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第二章风流的能量与能量方程井下风流的流动遵循能量守恒及转换定律。本章结合矿井风流流动的特点，介绍了空气的主要物理参数，风流的能量与压力，压力测量方法及压力之间的关系，重点阐述了矿井通风中的能量方程及其应用。第一节空气的主要物理参数与矿井通风密切相关的物理参数除了反映气候条件的温度、湿度以外，还有密度、比容、压力、粘性等。一、空气的密度单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，用ρ来表示。即：VM=（2-1）式中ρ——空气的密度，kg/m3；M——空气的质量，m；V——空气的体积，m3。一般来说，空气的密度是随温度、湿度和压力的变化而变化的。在标准大气状况下（P＝101325Pa，t＝O℃，＝O%），干空气的密度为1.293kg/m3。湿空气密度的计算公式为：ρ湿＝0.003484TP（1－0.378PP饱）(2-2)式中P——空气的压力，Pa；T——热力学温度（T＝273+t），K；t——空气的温度，℃；——相对湿度，%；P饱——温度为t（℃）时的饱和水蒸气压力(见表1-9)，pa。由上式可见，压力越大，温度越低，空气密度越大。当压力和温度一定时，湿空气的密度总是小于干空气的密度。在矿井通风中，由于通风系统内的空气温度、湿度、压力各有不同，空气的密度也有所变化，但变化范围有限。在研究空气流动规律时，要根据具体情况考虑是否忽略这种变化。一般将空气压力为101325Pa，温度为20℃，相对湿度为60%的矿井空气称为标准矿井空气，其密度为1.2kg/m3。二、空气的比容单位质量空气所占有的体积叫空气的比容，用υ（m3/kg）表示，比容和密度互为倒数，它们是一个状态参数的两种表达方式。即：1MV（2-3）三、空气的压力（压强）矿井通风中，习惯将压强称为空气的压力。由于空气分子的热运动，分子之间不断碰撞，同时气体分子也不断地和容器壁碰撞，形成了气体对容器壁的压力。气体作用在单位面积上的力称为空气的压力，用P表示。根据物理学的分子运动理论可导出理想气体作用于容器壁的空气压力关系式为：P＝)21(322mvn（2-4）式中n——单位体积内的空气分子数；221mv——分子平移运动的平均动能。上式表明，空气的压力是单位体积空气分子不规则热运动产生的总动能的三分之二转化为对外做功的机械能。单位体积内的空气分子数越多，分子热运动的平均动能越大，空气压力越大。空气压力的单位为帕斯卡（Pa），简称帕，1Pa=1N/m2。压力较大时还有千帕（KPa）、兆帕（MPa），1MPa=103KPa=106Pa。有的压力仪器也用百帕（hPa）表示，1hPa=100Pa。其它旧的压力单位及换算见表2-1所示。表2-1压力单位换算表单位名称帕斯卡Pa巴bar公斤力/米2mmH2O公斤力/厘米2（工程大气压）at毫米汞柱mmHg标准大气压atmPammH2OmmHgatm19.80665133.32210132510-59.80665×10-51.33322×10-31.013250.101972113.59510332.30.101972×10-41×10-41.3595×10-31.033237.50062×10-37.35559×10-217609.86923×10-69.67841×10-51.31579×10-31注：英制压力单位采用磅力/英寸2（1bf/in2），11bf/in2=6894.7Pa。1kPa=103Pa；1atm=101.325kPa；1at=98.0665kPa（千帕）；1bar(巴)=1000mbar（毫巴）地面空气压力习惯称为大气压。由于地球周围大气层的厚度高达数千千米，越靠近地表空气密度越大，空气分子数越多，分子热运动的平均动能越大，所以大气压力也越大。此外，大气压力还与当地的气候条件有关，即便是同一地区，也会随季节不同而变化，甚至一昼夜内都有波动。四、空气的粘性任何流体都有粘性。