第3章井巷通风阻力

目录第三章井巷通风阻力目录第一节井巷断面上的风速分布第二节摩擦风阻与阻力第三节局部风阻与阻力第四节矿井总风阻与矿井等积孔第五节降低矿井通风阻力的措施目录1、上一章内容回顾1)、上次课所讲的主要内容空气的物理性：温度、密度（比容）、重度(重率)、湿度(绝对湿度、相对湿度、含湿量)、压力（压强）、粘性、焓、风流的点压力及其相互关系、矿井通风能量方程(空气流动连续性方程、单位质量流量能量方程、单位体积流量能量方程)及通风能量（压力）坡度线。2)、能解决的实际问题（1）密度的计算（2）点压力的测定（3）矿井通风阻力的计算（4）矿井能量压力坡度线的画法，从图形上直观地看出空气在流动过程中能量（压力）沿程变化规律。（5）风流方向的判断目录2、本章的重点：井巷断面的风速分布，摩擦阻力系数、摩擦风阻及阻力计算，尼古拉兹实验，矿井局部阻力系数、局部风阻与阻力，矿井总风阻与等积孔、降低矿井通风阻力的措施。3、本章的难点：正确查算摩擦阻力系数α值正确计算局部阻力系数ξ值4、本章的思考题(1)对于给定的井巷，摩擦风阻Rf=const，为什么？(2)摩擦阻力与摩擦风阻有何不同？(3)矿井风量与摩擦阻力有何关系，从降低摩擦阻力的角度，应如何控制风量？局部阻力是如何产生的？(4)目前所用等积孔的计算方法、分级标准有什么不足之处？(5)结合矿井实际，如何降低矿井通风阻力？如何降低局部阻力？(6)如何正确合理评价矿井通风难易程度？目录第三章井巷通风阻力当空气沿井巷运动时，由于风流的粘滞性和惯性以及井巷壁面等对风流的阻滞、扰动作用而形成通风阻力，它是造成风流能量损失的原因。井巷通风阻力可分为两类：摩擦阻力(也称为沿程阻力)和局部阻力。第一节井巷断面上风速分布一、风流流态1、管道流同一流体在同一管道中流动时，不同的流速，会形成不同的流动状态。当流速较低时，流体质点互不混杂，沿着与管轴平行的方向作层状运动，称为层流(或滞流)。当流速较大时，流体质点的运动速度在大小和方向上都随时发生变化，成为互相混杂的紊乱流动，称为紊流(或湍流)。（１）雷诺数－Re式中：平均流速v、管道直径d和流体的运动粘性系数。VdRe当空气温度为150C时，=14.4x10-6m2/s。目录雷诺实验示意图实验表明：Re≤2320层流（下临界雷诺数）Re＞4000紊流（上临界雷诺数）中间为过渡区。实际工程计算中，为简便起见，通常用Re=2300来判断管路流动的流态。Re≤2300层流，Re＞2300紊流目录（２）当量直径对于非圆形断面的井巷，Re数中的管道直径d应以井巷断面的当量直径de来表示：因此，非圆形断面井巷的雷诺数可用下式表示：对于不同形状的井巷断面，其周长U与断面积S的关系，可用下式表示：式中：C—断面形状系数：梯形C=4.16；三心拱C=4.10；半圆拱C=3.84；圆形拱C=3.54。SCUUVSRe4USde4目录例：某梯形巷道，采用工字钢支护，断面S=9m2，巷道中风量为Q=240m3/min，试判别风流流态。解：故巷道中风流为紊流。例：巷道条件同前，求相应于Re＝2300时的层流临界风速。解：《规程》规定，井巷中最低允许风速为0.15m/s，由此可见，矿井内所有通风井巷中的风流均呈紊流状态。只有在采区冒落带，煤岩柱裂隙中的漏风风流才有可能出现层流状态，用孔隙介质流来判断。6Re23004.16315100.012/449uvVmss2300846153164101544446.SCQUVSRe目录2、孔隙介质流在采空区和煤层等多孔介质中风流的流态判别准数为：式中：K—冒落带渗流系数，m2；l—滤流带粗糙度系数，m。层流，Re≤0.25；紊流，Re＞2.5；过渡流0.25Re2.5二、井巷断面上风速分布（１）紊流脉动和时均速度风流中各点的流速、压力等物理参数随时间作不规则,瞬时速度vx随时间τ的变化。其值虽然不断变化，但在一足够长的时间段T内，流速vx总是围绕着某一平均值上下波动。