第二章矿井空气流动的基本理论

第二章矿井空气流动的基本理论第一节空气的主要物理参数一、温度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)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、相对湿度和含湿量三种１、绝对湿度v=Mv/V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。空气湿度的测算构造简单的常用仪表是手摇湿度计(图1-5)和风扇湿度计(图1-6)，二者都是由干球温度计和湿球温度计组成。根据实测的td和td﹣tw两个数值在表1-6中查出空气的相对湿度φ值。矿内空气湿度的变化规律冷天时，当含有一定量水蒸汽的冷空气进入井下，由于气温逐渐升高，容积逐渐增大，其饱和能力逐渐变大，沿途要吸收井巷中的水分；热天时，热空气进入井下，气温逐渐降低，容积逐渐减少，其饱和能力逐渐变小，使其中一部分水蒸汽量沿途掉下来。故矿井进风路线上有冬干夏湿的现象，在采掘工作面和回风路线上，因气温几乎常年不变，故其湿度也几乎常年不变，而且其相对湿度接近100％。３、含湿量含有1kg干空气的湿空气中所含水蒸汽的质量（kg）称为空气的含湿量。d=0.622φPs/(P-φPs)4、焓焓是一个复合的状态参数，它是内能u和压力功PV之和，焓也称热焓。i=id+d•iV=1.0045t+d(2501+1.85t)实际应用焓-湿图（I-d)5、粘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，称作流体的粘性。其大小主要取决于温度。六、密度单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，与P、t、湿度等有关。空气比容：=V/M=1/)1(003484.0378.0PPTPsat第二节风流的能量与压力一、风流的能量与压力1.静压能－静压（1）静压能与静压的概念空气分子热运动产生的分子动能的一部分转化的能够对外作功的机械能叫静压能，J／m3，在矿井通风中，压力的概念与物理学中的压强相同，即单位面积上受到的垂直作用力。静压Pa=N/m2也可称为是静压能。（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力；b.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。（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P表示。B、相对压力：以当时当地同标高的大气压力为测算基准(零点)测得的压力称之为相对压力，即通常所说的表压力，用h表示。风流的绝对压力（P）、相对压力（h）和与其对应的大气压（P0）三者之间的关系如下式所示：h=P－P02、重力位能（1)重力位能的概念物体在地球重力场中因地球引力的作用，由于位置的不同而具有的一种能量叫重力位能，简称位能，用EPO表示。EPO=M.g.Z。（２）位能计算重力位能的计算应有一个参照基准面。Ep012=∫igdzi如下图1－２两断面之间的位能差：dzi１２００２１（3)位能与静压的关系说明：Ｉ、位能与静压能之间可以互相转化。II、在矿井通风中把某点的静压和位能之和称之为势能。（4)位能的特点a.位能是相对某一基准面而具有的能量，它随所选基准面的变化而变化。b.位能是一种潜在的能量，它在本处对外无力的效应，即不呈现压力，故不能象静压那样用仪表进行直接测量。c.位能和静压可以相互转化，在进行能量转化时遵循能量守恒定律。3.动能－动压（1)动能与动压的概念空气定向运动的动能，其动能所转化显现的压力叫动压或称速压，用符号hv表示，单位Pa。Evi＝i×V2×0.5（2)动压的特点a.只有作定向流动的空气才具有动压，因此动压具有方向性。b.动压总是大于零。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.某断面动压即为该断面平均风速计算值。（3）全压全压＝静压＋动压。静压有绝对和相对之分，故全压也有绝对和相对之分。Ａ、绝对全压（Pti）Pti＝Pi＋hviB、相对全压（hti）hti＝hi＋hvi＝Pti－Poi说明：A、相对全压有正负之分；B、无论正压通还是负压通风，PtiPi，hti＞hi。二、风流的点压力之间相互关系风流的点压力是指测点的单位体积(1m3)空气所具有的压力。通风管道中流动的风流的点压力可分为：静压、动压和全压。风流中任一点i的动压、静压和全压的关系为：hvi=Pti-Pihti=hi+hvi。压入式通风（正压通风）：风流中任一点的相对全压恒为正。hti=hi+hvi抽出式通风（负压通风）：风流中任一点的相对全压恒为负，对于抽出式通风由于hti和hi为负，实际计算时取其绝对值进行计算。|hti|=|hi|－hvi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三、风流点压力的测定１、矿井主要压力测定仪器仪表（１）绝对压力测量：空盒气压计、精密气压计、水银气压计等。（２）压差及相对压力测量：恒温气压计、“Ｕ”水柱计、补偿式微压计、倾斜单管压差计。（３）感压仪器：皮托管，承受和传递压力，+-测压２、压力测定（１）绝对压力－－直接测量读数。