当流体以任一流速在管道中流动时，靠近管道中心的流层流速快，靠近管道壁的流层流速慢，相邻两流层之间的接触面上便产生粘性阻力（内摩擦力），以阻止其相对运动，流体具有的这一性质，称为流体的粘性。根据牛顿内摩擦力定律，流体分层间的内摩擦力为：F=μSdydv（2-5）式中F——内摩擦力，N；μ——动力粘性系数，Pa·s；S——流层之间的接触面积，m2；dv/dy——垂直于流动方向上的速度梯度，s-1。由上式可以看出，当流体不流动或分层间无相对运动时，dv/dy=0，则F=0。需要说明的是，不论流体是否流动，流体具有粘性的性质是不变的。在矿井通风中，除了用动力粘性系数μ表示空气粘性大小外，还常用运动粘性系数ν（m2/s）来表示，与动力粘性系数的关系为：=（2-6）式中ρ——空气的密度，kg/m3。流体的粘性随温度和压力的变化而变化。对空气而言，粘性系数随温度的升高而增大，压力对粘性系数的影响可以忽略。当温度为20℃，压力为0.1MPa时，空气的动力粘性系数μ=1.808×10-5Pa·s；运动粘性系数ν=1.501×10-5m2/s。第二节风流的能量与压力矿井通风系统中，风流在井巷某断面上所具有的总机械能（包括静压能、动能和位能）及内能之和叫做风流的能量。风流之所以能够流动，其根本原因是系统中存在着能量差，所以风流的能量是风流流动的动力。单位体积空气所具有的能够对外做功的机械能就是压力。能量与压力即有区别又有联系，除了内能是以热的形式存在于风流中外，其它三种能量一般通过压力来体现，也就是说井巷任一通风断面上存在的静压能、动能和位能可用静压、动压、位压来呈现。一、静压能—静压1、静压能与静压的概念由分子热运动理论可知，不论空气处于静止状态还是流动状态，空气分子都在做无规则的热运动。这种由空气分子热运动而使单位体积空气具有的对外做功的机械能量叫静压能，用E静表示（J/m3）。空气分子热运动不断地撞击器壁所呈现的压力（压强）称为静压力，简称静压，用P静表示（N/m2，即Pa）。由于静压是静压能的体现，二者分别代表着空气分子热运动所具有的外在表现和内涵，所以在数值上大小相等，静压是静压能的等效表示值。2、静压的特点（1）只要有空气存在，不论是否流动都会呈现静压；（2）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，且垂直作用于器壁；（3）静压是可以用仪器测量的，大气压力就是地面空气的静压值；（4）静压的大小反映了单位体积空气具有的静压能。3、空气压力的两种测算基准空气的压力根据所选用的测算基准不同可分为两种，即绝对压力和相对压力。（1）绝对压力：以真空为基准测算的压力称为绝对压力，用P表示。由于以真空为零点，有空气的地方压力都大于零，所以绝对压力总是正值。（2）相对压力：以当地当时同标高的大气压力为基准测算的压力称为相对压力，用h表示。对于矿井空气来说，井巷中空气的相对压力h就是其绝对压力P与当地当时同标高的地面大气压力P0的差值。即：h＝P－P0（2-7）当井巷空气的绝对压力一定时，相对压力随大气压力的变化而变化。在压入式通风矿井中，井下空气的绝对压力都高于当地当时同标高的大气压力，相对压力是正值，称为正压通风；在抽出式通风矿井中，井下空气的绝对压力都低于当地当时同标高的大气压力，相对压力是负值，又称为负压通风。由此可以看出，相对压力有正压和负压之分。在不同通风方式下，绝对压力、相对压力和大气压力三者的关系见图2-1所示。图2-1绝对压力、相对压力和大气压力之间的关系二、动能—动压1、动能与动压的概念空气做定向流动时具有动能，用E动表示（J/m3），其动能所呈现的压力称为动压（或速压），用h动（或h速）表示，单位Pa。2、动压的计算式设某点空气密度为ρ（kg/m3），定向流动的流速为v（m/s），则单位体积空气所具有的动能为E动：E动＝221v，J/m3（2-8）E动对外所呈现的动压为：h动＝221v，Pa（2-9）3、动压的特点（1）只有做定向流动的空气才呈现出动压；（2）动压具有方向性，仅对与风流方向垂直或斜交的平面施加压力。