【采礦】第三章礦井風(fēng)流的阻力ppt課件

1、第三章 礦井風(fēng)流的阻力本章重點(diǎn)和難點(diǎn)：摩擦阻力和部分阻力產(chǎn)生的緣由和測(cè)算.第三章 礦井風(fēng)流的阻力 當(dāng)空氣沿井巷運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于風(fēng)流的粘滯性和慣性以及井巷壁面等對(duì)風(fēng)流的阻滯、擾動(dòng)作用而構(gòu)成通風(fēng)阻力，它是呵斥風(fēng)流能量損失的緣由。井巷通風(fēng)阻力可分為兩類：摩擦阻力(也稱為沿程阻力)和部分阻力。第一節(jié) 阻力定律 一、風(fēng)流流態(tài)1、管道流 同一流體在同一管道中流動(dòng)時(shí)，不同的流速，會(huì)構(gòu)成不同的流動(dòng)形狀。當(dāng)流速較低時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)互不混雜，沿著與管軸平行的方向作層狀運(yùn)動(dòng)，稱為層流(或滯流)。當(dāng)流速較大時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度在大小和方向上都隨時(shí)發(fā)生變化，成為相互混雜的紊亂流動(dòng)，稱為紊流(或湍流)。 .雷諾數(shù)Re 式中：平

2、均流速v、管道直徑d和流體的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。 在實(shí)踐工程計(jì)算中，為簡便起見，通常以Re=2300作為管道流動(dòng)流態(tài)的斷定準(zhǔn)數(shù)，即： Re2300 層流， Re2300 紊流當(dāng)量直徑 對(duì)于非圓形斷面的井巷，Re數(shù)中的管道直徑d應(yīng)以井巷斷面的當(dāng)量直徑de來表示： 因此，非圓形斷面井巷的雷諾數(shù)可用下式表示：. 對(duì)于不同外形的井巷斷面，其周長U與斷面積S的關(guān)系，可用下式表示： 式中：C斷面外形系數(shù)：梯形C=4.16；三心拱C=3.85；半圓拱C=3.90。 舉例見P38 2、孔隙介質(zhì)流 在采空區(qū)和煤層等多孔介質(zhì)中風(fēng)流的流態(tài)判別準(zhǔn)數(shù)為： 式中：K冒落帶滲流系數(shù)，m2；l濾流帶粗糙度系數(shù)，m。 層流，Re0.

3、25； 紊流，Re2.5； 過渡流 0.25Re，砂粒凸起高度幾乎全暴露在紊流中心中，故Re對(duì)值的影響極小，略去不計(jì)，相對(duì)糙度成為的獨(dú)一影響要素。故在該區(qū)段，與Re無關(guān)，而只與相對(duì)糙度有關(guān)。摩擦阻力與流速平方成正比，故稱為阻力平方區(qū)，尼古拉茲公式：.2層流摩擦阻力當(dāng)流體在圓形管道中作層流流動(dòng)時(shí)，從實(shí)際上可以導(dǎo)出摩擦阻力計(jì)算式： = 可得圓管層流時(shí)的沿程阻力系數(shù)： 古拉茲實(shí)驗(yàn)所得到的層流時(shí)與Re的關(guān)系，與實(shí)際分析得到的關(guān)系完全一樣，實(shí)際與實(shí)驗(yàn)的正確性得到相互的驗(yàn)證。 層流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比。. 3、紊流摩擦阻力 對(duì)于紊流運(yùn)動(dòng)，=f (Re，/r)，關(guān)系比較復(fù)雜。用當(dāng)量直徑de=4S

4、/U替代d，代入阻力通式，那么得到紊流形狀下井巷的摩擦阻力計(jì)算式：4摩擦風(fēng)阻Rf 對(duì)于已給定的井巷，L、U、S都為知數(shù)，故可把上式中的、L、U、S 歸結(jié)為一個(gè)參數(shù)Rf： Rf 稱為巷道的摩擦風(fēng)阻，其單位為：kg/m7 或 N.s2/m8。 工程單位：kgf .s2/m8 ，或?qū)懗桑簁。1 N.s2/m8= 9.8 k.Rff ( ,S,U,L) 。在正常條件下當(dāng)某一段井巷中的空氣密度普通變化不大時(shí)，可將R f 看作是反映井巷幾何特征的參數(shù)。 那么得到紊流形狀下井巷的摩擦阻力計(jì)算式寫為： 此式就是完全紊流(進(jìn)入阻力平方區(qū))下的摩擦阻力定律。5.井巷摩擦阻力計(jì)算方法 新建礦井：查表得0 Rf hf