TvxvxtlvKRexv目录(３）巷道风速分布由于空气的粘性和井巷壁面摩擦影响，井巷断面上风速分布是不均匀的。层流边层：在贴近壁面处仍存在层流运动薄层，即层流边层。其厚度δ随Re增加而变薄，它的存在对流动阻力、传热和传质过程有较大影响。在层流边层以外，从巷壁向巷道轴心方向，风速逐渐增大，呈抛物线分布。平均风速：式中：巷道通过风量Q。则：Q＝V×SSiSvSvd1SiSvdδvvmaxvmax目录风速分布系数：断面上平均风速v与最大风速vmax的比值称为风速分布系数(速度场系数)，用Kv表示：巷壁愈光滑，Kv值愈大，即断面上风速分布愈均匀。砌碹巷道，Kv=0.8～0.86；木棚支护巷道，Kv=0.68～0.82；无支护巷道，Kv=0.74～0.81。实际中，由于受井巷断面形状和支护形式的影响，及局部阻力物的存在，最大风流不一定在井巷的轴线上。风速分布也不一定是有对称性。maxvvKv目录第二节摩擦风阻与阻力一、摩擦阻力风流在井巷中作沿程流动时，由于流体层间的摩擦和流体与井巷壁面之间的摩擦所形成的阻力称为摩擦阻力(也叫沿程阻力)。由流体力学可知，无论层流还是紊流，以风流压能损失来反映的摩擦阻力可用下式(达西定律)来计算：Paλ－无因次系数，即沿程阻力系数，通过实验求得。d—圆形风管直径，非圆形管用当量直径；2·2vdLhf目录1．尼古拉兹实验实际流体在流动过程中，沿程能量损失一方面（内因）取决于粘滞力和惯性力的比值，用雷诺数Re来衡量；另一方面（外因）是固体壁面对流体流动的阻碍作用，故沿程能量损失又与管道长度、断面形状及大小、壁面粗糙度有关。其中壁面粗糙度的影响通过λ值来反映。1932～1933年间，尼古拉兹把经过筛分、粒径为ε的砂粒均匀粘贴于管壁。砂粒的直径ε就是管壁凸起的高度，称为绝对糙度；绝对糙度ε与管道半径r的比值ε/r称为相对糙度。以水作为流动介质、对相对糙度分别为1/15、1/30.6、1/60、1/126、1/256、1/507六种不同的管道进行试验研究。对实验数据进行分析整理，在对数坐标纸上画出λ与Re的关系曲线，如下图所示。目录Ⅳ区——紊流过渡区，即图中Ⅳ所示区段。在这个区段内，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ε/r有关。Ⅴ区——水力粗糙管区。在该区段，Re值较大，管内液流的层流边层已变得极薄，有εδ，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，相对糙度成为λ的唯一影响因素。故在该区段，λ与Re无关，而只与相对糙度有关。摩擦阻力与流速平方成正比，故称为阻力平方区，尼古拉兹公式：Ⅰ区——层流区。当Re＜2320(即lgRe＜3.36)时，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ε/r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)，在此区间内，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，管内流动虽然都已处于紊流状态(Re＞4000)，但在一定的雷诺数下，当层流边层的厚度δ大于管道的绝对糙度ε（称为水力光滑管）时，其实验点均集中在直线Ⅲ上，表明λ与ε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。结论分析：I区δε2lg274.11r目录2．层流摩擦阻力当流体在圆形管道中作层流流动时，从理论上可以导出摩擦阻力计算式：∵μ=ρ·ν∴可得圆管层流时的沿程阻力系数：古拉兹实验所得到的层流时λ与Re的关系，与理论分析得到的关系完全相同，理论与实验的正确性得到相互的验证。层流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比。3、紊流摩擦阻力对于紊流运动，λ=f(Re，ε/r)，关系比较复杂。