垂直流动方向的平面承受的动压最大，平行流动方向的平面承受的动压为零；（3）在同一流动断面上，因各点风速不等，其动压各不相同；（4）动压无绝对压力与相对压力之分，总是大于零。三、位能—位压1、位能与位压的概念单位体积空气在地球引力作用下，由于位置高度不同而具有的一种能量叫位能，用E位（J/m3）表示。位能所呈现的压力叫位压，用P位（Pa）表示。需要说明的是，位能和位压的大小，是相对于某一个参照基准面而言的，是相对于这个基准面所具有的能量或呈现的压力。2、位压的计算式从地面上把质量为M（kg）的物体提高Z（m），就要对物体克服重力做功MgZ（J），物体因而获得了相同数量的位能，即：E位＝MgZ（2-10）在地球重力场中，物体离地心越远，即Z值越大，其位能越大。如图2-2所示的立井井筒中，如果求1—1断面相对于2—2断面的位压（或1—1断面与2—2断面的位压差），可取较低的2—2断面作为基准面（2—2断面的位压为零），按下式计算：VMgZP1212位＝ρ12gZ12，Pa（2-11）式中ρ12——1、2断面之间空气柱的平均密度，kg/m3；Z12——1、2断面之间的垂直高差，m。图2-2立井井筒中位压计算图矿井通风系统中，由于空气密度与标高的关系比较复杂，往往不是线性关系，空气柱的平均密度ρ12很难确定，在实际测定时，应在1—1和2—2断面之间布置多个测点（如图布置了a、b两个测点），分别测出各点和各段的平均密度（垂距较小时可取算术平均值），再由下式计算1—1断面相对于2—2断面的位压。P位12＝ρ1agZ1a+ρabgZab+ρb2gZb2＝∑ρijgZij，Pa（2-12）测点布置的越多，测段垂距越小，计算的位压越精确。3、位压的特点（1）位压只相对于基准面存在，是该断面相对于基准面的位压差。基准面的选取是任意的，因此位压可为正值，也可为负值。为了便于计算，一般将基准面设在所研究系统风流的最低水平。（2）位压是一种潜在的压力，不能在该断面上呈现出来。在静止的空气中，上断面相对于下断面的位压，就是下断面比上断面静压的增加值，可通过测定静压差来得知。在流动的空气中，只能通过测定高差和空气柱的平均密度用公式（2-12）计算。（3）位压和静压可以相互转化。当空气从高处流向低处时，位压转换为静压；反之，当空气由低处流向高处时，部分静压将转化成位压。（4）不论空气是否流动，上断面相对于下断面的位压总是存在的。四、全压、势压和总压力矿井通风中，为了研究方便，常把风流中某点的静压与动压之和称为全压；将某点的静压与位压之和称为势压；把井巷风流中任一断面（点）的静压、动压、位压之和称为该断面（点）的总压力。井巷风流中两断面上存在的能量差即总压力差是风流之所以能够流动的根本原因，空气的流动方向总是从总压力大处流向总压力小处，而不是取决于单一的静压、动压或位压的大小。第三节空气压力测量及压力关系一、测压仪器在矿井通风测量仪器中，测定空气压力的便携式仪器有三类：一是测量绝对压力的气压计；二是测量相对压力的压差计和皮托管；三是可同时测定绝对压力、相对压力的精密气压计或矿井通风综合参数检测仪等。（一）绝对压力测量仪器最常用的是空盒气压计，其内部构造如图2-3所示。图2-3空盒气压计内部结构图1、2、3、4—传动机构；5—拉杆；6—波纹真空膜盒；7—指针；8—弹簧空盒气压计的感压元件是外表呈波纹形、内为真空的特殊合金金属膜盒。当压力增大或减小时，膜盒面相应地凹下、凸出，通过传动机构将这种微小位移放大后，驱动指针指示出当时测点的绝对压力值。测压时，将仪器水平放置在测点处，轻轻敲击仪器外壳，以消除传动机构的摩擦误差，放置3～5min待指针变化稳定后读数。读数时，视线与刻度盘平面要保持垂直，同时，还要根据每台仪器出厂时提供的校正表（或曲线），对读数进行刻度、温度及补偿校正。常用的DYM3型空盒气压计的测压范围为80000～108000Pa，最小分度为10Pa，经过校正后的测量误差不大于200Pa。因精度较低，一般只适用于粗