5、 消費(fèi)礦井：hf Rf 0 .6.消費(fèi)礦井一段巷道阻力測(cè)定(1)、壓差計(jì)法 用壓差計(jì)法測(cè)定通風(fēng)阻力的本質(zhì)是丈量風(fēng)流兩點(diǎn)間的勢(shì)能差和動(dòng)壓差，計(jì)算出兩測(cè)點(diǎn)間的通阻力。其中：右側(cè)的第二項(xiàng)為動(dòng)壓差，經(jīng)過測(cè)定、兩斷面的風(fēng)速、大氣壓、干濕球溫度，即可計(jì)算出它們的值。第一項(xiàng)和第三項(xiàng)之和稱為勢(shì)能差，需經(jīng)過實(shí)踐測(cè)定。 1布置方式及銜接方法z1z2.阻力計(jì)算 壓差計(jì)“感受的壓力： 壓差計(jì)“感受的壓力： 故壓差計(jì)所示測(cè)值： 設(shè) 且與1、2斷面間巷道中空氣平均 密度相等，那么： 式中：Z12為1、2斷面高差，h 值即為1、2兩斷面壓能與位能和的差值。根據(jù)能量方程，那么1、2巷道段的通風(fēng)阻力hR12為： 把壓差計(jì)放在1

6、、2斷面之間，測(cè)值能否變化？.(2)、氣壓計(jì)法由能量方程：hR12=(P1-P2)+(1v12/2- 2v22/2)+ m12gZ12用精細(xì)氣壓計(jì)分別測(cè)得1，2斷面的靜壓P1，P2用干濕球溫度計(jì)測(cè)得t1,t2,t1,t2,和1,2，進(jìn)而計(jì)算1， 2用風(fēng)表測(cè)定1，2斷面的風(fēng)速v1,v2。m12為1，2斷面的平均密度，假設(shè)高差不大，就用算術(shù)平均值，假設(shè)高差大，那么有加權(quán)平均值；Z121，2斷面高差，從采掘工程平面圖查得?？捎弥瘘c(diǎn)測(cè)定法，一臺(tái)儀器在井底車場(chǎng)監(jiān)視大氣壓變化，然后對(duì)上式進(jìn)展修正。hR12=(P1-P2)+P12+(1v12/2- 2v22/2)+ m12gZ12.例題3-3某設(shè)計(jì)巷道為梯

7、形斷面，S=8m2，L=1000m，采用工字鋼棚支護(hù)，支架截面高度d0=14cm，縱口徑=5，方案經(jīng)過風(fēng)量Q=1200m3/min，估計(jì)巷道中空氣密度=1.25kg/m3，求該段巷道的通風(fēng)阻力。解 根據(jù)所給的d0、S值，由附錄4附表4-4查得: 0 =284.21040.88=0.025Ns2/m4那么：巷道實(shí)踐摩擦阻力系數(shù) Ns2m4巷道摩擦風(fēng)阻巷道摩擦阻力.二、部分阻力 1.部分阻力及其計(jì)算 由于井巷斷面、方向變化以及分岔或集合等緣由，使均勻流動(dòng)在部分地域遭到影響而破壞，從而引起風(fēng)流速度場(chǎng)分布變化和產(chǎn)生渦流等，呵斥風(fēng)流的能量損失，這種阻力稱為部分阻力。 由于部分阻力所產(chǎn)生風(fēng)流速度場(chǎng)分布的變