用当量直径de=4S/U代替d，代入阻力通式，则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式：V322dLhfVdRe2V··642dLRehfRe642322882QSLUvSLUvdLhf目录8二、摩擦阻力系数与摩擦风阻1．摩擦阻力系数α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。对上式，令：α称为摩擦阻力系数，单位为kg/m3或N.s2/m4。则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式写为：标准摩擦阻力系数：通过大量实验和实测所得的、在标准状态（ρ0=1.2kg/m3）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值应进行修正：α=α0ρ/1.223QSLUhf2.10目录由于井巷断面大小、支护形式及支架规格的多样性，不同井巷的相对糙度差别很大。对于砌碹和锚喷巷道，壁面租糙度可用尼古拉兹实验的相对糙度概念来比拟，只考虑横断面方向的相对糙度。但对于用木棚子、工字钢、u型钢和砼棚等支护的巷道，还要用支架间距(棚距)L与文拄的直径或纵向厚度d。之比，即支架的纵口径Δ来表示巷道的轴向相对糙度，这是因为，当巷道横断面方向的相对糙度一定时，摩擦阻力系数随纵口径的不同而产生较大变化。目录310d/L123456789101112131415681012141618v=6m/s;Re=146000v=14m/s;Re=3400000dL纵口径：目录2．摩擦风阻Rf对于已给定的井巷，L、U、S都为已知数，故可把上式中的α、L、U、S归结为一个参数Rf：：Rf称为巷道的摩擦风阻，其单位为：kg/m7或N.s2/m8。Rf＝f(ρ,ε,S,U,L)。在正常条件下当某一段井巷中的空气密度ρ一般变化不大时，可将Rf看作是反映井巷几何特征的参数。则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式写为：此式就是完全紊流(进入阻力平方区)下的摩擦阻力定律。三、井巷摩擦阻力计算方法新建矿井：查表得α0αRfhf生产矿井：hfRfαα03SLURf2QRhff目录例题3-3某设计巷道为梯形断面，S=8m2，L=1000m，采用工字钢棚支护，支架截面高度d0=14cm，纵口径Δ=5，计划通过风量Q=1200m3/min，预计巷道中空气密度ρ=1.25kg/m3，求该段巷道的通风阻力。解根据所给的d0、Δ、S值，由附录4附表4-4查得:α0=284.2×10－4×0.88=0.025Ns2/m4则：巷道实际摩擦阻力系数Ns2／m4巷道摩擦风阻巷道摩擦阻力026.02.125.1025.02.10Ns2/m80.598877.111000026.06.4333SSLSLURfPaQRhff2.239601200598.022目录《规程》：新井投产前必须进行1次矿井通风阻力测定，以后每3年至少进行1次。矿井转入新水平生产或改变一翼通风系统后，必须重新进行矿井通风阻力测定。目录四、生产矿井一段巷道阻力测定测定路线的选择依据的原则①在所有并联风路中选择风量较大且通过回采工作面的主风流风路作为主测定路线；②选择路线较长且包括有较多井巷类型和支护形式的线路作为主测定线路；③选择沿主风流方向且便于测定工作顺利进行的线路作为主测定线路。目录1、压差计法用压差计法测定通风阻力的实质是测量风流两点间的势能差和动压差，计算出两测点间的通阻力。其中：右侧的第二项为动压差，通过测定１、２两断面的风速、大气压、干湿球温度，即可计算出它们的值。第一项和第三项之和称为势能差，需通过实际测定。1）布置方式及连接方法2m21m122212121Rgg2v2vPPhZZz1z2１２２１目录２）阻力计算压差