第3章通风阻力解析.ppt

1、,风流流动时，必须具有一定的能量(通风压力)，用以克服井巷及空气分子之间的摩擦对风流所产生的阻力。通风压力克服通风阻力，两者因次相同，数值相等，方向相反。知道通风阻力的大小就能确定所需通风压力的大小。在矿井通风中，存在着摩擦阻力和局部阻力，必须分析研究它们的特性、测定方法以及降低措施等，从而作为选择通风设备，进行通风管理与设计的依据。这在通风设计中尤其重要。,第三章 井巷通风阻力,第一节 风流的流态 流体产生的阻力与流体流动过程中的状态有关。流体流动时有两种状态；一种是流体呈层状流动，各层间流体互不混合，流体质点流动的轨迹为直线或有规则的,平滑曲线，这一状态称为层流。在流速很小，管径很小，或粘

2、性较大的流体流动时会发生层流。,另一种是流体流动时，各部分流体强烈地互相混合，流体质点的流动轨迹是极不规则的。除了有沿流体总方向的位移外，还有垂直于液流总方向的位移，流体内部存在着时而产生时而消灭的漩涡，这种状态称为紊流。研究层流与紊流的主要意义在于两种流态有着不同的阻力定律。,试验证明，层流与紊流彼此间的转变关系决定于液体的密度、绝对粘性系数，流体的平均速度V与管道水力直径d，这些因素的综合影响可以用雷诺数来表示为： 式中 运动粘性系数，m2/s。,雷诺数,当Re2000时，流体呈层流流动；当Re2000时，液流开始向紊流流动过渡，当Re10000时，流体完全呈现为紊流。 矿井巷道很少为圆形

3、，对于非圆形通风巷道，以4S/U(水力直径)代替上式中的d，即： 式中 U巷道周界长度，m。 c断面形状系数，梯形断面c=4.16；三心拱c=3.85；半圆拱c=3.90；圆断面，c=3.54。,例：某巷道的断面S2.5m2，周界U6.58m，风流的14.4106m2/s，试计算出风流开始出现紊流时的平均风速？ 解：当风流开始出现紊流时，则其Re2000，当完全紊流时， Re10000，因此：,由于煤矿中大部分巷道的断面均大于2.5m2，井下巷道中的最低风速均在0.25米/秒以上，所以说井巷中的风流大部为紊流，很少为层流。,第二节 摩 擦 阻 力 一、摩擦阻力及影响因素 风流在井巷中作均匀流动

4、时，沿程受到井巷固定壁面的限制，引起内外摩擦，因而产生阻力，这种阻力，叫做摩擦阻力。所谓均匀流动是指风流沿程的速度和方向都不变，而且各断面上的速度分布相同。流态不同的风流，摩擦阻力hfr的产生情况和大小也不同。一般情况下，摩擦阻力要占能量方程中通风阻力的8090，它是矿井通风设计，选择扇风机的主要参数，也是生产中分析与改善矿井通风工作的主要对象。,前人实验得出水流在圆管中的沿程阻力公式（达西公式）是： 式中 实验比例系数，无因次； 水流的密度，kg/m3 ；L圆管的长度，m； d圆管的直径，m；V管内水流的平均速度，m/s； 上式是矿井风流摩擦阻力计算式的基础，它对于不同流态的风流都能应用，只

5、是流态不同时，式中的实验式不同。,尼古拉兹在壁面分别胶结各种粗细砂粒的圆管中，实验得出了流态不同的水流系数同管壁的粗糙程度、雷诺数的关系。管壁的粗糙程度用管道的直径 d (m)和管壁平均突起的高度(即砂粒的平均直径) k (m)之比来表示。并用阀门不断改变管内水流的速度，实验结果如图所示。,试验结果可分以下几种情况： 1) 在lgRe3.3(Re2320)时，即当液体作层流流动，由左边斜线可以看出，所有试验点都分布于其上，随Re的增加而减小，且与管道的相对粗糙度无关，这时与Re的关系式为： 64/Re 2) 在3.31gRe5.0(2320Re100000)的范围内，流体由层流向紊流过渡，系数

