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第二章矿井风流的基本性质本章的重点：1、空气的物理参数----T、P、Φ、μ、ρ；2、风流的点压力----静压，动压，全压；抽出式和压入式相对静压、相对全压与动压的关系3、测定方法主要物理参量的测定方法及其仪器设备本章的难点：点压力之间的关系第二章矿井风流的基本性质主要研究内容：研究矿井空气沿井巷流动过程中宏观力学参数的变化规律；介绍空气的主要物理参数、性质，为后续章节讨论空气在流动过程中所具有的能量（压力）及其能量的变化、能量方程在矿井通风中的应用打下基础。第一节空气的主要物理参数一、温度温度是描述物体冷热状态的物理量。矿井表示气候条件的主要参数之一。热力学绝对温标的单位K，摄式温标T=273.15+t二、压力（压强）空气的压力也称为空气的静压，用符号P表示。压强在矿井通风中习惯称为压力。它是空气分子热运动对器壁碰撞的宏观表现。P=2/3n(1/2mv2)矿井常用压强单位：PaMpammHgmmH20mmbarbaratm等。换算关系：1atm=760mmHg=1013.25mmbar=101325Pa(见P396)１mmbar=100Pa=10.2mmH20,１mmHg=13.6mmH20=133.32Pa空气压力的单位（1）Kgf/m2；（2）mmH2O；（3）mmHg；（4）帕斯卡(Pascal)，Pa（N/m2）。因为1Kg重的水铺在1m2的面积上将形成1mm高的水柱，所以1Kgf/m2=1mm水柱=9.8Pa(ρ水=1000kg/m3)通风工程中常用mm水柱表示压力，当压力很大时，也用mm水银柱表示。水银比重为13.6，故1mm水银柱=13.6mm水柱。在我国法定计量单位(亦即国际单位制)中以帕斯卡作为压强单位，简称帕，以Pa表示。它的物理意义是每平方米面积所承受多少牛顿(N)的压力。工程上还常用标准大气压。1个标准大气压=760mm水银柱=10336mm水柱=101.3kPa.三、湿度表示空气中所含水蒸汽量的多少或潮湿程度。表示空气湿度的方法：绝对湿度、相对温度和饱和湿度三种１、绝对湿度每立方米空气中所含水蒸汽的质量叫空气的绝对湿度。其单位与密度单位相同（g/m3）。饱和空气：在一定的温度和压力下，单位体积空气所能容纳水蒸汽量是有极限的，超过这一极限值，多余的水蒸汽就会凝结出来。这种含有极限值水蒸汽的湿空气叫饱和空气，这时水蒸气分压力叫饱和水蒸分压力，PS，其所含的水蒸汽量叫饱和湿度s。２、相对湿度单位体积空气中实际含有的水蒸汽量（V）与其同温度下的饱和水蒸汽含量（S）之比称为空气的相对湿度φ＝V／S反映空气中所含水蒸汽量接近饱和的程度。Φ愈小空气愈干爆，φ＝０为干空气；φ愈大空气愈潮湿，φ＝１为饱和空气。温度下降，其相对湿度增大，冷却到φ=1时的温度称为露点例如：甲地：t=18℃，V＝0.0107Kg/m3,乙地：t=30℃，V＝0.0154Kg/m3解：查附表当t为18℃，s＝0.0154Kg/m3,,当t为30℃，s＝0.03037Kg/m3,∴甲地：φ＝V／S＝0.7＝70%乙地：φ＝V／S＝0.51＝51%乙地的绝对湿度大于甲地，但甲地的相对湿度大于乙地，故乙地的空气吸湿能力强。露点：将不饱和空气冷却时，随着温度逐渐下降，相对湿度逐渐增大，当达到100％时，此时的温度称为露点。四、黏性流体抵抗剪切力的性质。当流体层间发生相对运动时，在流体内部两个流体层的接触面上，便产生粘性阻力(内摩擦力)以阻止相对运动，流体具有的这一性质，称作流体的黏性。其大小主要取决于温度。根据牛顿内摩擦定律有：式中：μ－－比例系数，代表空气粘性，称为动力黏性或绝对黏度。其国际单位：帕.秒，写作：Pa.S。运动黏性系数为：温度是影响流体粘性主要因素，气体，随温度升高而增大，液体而降低VydydvSF五、密度密度：单位体积的空气所具有的质量。