8、化比較復(fù)雜性，對(duì)部分阻力的計(jì)算普通采用閱歷公式。 和摩擦阻力類似，部分阻力hl普通也用動(dòng)壓的倍數(shù)來表示： 式中：部分阻力系數(shù)，無因次。層流 計(jì)算部分阻力，關(guān)鍵是部分阻力系數(shù)確定，因v=Q/S,當(dāng)確定后，便可用 .幾種常見的部分阻力產(chǎn)生的類型：、突變 紊流經(jīng)過突變部分時(shí)，由于慣性作用，出現(xiàn)主流與邊壁脫離的景象，在主流與邊壁之間構(gòu)成渦漩區(qū)，從而添加能量損失。、漸變 主要是由于沿流動(dòng)方向出現(xiàn)減速增壓景象，在邊壁附近產(chǎn)生渦漩。由于 V hv p ，壓差的作用方向與流動(dòng)方向相反，使邊壁附近，流速本來就小，趨于0, 在這些地方主流與邊壁面脫離，出現(xiàn)與主流相反的流動(dòng)，面渦漩。 .、轉(zhuǎn)彎處 流體質(zhì)點(diǎn)在轉(zhuǎn)彎處遭

9、到離心力作用，在外側(cè)出現(xiàn)減速增壓，出現(xiàn)渦漩。、分岔與會(huì)合 上述的綜合。 部分阻力的產(chǎn)生主要是與渦漩區(qū)有關(guān)，渦漩區(qū)愈大，能量損失愈多，部分阻力愈大。.2.部分阻力系數(shù) 紊流部分阻力系數(shù)普通主要取決于部分阻力物的外形，而邊壁的粗糙程度為次要要素。(1)忽然擴(kuò)展或式中： v1、v2分別為小斷面和大斷面的平均流速，m/s； S1、S2分別為小斷面和大斷面的面積，m； m空氣平均密度，kg/m3。對(duì)于粗糙度較大的井巷，可進(jìn)展修正 .(2)忽然減少對(duì)應(yīng)于小斷面的動(dòng)壓 ，值可按下式計(jì)算： (3)逐漸擴(kuò)展 逐漸擴(kuò)展的部分阻力比忽然擴(kuò)展小得多，其能量損失可以為由摩擦損失和擴(kuò)張損失兩部分組成。 當(dāng)20時(shí)，漸擴(kuò)段的

10、部分阻力系數(shù)可用下式求算：式中 風(fēng)道的摩擦阻力系數(shù)，Ns2/m4； n風(fēng)道大、小斷面積之比，即21； 擴(kuò)張角。 .(4)轉(zhuǎn)彎巷道轉(zhuǎn)彎時(shí)的部分阻力系數(shù)(思索巷道粗糙程度)可按下式計(jì)算：當(dāng)巷高與巷寬之比H/b=0.21.0 時(shí)， 當(dāng) H/b=12.5 時(shí) 式中 0假定邊壁完全光滑時(shí)，90轉(zhuǎn)彎的部分阻力系數(shù)，其值見表3-3-1； 巷道的摩擦阻力系數(shù)，N.s2/m4； 巷道轉(zhuǎn)彎角度影響系數(shù)，見表3-3-2。 .(5)風(fēng)流分叉與集合1) 風(fēng)流分叉 典型的分叉巷道如下圖，12段的部分阻力hl2和13段的部分阻力hl3分別用下式計(jì)算：2) 風(fēng)流集合 如下圖，13段和23段的部分阻力hl3、hl23分別按下式

11、計(jì)算： 式中：1223123.3.部分風(fēng)阻在部分阻力計(jì)算式中，令 ， 那么有： 式中Rl稱為部分風(fēng)阻，其單位為N.s2/m8或kg/m7。 此式闡明，在紊流條件下部分阻力也與風(fēng)量的平方成正比.三、正面阻力假設(shè)風(fēng)流中存在物體，那么空氣流動(dòng)時(shí)，必然使風(fēng)速忽然重新分布，呵斥風(fēng)流分子間的相互沖擊而產(chǎn)生的阻力叫正面阻力，由正面阻力所引起的風(fēng)流能量損失叫正面阻力損失。從實(shí)驗(yàn)得知：式中： 正面風(fēng)阻。.四、礦井通風(fēng)阻力定律 前面所引見的三種阻力方式，它們雖然具有本身的特點(diǎn)，但都包含一個(gè)共同的規(guī)律，即：式中：R風(fēng)阻。這個(gè)公式是礦井通風(fēng)中風(fēng)量與能量損失之間相互關(guān)系的一個(gè)普遍規(guī)律，稱為礦井通風(fēng)阻力定律。將以它作為一

