矿井通风阻力

第三章矿井通风阻力主要内容：•矿内风流的流动状态•阻力定律•摩擦阻力、局部阻力、正面阻力•等积孔与井巷风阻特性曲线3.1风流状态一、两种流态的概念层流：流体分层或分片的流动状态。紊流：流体的质点既有横向流动，又有纵向流动，各质点强烈地相互混合，形成紊乱向前的运动轨迹。二、风流流动状态的影响因素用雷诺数(Re)表示流体的速度、管道的尺寸、粘性对流体流动状态的影响。vdReν—运动粘性系数，m2/s；受流体的温度和压力影响，矿内风流ν=14.4×10-6m2/s进行计算。等值直径是与风流流过的巷道净断面积相等的圆的直径，用公式表示：PSd4U是巷道的周边长，用近似计算：梯形断面：P=4.16S0.5三心拱断面：P=4.10S0.5半圆拱断面：P=3.84S0.5规定：Re=2300为临界(层流与紊流)雷诺数PvSRe4→=2300*4.16*2*14.4*10-6/4/4=1.81*10-2m/sSPRev4/3.2阻力定律阻力定律：风流在井巷中流动时所遇阻力与平均风速和井巷间的依存关系规律。一、层流阻力定律hz=czv即层流通风阻力与平均风速成正比。二、紊流阻力定律hy=cyvxx—风流流态所决定的指数，介于1.75~2.0之间矿内风流呈紊流状态，井巷通风阻力与平均风速的平方成正比。3.3摩擦风阻与阻力一、摩擦阻力摩擦阻力概念摩擦阻力约占井巷通风总阻力的80-90%。二、摩擦阻力的计算计算公式(达西公式)：22vdLhfSQv同时/:828vSLPhf23QSLPhf因矿内空气密度变化不大，令得：2QRhff23QSLPhf即：令：3SLPRf得：根据上式，得摩擦阻力定律：井巷的摩擦阻力等于该井巷的摩擦风阻与流过该井巷的风量的平方的乘积。注意：摩擦阻力hf≠摩擦风阻Rf,三、影响α系数的因素分析8达西系数，与雷诺数和井巷的相对粗糙度有关空气的密度，与空气的温度、压力、湿度有关1.ρ对α的影响)378.01(Tp0.00348ppv2.λ对α的影响λ与风流的雷诺数、井巷的相对粗糙度有关。即风流的雷诺数、井巷的相对粗糙度是α的影响因素。管道的粗糙度用相对粗糙度或相对光滑度表示。相对粗糙度n：管道壁上的突起的平均高度K与管道直径的d的比值。即：n=K/d相对光滑度是相对粗糙度的倒数，即1/n=d/K。N越大，α越大对于用支柱支护的巷道的粗糙度用纵口径来表示。纵口径△：相邻两支架中心线之间的距离L与支柱的直径或厚度d0之比。即：△=L/d0△=1，α最小；△=5~6，α最大；△5~6，α随△的增大而增大；△:6~9，α随△的增大而减少；△9，α基本为定值。λ与雷诺数、井巷的相对粗糙度的关系，见尼古拉兹曲线（见教材图3-2-1）。△与α的关系：尼古拉兹实验1932～1933年间，尼古拉兹把经过筛分、粒径为K的砂粒均匀粘贴于管壁。砂粒直径K，即管壁凸起的高度,称为绝对粗糙度;砂粒的平均直径K与管道直径D之比,称为相对粗糙度.尼古拉兹以水为流动介质，对相对粗糙度（实际为相对粗造度的1/2倍）分别为1/15、1/30.6、1/60、1/126、1/256、1/507六种不同的管道进行实验研究。实验得出流态不同的水流，λ系数与管壁相对粗糙度、雷诺数Re的关系，如下图所示：坐标：纵坐标轴：lg(100λ)；横坐标轴：lgRe根据λ值随Re变化特征，图中曲线分为五个区：•Ⅰ区——层流区：Re＜2320（即lgRe＜3.36）•在此区，不论管道粗糙度如何，其实验结果都集中分布于直线Ⅰ上。•这表明λ与相对糙度无关，只与Re有关，且λ=64/Re。