第3章矿井通风阻力-liu

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,安全工程学院 刘晓斐,矿井通风与安全,Mine Ventilation and Safety,中国矿业大学多媒体教学课件,2,第,3,章 矿井通风阻力,中国矿业大学多媒体教学课件,3,第,3,章 矿井通风阻力,风流必须具有一定的能量，用以克服井巷对风流所呈现的通风阻力。,通常矿井通风阻力分为摩擦阻力与局部阻力两类，它们与风流的流动状态有关。一般情况下，,摩擦阻力是矿井通风总阻力的主要组成部分,。,4,第,3,章 矿井通风阻力,3.1,风流的流动状态,3.2,摩擦阻力,3.3,局部阻力,3.4,通风阻力定律和特性,3.5,通风阻力测量,5,学习目标、重点与难点,学习目标,1,、风流的流动状态,2,、摩擦阻力,3,、局部阻力,4,、通风阻力定律和特性,、通风阻力测量,重点与难点,1,、,摩擦阻力产生的原因和测算,2,、,局部阻力产生的原因和测算,6,3.1,风流的流动状态,风流的流动状态分为层流与紊流。,层流,是指流体各层的,质点互不混合,，质点流动的轨迹为直线或有规则的平滑曲线，并与管道轴线方向基本平行。,紊流,是指流体的,质点强烈互相混合,，质点的流动轨迹极不规则，除了沿流动总方向发生位移外，还有垂直于流动总方向的位移，且在流体内部存在着时而产生、时而消失的旋涡。,流体的流动状态受流体的,速度,、,粘性,和,管道尺寸,等影响。流体的速度越大，粘性越小，管道的尺寸越大，则流体越易成为紊流，反之，越易成为层流。,7,可用一个无因次参数,Re,（雷诺数）来表示上述三因素的综合作用。,对于,圆形管道,（,3-1-1,）,式中：,V,为管道中流体的平均速度，,m/s,；,d,为圆形管道的直径，,m,；,v,为流体的运动粘性系数，与流体的温度、压力有关。,设,r,为流体的,水力半径,，指流体的断面,S,（,m,2,）与流体的周界,U,（,m,）之比，即,r,S,/,U,，,m,。因风流充满管道，故在直径为,d,的圆形管道中，风流的水力半径为：,，或 ，,m,（,3-1-2,）,代入（,3-1-1,）式，得出用于非圆形巷道风流雷诺数的计算式为：,（,3-1-3,）,式中：,S,为巷道的断面，,m,2,；,U,为巷道的周界，,m,。,8,据前人的实验，水流在各种粗糙壁面、平直的圆管内流动，当,Re,2000,时，水流呈层流状态；约在,Re,2000,时，水流开始向紊流过渡，故称,2000,为临界雷诺数,；,Re,100000,时，水流呈完全紊流。把水流的这些数值近似应用于风流，便可大致估计出风流在各种流态下的平均风速。,例如某巷道的断面,S,2.5 m,2,，周界,U,6.58 m,，风流的运动黏性系数,v,14.4,10,6,m,2,/s,。则用（,3-1-3,）式估算出,风流开始向紊流过渡的平均风速,为,：,井巷中最低风速,都在,0.15,0.25 m/s,以上，且大多数,井巷的断面都大于,2.5 m,2,，故大多数井巷中的风流不会出现层流，只有风速很小的漏风风流，才可能出现层流。又如在上例中，,Re,100000,时，该巷道内风流呈现完全紊流的平均风速约为：,V,1000006.5814.410,-6,/,（,42.5,）,0.95 m/s.,9,3.2,摩擦阻力,3.2.1,摩擦阻力的意义和理论基础,风流在井巷中作均匀流动时，沿程受到井巷固定壁面的限制，引起内外摩擦而产生的阻力称作,摩擦阻力,。（均匀流动是指风流沿程的速度和方向都不变，而且各断面上的速度分布相同）,流态不同的风流，,摩擦阻力,h,f r,的产生情况和大小也不同。,前人实验得出水流在圆管中的沿程阻力公式是：,（,3-2-1,）,式中：,为实验比例系数，无因次；,为水流的密度，,kg/m,3,；,L,为圆管的长度，,m,；,d,为圆管的直径，,m,；,V,为圆管内水流的平均速度，,m/s,。