12、個(gè)根本的規(guī)律，去分析今后所遇到的礦井通風(fēng)中的假設(shè)干問題，從而找出處理礦井通風(fēng)的方法。.第三節(jié) 礦井風(fēng)阻特性曲線及等積孔 一、礦井風(fēng)阻特性曲線 在紊流條件下，摩擦阻力和部分阻力均與風(fēng)量的平方成正比。故可寫成普通方式：hRQ2 Pa 。 對(duì)于特定井巷，R為定值。用縱坐標(biāo)表示通風(fēng)阻力(或壓力)，橫坐標(biāo)表示經(jīng)過風(fēng)量，當(dāng)風(fēng)阻為R時(shí)，那么每一風(fēng)量Qi值，便有一阻力hi值與之對(duì)應(yīng)，根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)Qi,hi即可畫出一條拋物線。這條曲線就叫該井巷的阻力特性曲線。風(fēng)阻R越大，曲線越陡。QhR.二、礦井總風(fēng)阻 從入風(fēng)井口到主要通風(fēng)機(jī)入口，把順序銜接的各段井巷的通風(fēng)阻力累加起來，就得到礦井通風(fēng)總阻力hRm，這就是井巷通風(fēng)

13、阻力的疊加原那么。 知礦井通風(fēng)總阻力hRm和礦井總風(fēng)量Q，即可求得礦井總風(fēng)阻： N.s2/m8 Rm是反映礦井通風(fēng)難易程度的一個(gè)目的。Rm越大，礦井通風(fēng)越困難；三、礦井等積孔我國常用礦井等積孔作為衡量礦井通風(fēng)難易程度的目的。假定在無限空間有一薄壁，在薄壁上開一面積為A(m2)的孔口。當(dāng)孔口經(jīng)過的風(fēng)量等于礦井風(fēng)量，且孔口兩側(cè)的風(fēng)壓差等于礦井通風(fēng)阻力時(shí)，那么孔口面積A稱為該礦井的等積孔。AIIIP2,v2P2,v2.設(shè)風(fēng)流從I II，且無能量損失， 那么有：得： 風(fēng)流收縮處斷面面積A2與孔口面積A之比稱為收縮系數(shù)，由水力學(xué)可知，普通=0.65，故A2=0.65A。那么v2Q/A2=Q/0.65A，

14、代入上式后并整理得： 取=1.2kg/m3，那么： 因Rm=hm2，故有 由此可見，A是Rm的函數(shù)，故可以表示礦井通風(fēng)的難易程度。 當(dāng)A，容易；A 2，中等；A困難。.例題3-7某礦井為中央式通風(fēng)系統(tǒng)，測(cè)得礦井通風(fēng)總阻力hRm=2800Pa，礦井總風(fēng)量Q=70m3/s，求礦井總風(fēng)阻Rm和等積孔A，評(píng)價(jià)其通風(fēng)難易程度。解 對(duì)照表3-4-1可知，該礦通風(fēng)難易程度屬中等。1、對(duì)于多風(fēng)機(jī)任務(wù)的礦井，應(yīng)根據(jù)各主要通風(fēng)機(jī)任務(wù)系統(tǒng)的通風(fēng)阻力和風(fēng)量，分別計(jì)算各主要通風(fēng)機(jī)所擔(dān)負(fù)系統(tǒng)的等積孔，進(jìn)展分析評(píng)價(jià)。. 2、必需指出，表3-4-1所列衡量礦井通風(fēng)難易程度的等積孔值，是1873年繆爾格(Murgue)根據(jù)當(dāng)時(shí)

