第4章 井巷通風(fēng)阻力.ppt

1、2020/8/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,第4章 井巷通風(fēng)阻力(Ch4 Fiction loss of shaft),本章重點(diǎn)和難點(diǎn)： 摩擦阻力和局部阻力產(chǎn)生的原因和測(cè)算,2020/8/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,第一節(jié) 概 述 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)作用而形成通風(fēng)阻力，它是造成風(fēng)流能量損失的原因。井巷通風(fēng)阻力可分為三類(lèi)：摩擦阻力(也稱(chēng)為沿程阻力)、局部阻力和正面阻力。,2020/8/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,一、重要概念 1通風(fēng)阻力 在通風(fēng)工程中，空氣沿著井巷流動(dòng)時(shí)，井巷對(duì)風(fēng)流呈現(xiàn)的阻力，統(tǒng)稱(chēng)為井巷通風(fēng)阻力。 2風(fēng)壓損失 單位體積風(fēng)流的能量損失

2、稱(chēng)為風(fēng)壓損失或風(fēng)壓降。,2020/8/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,二、阻力分類(lèi) 1 摩擦阻力（friction loss） 發(fā)生在風(fēng)流沿井巷流動(dòng)的全部流程上的摩擦阻力，用于克服摩擦阻力而造成的風(fēng)流能員損失，稱(chēng)為摩擦損失. 2 局部阻力(convenergy loss) 由風(fēng)流邊界狀況的總則改變(如突然擴(kuò)大、突然縮小等)所引起的阻力，稱(chēng)為局部阻力。用于克服局部阻力而造成的風(fēng)流能量損失稱(chēng)為局部損失。 3 正面阻力（shocking loss) 由于風(fēng)流繞過(guò)井巷中的某些物體(如礦車(chē)、電機(jī)車(chē))時(shí)所產(chǎn)生的阻力。,2020/8/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,第二節(jié) 摩擦風(fēng)阻與阻力 一、摩擦阻力 風(fēng)流在井巷中作沿

3、程流動(dòng)時(shí)，由于流體層間的摩擦和流體與井巷壁面之間的摩擦所形成的阻力稱(chēng)為摩擦阻力(也叫沿程阻力)。 由流體力學(xué)可知，無(wú)論層流還是紊流，以風(fēng)流壓能損失來(lái)反映的摩擦阻力可用下式來(lái)計(jì)算： Pa 無(wú)因次系數(shù)，即摩擦阻力系數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)求得。 d圓形風(fēng)管直徑，非圓形管用當(dāng)量直徑；,2020/8/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,1、層流摩擦阻力 當(dāng)流體在圓形管道中作層流流動(dòng)時(shí)，從理論上可以導(dǎo)出摩擦阻力計(jì)算式： 層流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比。,2020/8/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,2、紊流摩擦阻力 空氣沿井巷流動(dòng)時(shí)，由于空氣與并巷周壁間的摩擦以及空氣微團(tuán)相互間的摩擦而產(chǎn)生的阻力，稱(chēng)為摩擦阻力。根據(jù)水力學(xué)上計(jì)

4、算紊流狀態(tài)下沿程阻力的達(dá)西公式，可以推導(dǎo)出礦井通風(fēng)上計(jì)算風(fēng)流在紊流狀態(tài)下的摩擦阻力的公式。達(dá)西公式是,2020/8/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,流體實(shí)際占有的管道斷面面積與濕周長(zhǎng)度之比，叫水力半徑。,2020/8/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,2020/8/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,二、摩擦阻力系數(shù)與摩擦風(fēng)阻 1摩擦阻力系數(shù) 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，則可視為定值；在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣密度=1.2kg/m3。 對(duì)上式， 令： 稱(chēng)為摩擦阻力系數(shù)，單位為 kg/m3 或 N.s2/m4。 則得到紊流狀態(tài)下井巷的摩擦阻力