与相对粗糙度无关。•Ⅱ区—过渡流区：2320≤Re≤4000,即3.36≤lgRe≤3.6•此区间内，不同相对糙度的管内流体的流态由层流转变为紊流。所有的实验点几乎都集中在线段Ⅱ上。•λ随Re增大而增大，与相对糙度无明显关系。•Ⅲ区—水力光滑管区。•在此区段内，管内流动已处于紊流状态（Re＞4000），但在一定Re下，当层流边层的厚度δ大于管道的绝对糙度K（称为水力光滑管）时，其实验点均集中在直线Ⅲ上；•表明λ与K仍然无关，而只与Re有关。•随着Re的增大，相对糙度大的管道，实验点在较低Re时就偏离直线Ⅲ，而相对糙度小的管道要在Re较大时才偏离直线Ⅲ。δK§4.1摩擦阻力•Ⅳ区—紊流过渡区。•在此区段内，各种不同相对糙度的实验点各自分散呈一波状曲线，λ值既与Re有关，也与粗糙度K有关。§4.1摩擦阻力•Ⅴ区—水力粗糙管区：完全紊流。在该区段，λ与Re无关，而只与相对粗糙度有关。•原因：在该区段，Re值较大，管内液流的层流边层已变得极薄，有Kδ，砂粒凸起高度几乎全暴露在紊流核心中，故Re对λ值的影响极小，略去不计，相对粗糙度K成为λ的唯一影响因素。摩擦阻力与流速平方成正比，故称为阻力平方区•阻力平方区，尼古拉兹公式：2lg274.11r通风工程：当Re≤2320(lgRe≤3.36)时，流体作层流运动，λ=64/Re，与管道的相对光滑度无关；当2320Re10000(3.36lgRe5)时，流体从层流过渡到完全紊流的中间状态，λ系数与Re和管道相对光滑度有关；当Re10000(lgRe＞5)时，流体进入完全紊流状态，λ系数取决于管道的相对光滑度，与Re无关。矿井风流一般属于第三种情况，λ系数取决于管道的相对光滑度，与Re无关。某一井巷在一定时间范围内，n可视为不变，故λ值也可视为常量。摩擦阻力系数α的计算矿井中大多数通风井巷风流的Re值已进入阻力平方区，λ值只与相对糙度有关，对于几何尺寸和支护已定型的井巷，相对糙度一定，则λ可视为定值；在标准状态下空气密度ρ=1.2kg/m3。通过大量实验和实测所得的、在标准状态条件下的井巷的摩擦阻力系数，即所谓标准值α0值当井巷中空气密度ρ≠1.2kg/m3时，其α值应按下式修正：2.10新建矿井：查表得α0→α→Rf→hf生产矿井：hf→Rf→α→α0四、降低井巷摩擦阻力的措施232QSLPQRhff1.降低摩擦阻力系数α减少井巷的粗糙度。2.减少周边长P。3.扩大巷道断面面积S。4.减少巷道的长度L。5.避免井巷内风量过大。注意：在断面相同的情况下，应选择P较小的圆形或拱形断面实际中应考虑有效利用、掘进费用3.4局部阻力一、局部阻力的产生风流在井巷的局部地点(如巷道拐弯、分叉、汇合以及巷道断面的突然扩大、突然缩小、进出风井口等)，由于风流速度或方向突然发生变化，导致风流本身产生剧烈的冲击，形成极为紊乱的涡流现象，因而在该局部地点产生一额外阻力，此阻力称为局部阻力。局部阻力损失或冲击损失1-2断面间的能量方程为：p1+ρ1gz1+0.5ρ1v12=p2+ρ2gz2+0.5ρ2v22+hm或：hm=(p1-p2)+(ρ1z1-ρ2z2)g+0.5(ρ1v12-ρ2v22)二、局部阻力的计算1.断面突然扩大的局部阻力S1，v1Ｓ2，v2涡流区断面1断面2由于风流从断面1-2的距离短，空气的密度视为不变，即ρ1＝ρ2＝ρ，z1＝z2，根据动量定理：P1(S2-S1)+P1S1-P2S2=ρv2S2(v2-v1)→P1-P2=ρv2(v2-v1)由能量方程和动量方程得：hm=ρ(v1-v2)2/2=(1-S1/S2)2ρv12/2令ξ1＝(1-S1/S2)2则hm=ξ1ρv12/2或：hm=ξ2ρv22/2修正公式：ξ`=ξ(1+α/0.01)2.