6、既和Re有关，也和管壁的粗糙度有关。,3) 当Re100000时，流体成为紊流流动。与Re无关，只和管壁的粗糙度有关。管壁的粗糙度越大， 系数就越大。其试验式为：,矿井巷道中的风流，其性质与上面完全一样，所不同的是矿井巷道的粗糙度较大，在较小的Re时，便开始由层流变为紊流；此外，由于大多数矿井巷道风流的Re均大于100000，故值仅决定于井巷壁的相对粗糙度，而与Re无关。在一定时期内，各井巷壁的相对粗糙度可认为不变，因之值即为常量。,二、井巷摩擦阻力计算公式 由于矿井巷道极少为圆形，可用当量直径d4S/U代入沿程阻力公式得：,令： 是巷道的摩擦阻力系数，与巷道帮壁的粗糙程度有关。则：,由于矿井

7、中巷道的长度，周界及摩擦阻力系数在巷道形成后一般变化较小，可看作常数。再令：,Rfr为巷道的摩擦风阻。 这时： 这就是完全紊流情况下的摩擦阻力定律。当巷道风阻一定时，摩擦阻力与风量的平方成正比。,三、井巷摩擦阻力的计算 例1 某梯形木支架煤巷，长200米，断面积为4m2，沿断面的周长为8.3m，巷道摩擦阻力系数通过查表得到的标准值为0.018Ns2/m4，若通过巷通的风量为960m3/min，试求其摩擦阻力? 解： 答：该巷道的摩擦阻力为119.5Pa。 应当注意，巷道的值随的改变而改变，在高原地区，空气稀薄，当地的值需进行校正。校正式如下：,四、降低井巷摩擦阻力的措施 井巷通风阻力是引起风压

8、损失的主要根源，因此降低井巷通风阻力，特别是降低摩擦阻力就能用较少的风压消耗而通过较多的风量。许多原来是阻力大，通风困难的矿井，经降低阻力后即变为阻力小、通风容易的矿井。 根据hfr(LU/S3)Q2的关系式可以看出，保证一定风量，降低摩擦阻力的方法就是降低摩擦风阻，根据影响Rfr的各因素，降低摩擦阻力的主要措施有：,1降低 Rfr与成正比，而主要决定于巷道粗糙度，因此降低，就应尽量使巷道光滑。当采用棚子支护巷道时，要很好地刹帮背顶，在无支护的巷道，要注意尽可能把顶底板及两帮修整好；对于井下的主要巷道，在采用料石或混凝土砌璇，特别是采用锚杆支护技术时，更能有效地使系数减小。 2扩大巷道断面S

9、因Rfr与S3成反比，所以扩大巷道断面有时成为降低摩擦阻力的主要措施。由于摩擦阻力又与风量的平方成正比，因此在采用这种措施时，应抓主要矛盾，即首先应考虑风量大、断面小的总回风道的扩大，其次再考虑其它巷道的扩大。,3减少周界长U Rfr与U成正比，在断面积相等的条件下，选用周长较小的拱形断面比周长较大的梯形断面好。 4. 减少巷道长L Rfr与L成正比，进行开拓设计时，就应在满足开采需要的条件下，尽可能缩短风路的长度。例如，当采用中央并列式通风系统，如阻力过大时，即可将其改为两翼式通风系统以缩短回风路线。 降低摩擦阻力，还应同时结合井巷的其它用途与经济等因素进行综合考虑。如断面过大，不但不经济，

10、而且也不好维护，反而不如选用双巷。,第三节 局部阻力 一、局部阻力的产生 风流流经井巷的某些局部地点突然扩大或缩小、转弯、交岔以及堆积物或矿车等，由于速度或方向发生突然的变化，导致风流本身产生剧烈的冲击，形成极为紊乱的涡流，从而损失能量。造成这种冲击与涡流的阻力即称为局部阻力。,二、局部阻力定律 实验证明，在完全紊流状态下，不论井巷局部地点的断面、形状和拐弯如何变化，所产生的局部阻力her，都和局部地点的前面或后面断面上的hv1或hv2成正比：,1、2局部阻力系数，无因次，分别对应于hv1、hv2。可选用其中一个系数和相应的速压计算；,若通过局部地点的风量是Q(m3/s)，前后两个断面积是S1