5、計(jì)算式寫(xiě)為：,2020/8/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,標(biāo)準(zhǔn)摩擦阻力系數(shù)： 通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和實(shí)測(cè)所得的、在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（0=1.2kg/m3）條件下的井巷的摩擦阻力系數(shù)，即所謂標(biāo)準(zhǔn)值0值，當(dāng)井巷中空氣密度1.2kg/m3時(shí)，其值應(yīng)按下式修正：,2020/8/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,2摩擦風(fēng)阻Rf 對(duì)于已給定的井巷，L、U、S都為已知數(shù)，故可把上式中的、L、U、S 歸結(jié)為一個(gè)參數(shù)Rf： Rf 稱(chēng)為巷道的摩擦風(fēng)阻，其單位為： N.s2/m8。 工程單位：kgf .s2/m8 ，或?qū)懗桑簁。1 N.s2/m8= 9.8 k 可將Rf 看作是反映井巷幾何特征的參數(shù)。 則得到紊流狀態(tài)下井巷的摩擦阻力計(jì)算式寫(xiě)為

6、： 新建礦井：查表得0 Rf hf 生產(chǎn)礦井：hf Rf 0,2020/8/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,3生產(chǎn)礦井一段巷道阻力測(cè)定 用壓差計(jì)法測(cè)定通風(fēng)阻力的實(shí)質(zhì)是測(cè)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，通過(guò)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(chēng)為勢(shì)能差，需通過(guò)實(shí)際測(cè)定。,2020/8/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,1）布置方式及連接方法,2020/8/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,）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，則： 式中：

7、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，則1、2巷道段的通風(fēng)阻力hR12為： 把壓差計(jì)放在1、2斷面之間，測(cè)值是否變化？,2020/8/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,例題:某設(shè)計(jì)巷道為梯形斷面，S=8m2，L=1000m，采用圓木支護(hù)，木柱直徑d0=200mm，縱口徑=5，計(jì)劃通過(guò)風(fēng)量Q=1200m3/min，預(yù)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，由附錄二查得: 0 =20.31030.82=0.0165Ns2/m4 則：巷道實(shí)際摩擦阻力系數(shù) Ns2m4 巷道摩擦風(fēng)阻 巷道摩擦阻力,2020/8/3,第4章

8、 井巷通風(fēng)阻力,第三節(jié) 局部阻力和正面阻力 由于井巷斷面、方向變化以及分岔或匯合等原因，使均勻流動(dòng)在局部地區(qū)受到影響而破壞，從而引起風(fēng)流速度場(chǎng)分布變化和產(chǎn)生渦流等，造成風(fēng)流的能量損失，這種阻力稱(chēng)為局部阻力。 由于局部阻力所產(chǎn)生風(fēng)流速度場(chǎng)分布的變化比較復(fù)雜性，對(duì)局部阻力的計(jì)算一般采用經(jīng)驗(yàn)公式。 一、局部阻力及其計(jì)算 和摩擦阻力類(lèi)似，局部阻力hl一般也用動(dòng)壓的倍數(shù)來(lái)表示： 式中：局部阻力系數(shù)，無(wú)因次。 計(jì)算局部阻力，關(guān)鍵是局部阻力系數(shù)確定，因v=Q/S,當(dāng)確定后，便可用,2020/8/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,1突然擴(kuò)大局部阻力系數(shù) 紊流通過(guò)突變部分時(shí)，由于慣性作用，出現(xiàn)主流與邊壁脫離的現(xiàn)象，在主

9、流與邊壁之間形成渦漩區(qū)，從而增加能量損失。紊流局部阻力系數(shù)一般主要取決于局部阻力物的形狀，而邊壁的粗糙程度為次要因素。 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。,2020/8/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,2020/8/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,2風(fēng)流分叉與匯合 1) 風(fēng)流分叉 典型的分叉巷道如圖所示，12段的局部阻力hl2和13段的局部阻力hl3分別用下式計(jì)算：,2020/8/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,2) 風(fēng)流匯合 如圖所示，13段和23段的局部阻力hl3、hl23分別按下式計(jì)算： 式中：,2020/8/3,第