,上式是矿井风流摩擦阻力计算式的基础，它对于不同流态的风流都能应用，只是流态不同时，式中,的实验表达式不同。,10,据前人在壁面能分别胶结各种粗细砂粒的圆管中，实验得出流态不同的水流，,系数和管壁的粗糙度,Re,的关系。,实验是用管壁平均突起的高度（即砂粒的平均直径）,k,（,m,）和管道的直径,d,（,m,）之比来表示,管壁的相对光滑度,。利用阀门不断改变管内水流的速度，实验结果如图,3-2-1,所示。,图,3-2-1,尼古拉茨实验图,11,（,1,）在,lg Re 3.3,（即,Re 2000,）以下，即当流体作,层流,运动时，由左边斜线可以看出，相对光滑度不同的所有试验点都分布于其上，,随,Re,的增加而减少，且与管道的相对光滑度无关，此时，,与,Re,的关系式为：,=64/Re,（,3-2-2,）,（,2,）在,3.3 lgRe 5.0,（即,2000Re100000,）的范围内，即当流体由层流到紊流再到完全紊流的,中间过渡状态,时，,系数既和,Re,有关，又和管壁的相对光滑度有关。,12,（,3,）在,lgRe5.0,（即,Re100000,）以上，即当流体作,完全紊流状态,流动时，,系数和,Re,无关，只和管壁的相对光滑度有关，管壁的相对光滑度越大，,值越小。其实验式为,（,3-2-3,）,在紊流状态下，流体的能量损失大大超过层流状态。,在层流状态下，能量只损失在速度不同的流体层间的内摩擦力方面，而在紊流状态下，除这种损失外还有消耗在因流体质点相互混杂、能量交换而引起的附加损失，当雷诺数增加到一定程度时，这种附加损失将急剧增大到主导地位。,13,如图所示，紊流的结构可分为层流边层、过渡层和紊流区三个组成部分。,紊流区又称紊流核，是紊流的主体，层流区流速很小或接近于零。随着雷诺数增大，层流边层的厚度减薄，以至不能遮盖管壁的突起高度，管壁粗糙度即对流动阻力发生影响。当,Re100000,，流体呈完全紊流和层流边层厚度趋于零时，则如（,3-2-3,）式所示，,值只决定于管壁的相对粗糙度，而与,Re,无关。,14,3.2,摩擦阻力,3.2.2,完全紊流状态下的摩擦阻力定律,井下多数风流属于完全紊流状态，故重点讨论完全紊流状态下的摩擦阻力。把上面,(3-2-2),式代入,(3-2-1),式，得,，,Pa,（,3-2-4,）,因矿井空气密度变化不大，而且对于尺度和支护已定型的井巷，其壁面的相对光滑度是定值，则在完全紊流状态下，值是常数。把上式中的用一个系数 来表示，即 （,3-2-5,）,此系数称为,摩擦阻力系数,。在完全紊流状态下，井巷的 值只受 、或 的影响。对于尺寸和支护已定型的井巷，值只与 或 成正比。,将（,3-2-5,）代入（,3-2-4,）式，得 ，,Pa,（,3-2-6),若通过井巷的风量为,Q,（,m,3,/S,），则,V,=,Q/S,，代入上式，得,15,由于矿井中巷道的长度，周界及摩擦阻力系数在巷道形成后一般变化较小，可看作常数。,再令：,R,fr,为巷道的摩擦风阻。,此时：,这就是完全紊流情况下的摩擦阻力定律。,当巷道风阻一定时，摩擦阻力与风量的平方成正比。,16,例,1,某梯形木支架煤巷，长,200m,，断面积为,4m,2,，沿断面的周长为,8.3m,，巷道摩擦阻力系数,通过查表得到的标准值为,0.018N,s,2,/m,4,，若通过巷道的风量为,960m,3,/min,，试求其摩擦阻力,?,解：,该巷道的摩擦阻力为,119.5Pa,。,应当注意，巷道的,值随,的改变而改变，在高原地区，空气稀薄，当地的,值需进行校正。校正式如下：,17,3.2,摩擦阻力,层流状态下，具有 的特点，,=64/Re,3.2.3,层流状态下的摩擦阻力定律,V=Q/S,层流状态下的摩擦阻力系数,18,3.2,摩擦阻力,3.2.3,层流状态下的摩擦阻力定律,层流状态下的摩擦风阻,这就是风流在层流状态下的摩擦阻力定律。,当巷道风阻一定时，摩擦阻力与风量的平方成正比。