11、和S2(m2)，则两个断面上的平均风速为： VlQ/S1；V2Q/S2，m/s 代入上式： 令 式中Rer叫做局部风阻。由此得到： herRerQ2，Pa 上式表示完全紊流状态下的局部阻力定律，和完全紊流状态下的摩擦阻力定律一样，当Rer一定时，her和Q的平方成正比。,三、局部阻力的计算方法 计算局部阻力时，先要根据井巷局部地点的特征，对照前人实验查出局部阻力系数，然后用其指定的相应风速V进行计算。,三、降低局部阻力的措施 由于局部阻力是风流在局部阻力地点发生剧烈的冲击而产生的，故降低局部阻力的措施主要是： 1在容易发生局部阻力的地点，应尽量减少局部风阻值值。如采用斜线形或圆弧形连接断面不同

12、的巷道。巷道转弯时，转角愈小愈好。 2尽量减少产生局部阻力的条件，如不用或少用直径很小的铁筒风桥，避免在主要巷道内任意停放矿车、堆积木材、器材等； 3局部阻力与V2成正比，故应特别注意降低总回风道和风峒的局部阻力，及时清扫风峒内的堆积物，在井筒与风峒的转弯处做成圆滑的壁面。,第四节 井巷风阻与等积孔 一、井巷风阻及其阻力特性 在矿井巷道中，任何井巷的通风阻力，不管它是摩擦阻力、局部阻力或系两者同时具有的阻力，其阻力公式均可写成通式： hRQ2,二、井巷等积孔 当研究井巷通风阻力时，为了在概念上更形象化，有时采用井巷等积孔来代替井巷风阻。等积孔就是用一个与井巷风阻值相当的理想孔的面积值来衡量井巷

13、通风的难易程度。设想将一个矿井的入风口到出风口，沿着井下主要巷道进行均匀压缩，最后形成一个薄片，在这个薄片上将形,成一个孔口，这个孔口面积A使得薄片的两端作用有矿井的风压差P时，通过孔口的风量正好为该矿井的风量Q，这时，该孔口面积即为矿井的等积孔。,设当空气自左向右流经此孔时，无阻力，无能量损失，并设当空气从此孔流出后，在其流线断面最小处(虚线位置)的流速为V(m/s)，则这个理想孔左、右两侧的静压差可全部变为速压(静压能全部转化为动能)，由此可得： 实验证明，在出口流线断面最小处的面积一般为0.65A(m2)，再当流量为Q(m3/s)时，VQ/0.65A，以此V值与1.2 kg/m3代入上式

14、，即得：,由此得到：,这就是计算矿井等积孔常用的公式。计算出矿井的风阻和等积孔后，就可以对该矿井的通风难易程度进行评价，评价的标准如下表：,例 已知矿井总阻力为1440Pa，风量为60m3/s，试求该矿井的风阻与等积孔?如生产上要求将风量提高到70m3/s ，问风阻与等积孔之值是否改变?阻力增加到多少? 解：,当井巷的规格尺寸与连接形式没有改变及采掘工作面没有移动时，则风量的增加并不改变等积孔与风阻之值。由于风量增加到70m3/s，故阻力增加到： hRQ20.47021960 Pa,三、风流的功率与电耗 物体在单位时间内所做的功叫做功率，其计量单位是Nm/s。风流的风压h乘风量Q的计量单位就是

15、N/m2m3/s Nm/s 。故风流功率N的计算式为， N=hQ/1000，kW 矿井一天的通风电费是： 式中 e每度电的单价，y/(kWh)；风机、输电、变电、传动等总效率。直接传动时，取0.6；间接传动时，取0.5。,例：如图所示的矿井，左右两翼的通风阻力分别是； hr11274Pa；hr21960Pa 通过两翼主扇的风量分别是Qf160m3/s；Qf270m3/s。两翼的外部漏风,Qm1(1Le1)Qf1(14%)6057.6m3/s Qm2(1Le2)Qf2(15%)7066.5m3/s,率分别是Le14%；Le25%。则两翼不包括漏风的风量分别是：,两翼不包括外部漏风的风阻分别是： R1hr1/Qm121274/(57.6)20.38399N.s2/m8 R2hr2/Qm221960/(66.5)20.44321N.s2/m8 两翼不包括外部漏风的等积孔分别是：,为了计算全矿的总风阻和总等积孔，须先求出全矿的总阻力hr，因全矿的风流总功率等于左右两翼风流的功率之和，即 hr(Qm1Qm2)hr1Qm1hr2Qm2，W 故,则全矿不包括外部漏风的总风阻是：,全矿不包括外部漏风的总等积孔是：,对于用多台主扇通风的矿井，