10、4章 井巷通風(fēng)阻力,3 其他類(lèi)型局部阻力,2020/8/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,4 局部風(fēng)阻 在局部阻力計(jì)算式中，令 ， 則有： 式中Rl稱(chēng)為局部風(fēng)阻，其單位為N.s2/m8或kg/m7。 此式表明，在紊流條件下局部阻力也與風(fēng)量的平方成正比。 局部阻力的產(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，局部阻力愈大。,2020/8/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,二、正面阻力 井巷內(nèi)存在某些物體(如罐道梁、電機(jī)車(chē)、堆積物)時(shí)，流只能在這些物體的周?chē)@過(guò)，使風(fēng)流受到附加阻力的作用。這種附加阻力，稱(chēng)為正面阻力。正面阻力計(jì)算公式如下：,2020/8/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,通風(fēng)阻力通用公式:,2020

11、/8/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,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)保證礦井安全生產(chǎn)和提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義 一、降低井巷摩擦阻力措施 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)大33%，Rf值可減少50%。 3選用周長(zhǎng)較小的井巷。在井巷斷面相同的條件下，圓形斷面的周長(zhǎng)最小，拱形斷面次之，矩形、梯形斷面的周長(zhǎng)較大。 4減少巷道長(zhǎng)度。 5避免巷道內(nèi)風(fēng)量過(guò)于集中。,2020/8/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,二、降低局部阻力措施 局部阻力與值成正比，與斷面的平方成反比。因此，為降低局部阻力，應(yīng)盡量避免井巷斷面的突然擴(kuò)大或突然縮小，斷面大小懸殊的井巷，其

12、連接處斷面應(yīng)逐漸變化。盡可能避免井巷直角轉(zhuǎn)彎或小于90的轉(zhuǎn)彎，主要巷道內(nèi)不得隨意停放車(chē)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)處理。,2020/8/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,第五節(jié) 礦井總風(fēng)阻與礦井等積孔 一、井巷阻力特性曲線 在紊流條件下，摩擦阻力和局部阻力均與風(fēng)量的平方成正比。故可寫(xiě)成一般形式：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)表示通過(guò)風(fēng)量，當(dāng)風(fēng)阻為R時(shí)，則每一風(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(huà)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。,2020/

13、8/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,二、礦井總風(fēng)阻 從入風(fēng)井口到主要通風(fēng)機(jī)入口，把順序連接的各段井巷的通風(fēng)阻力累加起來(lái)，就得到礦井通風(fēng)總阻力hRm，這就是井巷通風(fēng)阻力的疊加原則。 已知礦井通風(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)指標(biāo)。Rm越大，礦井通風(fēng)越困難；,2020/8/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,三、礦井等積孔 我國(guó)常用礦井等積孔作為衡量礦井通風(fēng)難易程度的指標(biāo)。 假定在無(wú)限空間有一薄壁，在薄壁上開(kāi)一面積為A(m2)的孔口。當(dāng)孔口通過(guò)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)，則孔口面積A稱(chēng)為該礦井的等積孔。,2020/8

14、/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,設(shè)風(fēng)流從I II，且無(wú)能量損失， 則有： 得： 風(fēng)流收縮處斷面面積A2與孔口面積A之比稱(chēng)為收縮系數(shù)，由水力學(xué)可知，一般=0.65，故A2=0.65A。則v2Q/A2=Q/0.65A，代入上式后并整理得：,2020/8/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,取=1.2kg/m3，則： 因Rm=hm2，故有,2020/8/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,(2) 對(duì)于多臺(tái)主扇通風(fēng)的礦井，礦井等積孔的計(jì)算公式為：,2020/8/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,例題4-7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,2020/8/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,例題某礦簡(jiǎn)化后的通風(fēng)系統(tǒng)如題圖所示，已知R1-2=0.039Ns2/m8, R2-3=1.177Ns2/m8, R2-4=1.079Ns2/m8,Q2-3=35,Q2-4=25,試求礦井的總阻力、總風(fēng)阻和總等積孔各為多少？,2020/8/3,第4章 井巷通風(fēng)阻力,參考答案: h總=1262.5Pa,R總=0.351 Ns2/m8 ，A總=2