ρ=M/V(㎏/m3),M－质量，V－体积；干空气密度：ρ=1.293T0p/p0T(㎏/m3)，或代入具体条件后：ρ=3.48p/T(㎏/m3)；不同湿度条件下空气的密度：ρ=3.48(p/T)(1-0.378φpb/p)(㎏/m3)p－空气压力（KPa），T－空气绝对温度（K），φ－空气相对湿度（％），pb－饱和水蒸气压力(KPa)。经验公式:ρ=3.45p/T(㎏/m3),(湿度对密度影响小)第二节空气的压力一、空气的压力单位体积空气包围着地球的大气，受地心吸引力的作用，对其底部单位面积上所具有的重力称为大气压力，也称为气压。所以大气压力是一个压强的概念。1.空气静压（1）静压的概念空气的静压是气体分子间的压力或气体分子对容器壁所施加的压力。井下空间某一点空气静压的大小与该点在大气中所处的位置和受扇风机所造成的人工压力有关。空气静压根据量度时所选择的基准不同，可分为绝对静压和相对静压。（２）静压特点a.无论静止的空气还是流动的空气都具有静压；b.由于空气分子向器壁撞击的机率是相同的，所以风流中任一点的静压各向同值，且垂直于作用面；c.风流静压的大小（可以用仪表测量）反映了单位体积风流所具有的能够对外作功的静压能的多少。比如说风流的压力为101332Pa，则指1m3风流具有101332J的静压能。（３）压力的两种测算基准（表示方法）根据压力的测算基准不同，压力可分为：绝对压力和相对压力。A、绝对压力：以真空为测算零点（比较基准）而测得的压力称之为绝对压力，用Ps表示。B、相对压力：以当时当地同标高的大气压力(Pa)为测算基准(零点)测得的压力称之为相对压力，即通常所说的表压力，用HS表示。某点的相对静压大于大气压，则称为正压，反之为负压。风流的绝对压力（Ps）、相对压力（HS）和与其对应的大气压（Pa）三者之间的关系如下式所示：HS=Ps－Pa绝对压力、相对压力和大气压力的关系abPs(a)真空PaPs(b)Hs(a)(+)Hs(b)(-)Pa2.空气动压（1)动压的概念当空气流动时，具有一定的动能，因此，风流中任一点除有静压Hs外，还有动压Hv。动压因空气运动而产生，恒为正值且具有方向。单位Pa。（2)动压的计算单位体积空气所具有的动能为：Evi＝i×V2×0.5式中：i－－I点的空气密度，Kg/m3；v－－I点的空气流速，m/s。Evi对外所呈现的动压hvi，其值相同。（3)动压的特点a.只有作定向流动的空气才具有动压。b.动压具有方向性。垂直流动方向的作用面所承受的动压最大（即流动方向上的动压真值）；当作用面与流动方向有夹角时，其感受到的动压值将小于动压真值。c.在同一流动断面上，由于风速分布的不均匀性，各点的风速不相等，所以其动压值不等。d.动压无绝对压力与相对压力之分，总是大于零。3.全压某点风流的全压,即该点的静压和动压的叠加。当静压用绝对静压Ps表示时，则Ps与动压Hv叠加后的压力称为绝对全压,Pt，即Pt=Ps+Hv。若静压用相对压力Hs表示时，则Hs与动压Hv叠加所得的压力称为相对全压Ht。相对全压等于相对静压与动压的代数和：Ht=Hs+Hv由于前面提到Hs可正可负，故Ht也可正可负，则我们说相对全压为相对静压和动压的代数和。压入式与抽出式通风的全压表达式是不同的。压入式及抽出式通风压入式，扇风机安装在入风井，压入新风，井下巷道内的风流都处于正压状态（即高于大气压）。在压入通风风流中,相对全压Ht为：Ht=Hs+Hv，HtHs,Ht均为正值，Hs可正可负；抽出式，扇风机安装在回风井，抽出污风，井下巷道内的风流均处于负压状态（低于大气压）。在抽出式通风中，Ht、Hs为负值，相对全压Ht为：Ht(负值)=Hs(负值)+Hv在实际应用中习惯取绝对值，则|Ht|=|Hs|-Hv风流点压力测定示意图HtHv+HsHtHvHs+－压入式通风抽出式通风Hs=ps-pa,Ht=pt-pa,Hv=pt-psHs=pa-ps,Ht=pa-pt,Hv=pt-ps风流点压力间的关系abPa真空P0Pbha(+)hb(-)P0Pathvhat(+)hvhbt(-)Pbt抽出式通风压入式通风压入式通风抽出式通风第三节主要参量测定方法及其仪器设备1.