突然缩小的局部阻力Ｓ1→Ｓmin→Ｓ2能量损失由两部分组成，分别为：一是风流由大断面Ｓ1流至最小断面Ｓmin的能量损失；二是最小断面Ｓmin扩大至小断面Ｓ2的能量损失。第二部分是主要的，第一部分可忽略。计算公式为：hm=ξmρv22/2其中：ξm＝0.5（1-Ｓ2/Ｓ1）修正公式：ξ`m＝ξm(1+α/0.013)三、局部阻力计算的普遍公式突然扩大：hm=ξ1ρv12/2=ξ2ρv22/2突然缩小：hm=ξmρv22/2拐弯：hs=ξsρv2/2普遍公式：hx=ξ1ρv12/2或：hx=ξ2ρv22/2因为：Ｑ＝v1S1=v2S2hx=ξ1ρQ2/2S12=ξ2ρQ2/2S22=RxQ2局部阻力等于局部风阻与风量平方的乘积。四、降低局部阻力的措施局部阻力：hx=ξ1ρv12/2=ξ2ρv22/2=ξ1ρQ2/2S12=ξ2ρQ2/2S22=RxQ2①避免大小巷道相连，大小断面巷道相连要逐渐过渡；②避免直角拐弯，拐弯处做成斜面或圆弧，增大曲率半径，设置导风板；③避免风流突然分支和突然汇合，分支和汇合处内侧做成斜面或圆弧；④风桥的进风口做成聚流结构，出风口要有扩散结构。3.5正面阻力一、正面阻力的产生和计算产生：风流在井巷中流动，遇到静止或运动的障碍物时，风流只能从障碍物的四周流过，使风流的速度和方向发生改变，引起前后风流的互相冲击，而产生正面阻力。22mmmzvSSSh22mmmzvSSSCh23)(2QSSCShmmz2QRhzz局部阻力：hx=RxQ2正面阻力：2QRhzz2QRhffzxfhhhh摩擦阻力：通式：h=RQ2通风阻力定律总阻力：2)(QRRRzxf3.6等积孔与井巷风阻特性等积孔面积Ａ的计算：h/19Q.1AR/19.1AAIIIP2,v2P1,v1一、井巷等积孔的概念等积孔概念：三、风流的功率与电耗风流的功率：)KW(1000/hQN矿井一天的通风费用：1000/24eQhCff０QhR二、井巷风阻特性曲线h=RQ2h－Q之间的关系曲线例1：某梯形巷道断面Ｓ＝6m2，平均风速v=1.2m/s，问该巷道的风流状态是层流还是紊流？若要使风流为层流，平均风速应是多少？解：Re=vd/νd=4S/P=4S/4.16*S1/2=2.35(m)所以：Ｒe=1.2*2.35/(15*10-6)=1880002300为紊流。要为层流，则v≤2320ν/d=2320*(15*10-6)/2.35=0.01468(m/s)例2：某矿井一主要主要运输巷道Ｌ＝2500米，用不完全木支架，支柱直径d0=0.22米，棚子间距L＝0.88米，巷道断面Ｓ＝5m2，周长Ｐ＝9.3米，，巷道中风量Ｑ＝40m3/s，求该巷道的通风阻力。解：主要为摩擦阻力h=αLPQ2/S3α=185.2*0.89=164.83h=164.83*10-4*2500*9.3*402/53=4905.34(Pa)例3：已知某矿井通风总阻力为1440pa，风量Ｑ＝60m3/s，求其等孔积Ａ和风阻Ｒ？如果风量增至80m3/s，问其Ａ和Ｒ是否改变？矿井阻力增至多少？解：等孔积Ａ＝1.19Ｑ/h1/2=1.88(m2)R=h/Q2=1440/60/60=0.4(N.s2/m8)当风量增至80m3/s，Ａ和Ｒ不改变。h=RQ2=0.4*802=2560(pa)例4：（见教材例题）作业：1-4