2_矿内空气动力学基础

,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,矿井通风与平安,第二章 矿内空气动力学基础,2.1 流体的概念,流体是一种受任何微小剪切力作用时都能连续变形的物质。流体可分为液体和气体。,气体的分子距很大，分子间的吸引力很小，因而，气体极易变形和流动，总是充满它所能够到达的全部空间。,液体的分子距较小，分子间的吸引力较大，因此流动性不如气体。一定质量的液体具有一定的体积，并取容器的形状，但不能够充满全部空间。,流体具有流动性，两层流体以一定速度作相对运动时，在两层的交界面上就要产生内摩擦力，又叫粘滞力。,一般来说，流体是可以压缩的，当压力改变时其体积就要改变，因而密度也随之必变。,既没有内摩擦又没有压缩性的流体，叫做理想流体。,理想流体,一、压力,压力,（,N/m,2,，,Pa,，,J/m,3,）,压头,：如果将密度为,的某液体注入到一个断面为,A,的垂直的管中，当液体的高度为,h,时,，,液体的体积为：,V=hA m,3,2.2 风流压力与能量,根据密度的定义，这时液体的质量为：,mass=V=hA kg,液体的重力为：F=hAg N,根据压力的定义,有,P=F/A=gh N/m2 or Pa,因此，如果液体的密度，h就可代表压力,_,点压力：静压、全压、速压,相对压力、绝对压力、大气压力,绝对压力,相对压力,大气压力,二、风流能量,风流任一断面上能量（机械能）由三局部组成:,热能,位能,动能,在通风测量中以压力的形式出现，这三局部能量分别表示为静压，位压和动压。,1、静压能（流动功）,如下图，有一两端开口的水平管道，断面为A，在其中放入一其体积为v质量为m的单元流体，即使不考虑磨擦阻力，由于管道中存在压力P，流体的运动受阻，因此必须施加一个力F克服阻力。当力F使流体移动一段距离后，就做了功。,2,、动能,对一个质量为,m,静止的物体，施加一个恒定的力,F,，在,t,时间内加速到,u,，由于是匀加速，其平均速度为：,(0+u)/2=u/2 m/s,移动的距离为：,L=(u/2)t m,加速度为：,a=u/t=u/t m/s,2,施加的力为：,F=m,a=mu/t,N,从静止到速度为,u,，,F,做功为：,W,d,=E,v,=F,L,=(mu/t),(u/2),t,=mu,2,/2,J,E,v,就是质量为,m,的流体所具有的动能,.,3,、位能,(,势能,),任何标高都可用作位能的基点。在矿井中，不同的地点标高不同，则位能不一样。,质量为,m,的物体位于基点上，其势能为,0,。当对其施加一个能克服重力向上的力,F,，使其向上移动到高于基点,Z,m,，力,F,做的功为：,W,d,=F,Z,=E,p,=mgZ J,E,p,为物体在,Z,高度上的势能。,2.3,能量方程（伯努力方程）,截面,1,能量,U,1,截面,2,能量,U,2,+,损失,h,1-2,若认为流体不可压缩，则密度不变，那么单位质量流体的伯努利方程表达式为：,2.4 压力坡度线,通风压力坡度线,是对能量方程的图形描述，反映空气在流动过程中压力沿程的变化规律、通风压力呵通风阻力之间的相互关系和相互转换。,通风压力坡度线是通风管理和均压防灭火的有力工具。,如下图的压入式通风系统，能量方程为：,式中 Hs=P1-P2通风机在风硐中所造成的相对静压；,Hn自然风压，Pa,压入式通风的压力分布,由于通风机入口外P0，风速等于0，忽略这段巷道的阻力不计时，其能量方程式为：,Hf通风机全压，Pa。,能量方程为：,此式说明，通风机全压与自然风压共同作用，克服了矿井阻力，并在出风井口造成动压损失。,压入式通风的压力坡度线,压入式通风系统压力坡度图,P,0,为地表大气压，,Pa,；,如下图的抽出式通风系统，能量方程为：,通风机入口2到扩散塔出口3的能量方程式：,抽出式通风的压力分布,因此能量方程为：,当不考虑自然风压时，在通风机的全压中，用于克服矿井阻力h1、2那一局部，常称为通风机有效静压，以Hs表示：,上式说明，在抽出式通风时，通风机的有效静压，等于通风机在风硐中所造成的静压与风硐中风流动压之差，或者等于通风机的全压与扩散塔出口动压之差。,抽出式通风的压力坡度线,抽出式通风系统压力坡度图,如下图辅助通风机安装在井下，在辅助通风机前后都有一段风路，前段为抽出式，出口端为压入式。,通风机安装在井下时压力分布,断面,1,、,2,的能量方程式：,入风井口断面,a,到通风机吸风口 断面,1,之间的能量方程式,:,通风机出风口断面,2,到排风井口断面,b,之间的能量方程式,(1),、,(2),相加有：,其中，,通风机安装在井下时压力坡度线,抽压结合式通风系统压力坡度图,由推导过程可知：无论压入式、抽出式或通风机安装在井下，用于克服矿井通风阻力和造成出风井口动压损失的通风动力，均为通风机的全压与自然风压之总和。,无论何种通风方式或安装地点有何不同，都有必要降低出风井口风流的动压损失以节省通风机能量。,复习思考题,2-1,何谓空气的静压，它是怎样产生的？说明其物理意义和单位。,2-2,何谓空气的重力位能？说明其物理意义和单位。,2-3,简述绝对压力和相对压力的概念。为什么在正压通风中断面上某点的相对全压大于相对静压，而在负压通风中断面某点的相对全压小于相对静压？,2-4,试述能量方程中各项的物理意义。,2-5,分别叙述在单位质量和单位体积流体能量方程中，风流的状态变化过程是怎样反映的？,2-6 在压入式通风的风筒中，测得风流中某点i 的相对静压hsi 600 Pa，速压 hvi100 Pa，风筒外与 i 点同标高处的压力为 100kPa。求：（1）i 点的相对全压、绝对全压和绝对静压；（2）将上述压力之间的关系作图表示（压力为纵坐标轴，真空为 0 点）。,2-7 在抽出式通风风筒中，测得风流中某点i的相对静压1000 Pa，速压150 Pa，风筒外与i点同标高的气压p101332.32 Pa，求：（1）i点的绝对静压；（2）i点的相对全压；（3）i点的绝对全压。（4）将上述压力之间的关系作图表示（压力为纵坐标轴，真空为0点）。,2-8 用压差计和皮托管测得风筒内一点的相对全压为300Pa，相对静压为240 Pa，空气密度为1.2kg/m3，试求A点的风流速度，并判断通风方式。,