15、的消費(fèi)情況提出的3，不斷沿用至今。由于現(xiàn)代的礦井規(guī)模、開采方法、機(jī)械化程度和通風(fēng)機(jī)才干等較以前已有很大的開展和提高，表中的數(shù)據(jù)對(duì)小型礦井還有一定的參考價(jià)值，對(duì)大型礦井或多風(fēng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的礦井，衡量通風(fēng)難易程度的目的還有待研討。.第四節(jié) 降低礦井通風(fēng)阻力措施 降低礦井通風(fēng)阻力，對(duì)保證礦井平安消費(fèi)和提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。一、降低摩擦風(fēng)阻 1減小摩擦阻力系數(shù)。 2保證有足夠大的井巷斷面。在其它參數(shù)不變時(shí)，井巷斷面擴(kuò)展33%，Rf值可減少50%。 3選用周長較小的井巷。在井巷斷面一樣的條件下，圓形斷面的周長最小，拱形斷面次之，矩形、梯形斷面的周長較大。 4減少巷道長度。 5防止巷道內(nèi)風(fēng)量過于集中。.

16、二、降低部分風(fēng)阻 部分阻力與值成正比，與斷面的平方成反比。因此，為降低部分阻力，應(yīng)盡量防止井巷斷面的忽然擴(kuò)展或忽然減少，斷面大小懸殊的井巷，其銜接處斷面應(yīng)逐漸變化。盡能夠防止井巷直角轉(zhuǎn)彎或大于90的轉(zhuǎn)彎，主要巷道內(nèi)不得隨意停放車輛、堆積木料等。要加強(qiáng)礦井總回風(fēng)道的維護(hù)和管理，對(duì)冒頂、片幫和積水處要及時(shí)處置。.三、降低正面風(fēng)阻 在通風(fēng)井巷中，應(yīng)去除不用要的堆積物，尤其是抽出式通風(fēng)的回風(fēng)道，往往不易引起人們的注重。這一點(diǎn)應(yīng)予特別留意。四、合理選擇降低風(fēng)阻的井巷 降低風(fēng)阻的目的，是為了降低通風(fēng)阻力從而降低電耗。在同樣風(fēng)阻的條件下，風(fēng)量的大小對(duì)阻力的影響更為突出一些。那么在風(fēng)量大的井巷采取降低風(fēng)阻的措

17、施，收效就顯著得多。所以對(duì)主要的進(jìn)、出風(fēng)井巷，采用適當(dāng)措施降低風(fēng)阻就顯得特別重要。.第五節(jié) 風(fēng)速的測(cè)定一、風(fēng)速表1、翼式風(fēng)速由于翼片較輕，可測(cè)定0.5-10m/s的風(fēng)速。2、杯式風(fēng)速用于測(cè)定大于10m/s的風(fēng)速。3、熱球式電風(fēng)速計(jì)是一種靈敏性較高的風(fēng)表，由熱球探頭和丈量儀表兩部分組成。該風(fēng)速計(jì)不用攜帶秒表，操作簡便，有0.05-10m/s及10m/s以上兩種測(cè)定范圍的風(fēng)速計(jì)。此外，還可根據(jù)皮托管測(cè)出的動(dòng)壓值計(jì)算風(fēng)速；也可用煙霧對(duì)風(fēng)速作粗略測(cè)定。二、風(fēng)速的測(cè)定 由于風(fēng)流在斷面上速度分布不同，為了測(cè)定平均風(fēng)速，可按以下方法測(cè)定： 1.迎面法測(cè)風(fēng)員面向風(fēng)流，手持風(fēng)表，手臂伸向正前方。 2.側(cè)身法側(cè)風(fēng)員背向巷道壁，手持風(fēng)表，手臂伸出與風(fēng)流垂直。.第六節(jié) 礦井巷道摩擦阻力系數(shù)的測(cè)定 礦井中大多數(shù)通風(fēng)井巷風(fēng)流的Re值已進(jìn)入阻力平方區(qū)，值只與相對(duì)糙度有關(guān)，對(duì)于幾何尺寸和支護(hù)已定型的井巷，相對(duì)糙度一定，那么可視為定值；在規(guī)范形狀下空氣密度=1.2kg/m3。 對(duì)上式， 令： 稱為摩擦阻力系數(shù)，單位為kg/m3 或 N.s2/m4。 那么得到紊流形狀下井巷的摩擦阻力計(jì)算式寫為：