（２）相对静压(以如图正压通风为例)对于负压通风的情况请自行推导（注意连接方法）：＋－０’０’hP0zP0izP0i＋－h00（３）相对全压、动压测量测定连接如图（说明连接方法及水柱高度变化）zP0iht＋－hihv第三节矿井通风中的能量方程一、空气流动连续性方程在无点源或点汇存在时，根据质量守恒定律：对于稳定流，流入某空间的流体质量必然等于流出其的流体质量。如图井巷中风流从1断面流向2断面，作定常流动时，有：Mi=constρ１V1S1＝ρ２V２S２１２两种特例：（I）若S1＝S2，则ρ１V1＝ρ２V２；（II）若ρ１＝ρ２，则V1S1＝V２S２。对于不可压缩流体，通过任一断面的体积流量相等，即Q=viSi=const二、可压缩流体的能量方程（一）、单位质量(1kg)流量的能量方程机械能：静压能、动压能和位能之和。内能：风流内部所具有的分子内动能与分子位能之和。空气的内能是空气状态参数的函数，即：u=f（T，P）。能量分析１２z1z200p1、v1、u1p2、v2、u2qLRqR112111u.2vP:11Zg断面总能量222222u.2vP:22Zg断面总能量R22222Lu.2vP2＋ZgRqqZg112111u.2vP由能量守恒得：根据热力学第一定律，传给空气的热量（qR+q），一部分用于增加空气的内能，一部分使空气膨胀对外作功，即：vdPuu=qq2112R21212111221122dPPdPdPPPPvvvvv又因为：上述三式整理得：即为：单位质量可压缩空气在无压源的井巷中流动时能量方程的一般形式。21222121RZg2v2vdPLZv（二）、单位体积(1m3)流量的能量方程我国矿井通风中习惯使用单位体积（1m3）流体的能量方程。在考虑空气的可压缩性时，那么1m3空气流动过程中的能量损失（hR，J/m3（Pa），即通风阻力）可由1kg空气流动过程中的能量损失（LRJ/Kg）乘以按流动过程状态考虑计算的空气密度m，即：hR=LR.m；则单位体积(1m3)流量的能量方程的书写形式为：21m222121RZg2v2vPPhZm几点说明：1、1m3空气在流动过程中的能量损失等于两断面间的机械能差。2、gm（Z1-Z2）是1、2断面的位能差。3.是1、2两断面上的动能差。A、在矿井通风中，因其动能差较小，故在实际应用时，式中可分别用各自断面上的密度代替计算其动能差。B、动能系数：是断面实际总动能与用断面平均风速计算出的总动能的比。在矿井条件下，Kv一般为1.02～1.05。由于动能差项很小，在应用能量方程时，可取Kv为1。m2v2v2221（三）关于能量方程使用的几点说明1.能量方程表示1kg（或1m3）空气由1断面流向2断面的过程中所消耗的能量（通风阻力），等于流经1、2断面间空气总机械能的变化量。2.风流流动必须是稳定流，即断面上的参数不随时间的变化而变化；所研究的始、末断面要选在缓变流场上。3.风流总是从总能量（机械能）大的地方流向总能量小的地方。4.正确选择求位能时的基准面。5.在始、末断面间有压源时，压源的作用方向与风流的方向一致，压源为正，说明压源对风流做功；如果两者方向相反，压源为负，则压源成为通风阻力。６.应用能量方程时要注意各项单位的一致性。7、对于流动过程中流量发生变化，则按总能量守恒与转换定律列方程R133R122323333322222221211111hQhQ2vPZQ2vPZQ2vPZQgggmmm312第四节能量方程在矿井通风中的应用一、水平风道的通风能量（压力）坡度线（一）、能量（压力）坡度线的作法如图所示的通风机－水平风道系统，绘制能量（压力）坡度线。012345678910P0压力Pa流程扩散器HthR12hR78１、风流的边界条件入口断面处：风流入口断面处的绝对全压等于大气压（可用能量方程加以证明，对入口断面的内外侧列能量方程并忽略极小的入口流动损失），即：Ptin=P0，所以，htin=0，hin=-hvin；出口断面处：风流出口断面处的绝对静压等于大气压（可用能量方程加以证明，对出口断面的内外侧列能量方程并忽略极小的出口流动损失），即：Pex=P0，所以，hex=0，htex=hvex；２、作图步骤（二）能量（压力）坡度线的分析1、通风阻力与能量（压力）坡度线的关系由于风道是水平的，故各断面间无位能差，且大气压相等。由能量方程知，任意两断面间的通风阻力就等于两断面的全压差：2、能量（压力）坡度线直观明了地表达了风流流动过程中的能量变化。绝对全压（相对全压）沿程是逐渐减小的；绝对静压（相对静压）沿程分布是随动压的大小变化而变化。tjtihhtjtivjvijij~RiPPhhPPh3、扩散器回收动能（相对静压为负值）所谓扩散器回收动能，就是在风流出口加设一段断面逐渐扩大的风道，使得出口风速变小，从而达到减小流入大气的风流动能。扩散器安设的是否合理，可用回收的动能值（hv）与扩散器自身的通风阻力（hRd）相比较来确定，即：hv=hvex－hvex’hRd合理hv=hvex－hvex’hRd不合理在压入段出现相对静压为负值的现象分析，如上图，对9～10段列能量方程：1099hR9～10=(P9＋hv9)－(P10+hv10)=P9＋hv9－P0－hv10=h9＋hv9－hv10∴h9=hR9～10－（hv9－hv10）如果：hv9－hv10hR9～10，则，h90（为负值）因此，测定扩散器中的相对静值就可判断扩散器的安装是否合理，相对静压的负值越大，