矿内空气压力的测定A绝对静压的测定•通常使用水银气压计和空盒气压计测定矿内外空气绝对静压。（1）水银气压计。•如图所示，它主要由一个水银盛槽与一根玻璃管构成。玻璃管上端封闭，下端插入水银盛槽中，管内上端形成绝对真空，下部充满水银。当盛器里的水银表面受到空气压力时，管内水银柱高度随着空气压力而变化。此管中水银面与盛器里的水银面的高差就是所测空气的绝对静压。该仪器测定数值比较准但携带不方便，主要固定在室内使用。一般置于机房或硐室壁上以测量大气压力或用以校对其它压力计。水银气压计1—水银柱表面；2—指针；3—玻璃管；4—螺钉；5—水银池；6—游标旋钮(2)空盒气压计•如图所示，它由一个皱纹状金属空盒与联接在盒上带指针的传动机构所构成。•其测压原理是，由于盒内抽成真空（实际上还有少许余压），当大气压力作用于盒面上时，盒面被压缩，并带动传动杠杆使指针转动，根据指针转动的幅度即可获得大气压力数值。•空盒气压计是一种便携式仪表，一般在矿井内、外非固定地点测量大气压力。测量时将盒面水平放置在被测地点，停留10-20min待指针稳定后再读数。读数时视线应垂直于盒面。B相对压力的测量•通常用U形压差计、单管倾斜压差计或补偿式微压计与皮托管配合测量风流的静压、动压和全压。（1）U形压差计。•亦称U形水柱计，有垂直和倾斜两种类型;•它们都是由一内径相同、装有蒸馏水或酒精的U形玻璃管1与刻度尺2所构成。（2）单管倾斜压差计•它由一个较大断面的容器A与一个小断面的倾斜管B相互连通而构成，A与B断面积的比例一般为250~300，其中充有适量的酒精。为便于读数，酒精中注入微量的硫酸和甲基橙使之染色。主要组成部分•单管倾斜压差计的主要部分有盛液容器A、倾斜管B、控制阀门、使容器内液面至零位的调节锤、带密闭盖的酒精注入口以及一个确定倾斜管角度或K值的弧形架。•它的测压原理基本上同于U形压差计。（3）补偿式微压计•它由盛水容器A和B以胶管连通而成（图所示）。容器B固定不动，B中装有水准头。容器A可以上下移动。测压原理•这种仪器的测压原理是，较大的压力P连接到“+”接头与B相通，小压力P连到“-”接头与A相通，B中水面下降，水准头露出，同时A内液面上升。测定时，旋转螺杆以提高容器A，则B中水面上升，直至B中水面回到水准头所在水平为止。即通过提高容器A的位置，用水柱高度来衡量（补偿）压力差造成的B中水面下降，使它恢复到原来的位置。此时A所上提的高度恰是压力差P－P造成的水柱高度H。(4)皮托管•测量压差时，常用到皮托管，它与压差计相配合使用，主要作用是接收和传递风流压力。•如图所示，它由两根金属小圆管1和2构成，内管1和外管2同心套结成一整体，但互不相通。内管前端开一小孔4与标有“+”的脚管相通，前孔4正对风流，内管就能接受测点的全压。外管前端不通，在前端不远处的管壁上开有4-6个小孔3，侧孔3与标有“一”的脚管相通。当前孔4正对风流时，外管上的侧孔3垂直于风流不受动压作用，只能接受静压，实现将压力传递到测压设备，从而配合测压计实现压力测定。2.空气湿度的测定•测算空气湿度时，先用仪表测出相对湿度，再算出绝对湿度。构造简单的常用仪表是手摇湿度计(见图2-8)和风扇湿度计(见图2-9)，二者都是由干球温度计和湿球温度计(水银球包着几层湿纱布)组成，前者要用手摇，后者用自带的发条转动小风扇。测量方法•用前者测量时，手握住手把，以大约120r/min的转数均匀旋转仪表1-2min，然后从两支温度计上分别读出空气的干温度(又名干球温度)td和湿温度(又名湿球温度)tw（℃）td和tw之差越大，表示空气越干燥或其相对湿度越小。根据实测的td和tw两个数值在表2-4中查出空气的相对湿度值，根据td在表2-5中查出fs值。3.风速测定•矿井一般用风表测定风速，常用的风表有杯式(见图2-10)和翼式(见图2-11)两种。杯式风