气密度相等时当各分支的空气密度相等时, , niinsMMMMM121 niinsQQQQQ1212. 2. 总风压等于各分支风压，即总风压等于各分支风压，即注意：当各分支的位能差不相等，或分支中存在风机等通风动力注意：当各分支的位能差不相等，或分支中存在风机等通风动力时，并联分支的阻力并不相等。时，并联分支的阻力并不相等。nshhhh 213. 3. 并联风网总风阻与各分支风阻的关系并联风网总风阻与各分支风阻的关系 2SssQRhsssRhQnSQQQQ.21nnssRhRhRhRh.2211nsRRRR1111.21对于两条巷道并联时2212121111RRRRRRRRss4.

12、 4. 并联风网等积孔等于各分支等积孔之和，即并联风网等积孔等于各分支等积孔之和，即 nsAAAA 215. 5. 并联风网的风量分配并联风网的风量分配 若已知并联风网的总风量，在不考虑其它通风动力及风流密度变化时，可由下式若已知并联风网的总风量，在不考虑其它通风动力及风流密度变化时，可由下式计算出分支计算出分支i i的风量。的风量。 即即sihh22ssiiQRQRSRRiQQis).(12111nRRRiSsisRQRRQiQR1R2.RiRnQS特例：对于两条巷道并联风量自然分配11111112022101102112211221RRQQRRQQQQRRQQRRQQRR则有：方程两边加上

13、（二）并联风路等效阻力特性曲线的绘制（二）并联风路等效阻力特性曲线的绘制 根据以上并联风路的特性，可以绘制并联风路等效阻力特性曲线。根据以上并联风路的特性，可以绘制并联风路等效阻力特性曲线。方法：方法：、首先在、首先在h hQ Q坐标图上分别作出并联风路坐标图上分别作出并联风路1 1、2 2的阻力特性曲线的阻力特性曲线R R1 1、R R2 2；、根据并联风路、根据并联风路“风压（阻力）相等，风量叠加风压（阻力）相等，风量叠加”的原则，作平行于的原则，作平行于Q Q轴的若干条等轴的若干条等风压线，在等风压线上将风压线，在等风压线上将1 1、2 2分支阻力分支阻力h h1 1、h h2 2叠加，

14、得到并联风路的等效阻力特性叠加，得到并联风路的等效阻力特性曲线上的点；曲线上的点； 、将所有等风压线上的点联成曲线、将所有等风压线上的点联成曲线R R3 3，即为并联风路的等效阻力特性曲线。，即为并联风路的等效阻力特性曲线。2112R1R2R1R2R1+R2QH例题：某个通风网络如图所示，已知各条巷道的风阻R1=0.25, R2=0.34, R3=0.46 N s2/m8,巷道1的风量Q1=65m/s。求BC、BD风路自然分配的风量及风路ABC、ABD的阻力为多少？R R1 1,Q,Q1 1R R2 2,Q,Q2 2R R3 3,Q,Q3 3A AB BC CD DPahhhPahhhPaQR

15、hPaQRhPaQRhsmQQQsmQBDBCABDABCRRQ, 7 .14714 .4153 .1056, 6 .14713 .4153 .1056, 4 .41505.3046. 03, 3 .41595.3434. 0, 3 .10566525. 005.3095.346595.3446. 034. 016531212233322222221113213312321各条风路的阻力为计算各巷道阻力分配的风量为风路为并联网路，自然和解：课堂练习习题集88页第11题822223123182322312. 06 . 04 . 06 . 0*4 . 04 . 02 . 02 . 0mNsRRRR

16、RmNsRRRSsmQQQQsmRhQPaQRhsssss313231122332760276 . 0432,43260*12. 0当开凿巷道4时PaQRhmNsRRRRRmNsRRRmNsRRRRRssss3 .36360*101. 0101. 029. 06 . 029. 0*6 . 029. 02 . 009. 009. 08 . 02 . 08 . 0*2 . 04322822223412341823422348222434334并联：、巷道smQsmRhQPahhhhPaQRhsmQQQsmRhQsss3433332432222231231164.1175.2339.3575.232

17、 . 08 .1128 .1125 .2503 .3635 .25039.35*2 . 039.3561.246061.2406.3 .363三、串联风路与并联风网的比较三、串联风路与并联风网的比较 在任何一个矿井通风网络中，都同时存在串联与并联风网。在矿井的进、在任何一个矿井通风网络中，都同时存在串联与并联风网。在矿井的进、回风风路多为串联风路，而采区内部多为并联风网。回风风路多为串联风路，而采区内部多为并联风网。并联风网的优点：、从提高工作地点的空气质量及安全性出发，采用并联风网具有并联风网的优点：、从提高工作地点的空气质量及安全性出发，采用并联风网具有明显的优点。明显的优点。、在同样的分

18、支风阻条件下，分支并联时的总风阻小于串联时的总风阻。、在同样的分支风阻条件下，分支并联时的总风阻小于串联时的总风阻。1R1R22112R1R2 第三节第三节 角联通风风网角联通风风网一、基本概念一、基本概念 角联风网：在并联巷道中间有一条联络巷道，使一侧巷道与另一侧巷道相连构成的角联风网：在并联巷道中间有一条联络巷道，使一侧巷道与另一侧巷道相连构成的网络。网络。 角联分支（对角分支）：是指位于风网的任意两条有向通路之间、且不与两通路的角联分支（对角分支）：是指位于风网的任意两条有向通路之间、且不与两通路的公共节点相连的分支，如图。公共节点相连的分支，如图。 简单角联风网：仅有一条角联分支的风网