,19,3.2,摩擦阻力,3.2.4,摩擦阻力的计算方法,完全紊流状态下井巷的摩擦阻力的计算是新矿井通风设计的重要依据。,即按照所设计的井巷长度、周界、净断面积、支护方式和要求通过的风量，以及其中有无提升运输设备等，用查表法选定该井巷的摩擦阻力系数 值，然后用完全紊流状态摩擦阻力计算公式计算该井巷的摩擦阻力。,确定摩擦阻力系数值的查表法是从前人实验或实测所归纳出来的表,3-1,表,3-15,中查出适合该井巷的标准值,(,指空气密度为,1.2 kg,m,3,的 值，,Ns,2,m,4,),。对于平原地区的新矿井通风设计，可用此标准值进行计算。,20,摩擦阻力系数的确定,矿井摩擦阻力系数的确定有两种途径，,一是查找专门的设计手册选取；二是通过现场实测,。由 得,。只要测出上式的各项，即可以求出,。,与井巷长度无关，所以不必在巷道的全长进行测定。,的测定是在当地、当时的温度、湿度测定的，而,是随温度、湿度和气压而变化的。因此，在实测出,的同时，必须算出实际的空气重率,，然后，换算成标准状态下,（,=1.2kg/m,3,）的,，即,（,Ns,2,/m,4,）,21,3.2,摩擦阻力,3.2.5,降低摩擦阻力的措施,井巷通风阻力是引起风压损失的主要根源，因此降低井巷通风阻力，特别是降低摩擦阻力就能用较少的风压消耗而通过较多的风量。许多原来是阻力大，通风困难的矿井，经降低阻力后即变为阻力小、通风容易的矿井。,根据,h,fr,(LU/S,3,)/Q,2,的关系式可以看出，保证一定风量，降低摩擦阻力的方法就是降低摩擦风阻，根据影响,R,fr,的各因素，降低摩擦阻力的主要措施有：,22,1,降低,R,fr,与,成正比，而,主要决定于巷道粗糙度，因此降低,，就应尽量使巷道光滑。当采用棚子支护的采区巷道时，要尽可能地使支架整齐、背好帮顶，在无支护的巷道，要尽可能把顶底板及两帮修整好，使壁面平整；对于井下的主要巷道，在采用料石或混凝土砌碹的支护方式，特别是采用锚杆支护技术时，更能有效地使,系数减小。,2,扩大巷道断面,S,因,R,fr,与,S,3,成反比，所以扩大巷道断面也是降低摩擦阻力的主要措施。由于摩擦阻力又与风量的平方成正比，因此在采用这种措施时，应抓主要矛盾，即首先应考虑风量大、断面小的总回风道的扩大，其次再考虑其它巷道的扩大。,在其它参数不变时，井巷断面扩大,33%,，,R,f,值可减少,50%,。,23,3,减少周界长,U,（,选用周界较小的井巷,）,R,fr,与,U,成正比，在断面积相等的条件下，选用周长较小的比周长较大的断面好。,在井巷断面相同的条件下，圆形断面的周长最小，拱形断面次之，矩形、梯形断面的周长较大。,4.,减少巷道长度,L,（,缩短风路的长度,）,R,fr,与,L,成正比，进行开拓设计时，就应在满足开采需要的条件下，尽可能缩短风路的长度。例如，当采用中央并列式通风系统，如阻力过大时，即可将其改为两翼式通风系统以缩短回风路线。,5,避免巷道内风量过大。,摩擦阻力与风量的平方成正比。巷道内的风量如果过大，摩擦阻力就会大大增加。因此，要尽可能使矿井的总进风早分开，总回风晚汇合，即风流,“,早分晚合,”,。,降低摩擦阻力，还应同时结合井巷的其它用途与经济等因素进行综合考虑。如断面过大，不但不经济，而且也不好维护，反而不如选用双巷。,24,3.3,局部阻力,3.3.1,局部阻力的概念,风流在井巷的局部地点，由于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，因而在该局部地带产生一种附加的阻力，称为,局部阻力,。由局部阻力产生的能量损失称为,局部损失,。,井下产生局部阻力的地点较多，例如巷道拐弯、分叉和汇合处，巷道断面变化处，进风井口和回风井口等。,25,几种常见的局部阻力产生的类型：,、突变,紊流通过突变部分时，由于惯性作用，出现主流与边壁脱离的现象，在主流与边壁之间形成涡漩区，从而增加能量损失。,、渐变,主要是由于沿流动方向出现减速增压现象，在边壁附近产生涡漩。因为,V h,v,p,，压差的作用方