19、。简单角联风网：仅有一条角联分支的风网。 复杂角联风网：含有两条或两条以上角联分支的风网。复杂角联风网：含有两条或两条以上角联分支的风网。213456复杂角联风网复杂角联风网简单角联风网简单角联风网1二、角联分支风向判别二、角联分支风向判别 原则：分支的风向取决于其始、末节点间的原则：分支的风向取决于其始、末节点间的压能值。风流由能位高的节点流向能位低的节点；压能值。风流由能位高的节点流向能位低的节点；当两点能位相同时，风流停滞；当始节点能位低于当两点能位相同时，风流停滞；当始节点能位低于末节点时，风流反向。末节点时，风流反向。 判别式（以简单角联为例）：判别式（以简单角联为例）： 1 1、

20、分支分支5 5中无风中无风 Q Q5 5 = 0 = 0 Q Q1 1 = Q = Q3 , 3 , Q Q2 2 = Q = Q4 4 由风压平衡定律：由风压平衡定律： h h1 1 = h = h2 , 2 , h h3 3 = h = h4 4 由阻力定律：由阻力定律： 两式相比得：两式相比得： 即即 或写为或写为：222211QRQR244233QRQR244222233211QRQRQRQR4231RRRR13241RRRRK11、当分支、当分支5 5中风向由中风向由2323 节点的压能高于节点，则节点的压能高于节点，则 h hR2R2 h hR1 R1 即：即： 同理，同理， h

21、hR3R3 h hR4R4即即即即又又 即：即：或写为：或写为：211222QRQR244233QRQR22253222112)(QQQQQRR22523242334)(QQQQQRR253523)(QQQQQQ12222532252334)()(RRQQQQQQRR13241RRRRK4231RRRR风流11、分支、分支5 5中的风向由中的风向由3232 同理可得：同理可得： 或写为：或写为： 改变角联分支两侧的边缘分支的风阻就可以改变角联分支的风向。对图示简改变角联分支两侧的边缘分支的风阻就可以改变角联分支的风向。对图示简单角联风网，可推导出如下角联分支风流方向判别式：单角联风网，可推导出

22、如下角联分支风流方向判别式：114231RRRR13241RRRRK风流。中风向由，分支中风流停滞；，分支；中风向由，分支32515123513241RRRRK三、角联利弊由于边缘巷道风阻发生变化不会导致工作面风流方向发生由于边缘巷道风阻发生变化不会导致工作面风流方向发生改变的角联巷道称为无害角联。改变的角联巷道称为无害角联。由于边缘巷道风阻发生变化而导致工作面风流方向发生改变由于边缘巷道风阻发生变化而导致工作面风流方向发生改变的角联巷道称为有害角联。的角联巷道称为有害角联。自然分配的风量。求通风网络中各巷道总风量，已知巷道风阻有一通风网路如图所示例题：smQmsNRRRRR308254321

23、30, 0 . 7, 0 . 3, 1 . 0, 5 . 0, 0 . 4132CBQ0.,033. 031 . 0, 85 . 0443214321BCRRRRRRRRBC则对角巷道风流方向为而的风流方向首先判断对角巷道525122541525432511252552512244255254321125453111RQQRQQRRQQRQQRQQRQQRQRQRQQRQRhhhhhh，得到：将上式除以。可得：做图由两直线的交点等于，求出代入方程设设；，等于，求出代入方程设。用图解法计算，联立方程代入上两式并整理可得设：81. 1,41. 108. 2 ,96. 1 ,74. 1 ,58. 1

24、63 , 2 , 1 , 043. 141. 136. 133. 153 , 2 , 1 , 065)6( ,1)5( ,1,452215235451yxMyxxyRRxRyRRyRxQQYQQx.,352,500,40,145,4002010301 .179 .12301041. 11 . 79 .1281. 11 . 71 . 7181. 141. 1301154321231033402351354305505541PahhhhhRQhsmQQQsmQQQsmxQQsmyQQsmyxQQQQQQQQyx可以求得各巷道阻力：则因第四节第四节 应用计算机解算复杂通风网络应用计算机解算复杂通风网

25、络 目的：已知风网各分支风阻和主通风机的特性，求算主要通风机的工况目的：已知风网各分支风阻和主通风机的特性，求算主要通风机的工况点，各分支的风量和风向，以便验算各用风地点的风量和风速是否符合点，各分支的风量和风向，以便验算各用风地点的风量和风速是否符合规程要求。规程要求。 原理：依据风量平衡定律、风压平衡定律、阻力定律原理：依据风量平衡定律、风压平衡定律、阻力定律 方法：回路法方法：回路法 假设风网中每一回路内各分支的风向和风量开始，假设风网中每一回路内各分支的风向和风量开始，逐渐修正风量，使之满足风压平衡定律。逐渐修正风量，使之满足风压平衡定律。 节点法节点法 假设风网中每一回路内各分支节点压力值开始，逐假设风网中每一回路内各分支节点压力值开始，逐渐修正压力分布，使之满足风量平衡定律。渐修正压力分布，使之满足风量平衡定律。一、改进的斯考德恒斯雷试算法回路法一、改进的斯考德恒斯雷试算法回路法 回路风量：把风流在风网中的流动看成是在一些互不重复回路风量：把风流在风网中的流动看成是在一些互不重复的独立的闭合回路中各有一定的风量在循环，这种风量称的独立的闭合回路中各有一定的风量在循环，这种风量称为回路风量。为回路风量。 如图：回路