3.通风阻力1.ppt

第三章井巷通风阻力,本章重点和难点1.井巷通风阻力分类以及产生的原因2.井巷通风阻力的规律与计算方法以及降低井巷通风阻力的主要措施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。,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，流体运动轨迹为规则的直线或平滑的曲线，且与管道的轴线方向基本平行。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流体的运动粘性系数。,,,第一节井巷断面上风速分布,,（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C4.16；三心拱C3.85；半圆拱C3.90。,在实际工程计算中，为简便起见，通常以Re2300作为管道流动流态的判定准数，即Re≤2300层流，Re＞2300紊流,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0.25δ，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,Ⅴ区水力粗糙管区,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∵μρν∴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。,2．层流摩擦阻力,3、紊流摩擦阻力对于紊流运动，λfRe，ε/r，关系比较复杂。用当量直径de4S/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,3、紊流摩擦阻力,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ρ1.2kg/m3。对上式，令α称为摩擦阻力系数，单位为kg/m3或N.s2/m4。,二、摩擦阻力系数与摩擦风阻,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（ρ01.2kg/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值应按下式修正,α值的修正,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RfRf称为巷道的摩擦风阻，其单位为kg/m7或N.s2/m8。工程单位kgf.s2/m8，或写成kμ。1N.s2/m89.8kμRf＝fρ,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。,2．摩擦风阻Rf,三、井巷摩擦阻力计算方法新建矿井查表得α0αRfhf生产矿井hfRfαα0,,,,,,,井巷摩擦阻力计算方法,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,四、生产矿井一段巷道阻力测定,２）阻力计算压差计“＋”感受的压力压差计“－”感受的压力故压差计所示测值设且与1、2断面间巷道中空气平均密度相等，则式中Z12为1、2断面高差，h值即为1、2两断面压能与位能和的差值。根据能量方程，则1、2巷道段的通风阻力hR12为,,2.气压计法由能量方程hR12P1-P21v12/2-2v22/2m12gZ12用精密气压计分别测得1，2断面的静压P1，P2用干湿球温度计测得t1,t2,t1’,t2’,和1,2，进而计算1、2,2、气压计法,用风表测定1，2断面的风速v1,v2。m12为1，2断面的平均密度，若高差不大，就用算术平均值，若高差大，则有加权平均值；Z121，2断面高差，从采掘工程平面图查得。可用逐点测定法，一台仪器在井底车场监视大气压变化，然后对上式进行修正。hR12P1-P2P12（1v12/2-2v22/2m12gZ12,解根据所给的d0、Δ、S值，由附录4附表4-4查得α0284.210－40.880.025Ns2/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,例题某设计巷道为梯形断面，S8m2，L1000m，采用工字钢棚支护，支架截面高度d014cm，纵口径Δ5，计划通过风量Q1200m3/min，预计巷道中空气密度ρ1.25kg/m3，求该段巷道的通风阻力。,井巷内空气流动状态紊流状态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。,第三章井巷通风阻力,摩擦阻力计算（定律）,第三章井巷通风阻力,减少摩擦阻力的措施,3.选用周界较小的井巷,减少摩擦阻力的措施,1.降低摩擦阻力系数,2.扩大巷道断面,4.减小巷道的长度,5.避免巷道内风量过大,6.避免巷道内风量过于集中,第三节局部风阻与阻力,一、局部阻力由于井巷断面、方向变化以及分岔或汇合等原因，使均匀流动在局部地区风流受到影响而破坏，从而引起风流速度场分布变化和产生涡流等，因而在局部地点产生一种附加的阻力，造成风流的能量损失，这种阻力称为局部阻力。局部阻力所产生风流速度场分布的变化比较复杂。局部阻力一般发生在巷道拐弯、分叉、汇合、巷道断面变化处、进风井口、回风井口处等。,第三节局部风阻与阻力,１、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。,,,,,,,突然扩大状态突然缩小状态,几种常见的局部阻力产生的类型,总回风巷与回风石门交汇,,,,,,,,,,,,,中央变电室、水泵房、主扇风机吸风口处等,２、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Vhvp，压差的作用方向与流动方向相反，使边壁附近，流速本来就小，趋于0,在这些地方主流与边壁面脱离，出现与主流相反的流动，呈现涡漩。,,,,,,,,渐变状态,,,,,,,,,,,,,,３、转弯处,流体质点在转弯处受到离心力作用，在外侧出现减速增压，出现涡漩。转弯状态,,,,,,４、分岔与汇合,局部阻力的产生主要是与涡流区有关，涡流区愈大，能量损失愈多，局部阻力愈大。,二、局部阻力及其计算,根据水力学包达卡诺定律，局部阻力hl一般也用动压的倍数来表示，局部阻力hl一般也用动压的倍数来表示式中ξ局部阻力系数，无因次。计算局部阻力，关键是局部阻力系数确定，因vQ/S,当ξ确定后，便可用以下式子计算。,,三、局部阻力系数,一局部阻力系数ξ紊流状态局部阻力系数ξ一般主要取决于局部阻力物的形状，而边壁的粗糙程度为次要因素。主要有以下几种代表性状态1．突然扩大；2．突然缩小；3．逐渐扩大；4．转弯。,1．突然扩大,根据水力学包达卡诺定律,式中v1、v2分别为小断面和大断面的平均流速，m/s；S1、S2分别为小断面和大断面的面积，m；ρm空气平均密度，kg/m3。,2．突然缩小,3．逐渐扩大,逐渐扩大的局部阻力比突然扩大小得多，其能量损失可认为由摩擦损失和扩张损失两部分组成。当Θ＜20时，渐扩段的局部阻力系数ξ可用下式求算式中α风道的摩擦阻力系数，Ns2/m4；n风道大、小断面积之比，即Ｓ2／Ｓ1；θ扩张角。,当巷高与巷宽之比H/b1～2.5时式中ξ0假定边壁完全光滑时，90转弯的局部阻力系数，其值可查表；α巷道的摩擦阻力系数，N.s2/m4；β巷道转弯角度影响系数,4．转弯,5．风流分叉与汇合,1风流分叉典型的分叉巷道如图所示，1～2段的局部阻力hl１～2和1～3段的局部阻力hl１～3分别用下式计算,2风流汇合如图所示，1～3段和2～3段的局部阻力hl１～3、hl2～3分别按下式计算式中,5．风流分叉与汇合,巷道断面变化地点示意图,,四、局部阻力计算原则,（一）局部阻力的计算由于引起局部风流能量损失的原因相同。因此，可以用突然扩大的局部阻力计算公式的形式作为所有其他类型局部阻力计算公式的普遍形式，主要差别在于各种类型的局部阻力具有不同的局部阻力系数，故计算局部阻力的普遍公式为，即,矿井的总通风阻力就等于井巷所有的摩擦阻力、局部阻力之和。,二局部阻力系数,由于引起局部风流能量损失的原因相同。因此，可以用突然扩大的局部阻力计算公式的形式作为所有其他类型局部阻力计算公式的普遍形式，主要差别在于各种类型的局部阻力具有不同的局部阻力系数，局部阻力系数的确定，目前还无理论分析方法，必须根据实测或实验来求得。,实测局部阻力系数的方法如下首先在产生局部阻力的井巷局部段的两端适当选取两个断面，测出区段内空气的温度、湿度气压，计算出空气的密度；用风表测定两个断面上的平均风速，计算两断面的动压差；用静压管或皮托管、压差计、胶皮管测定两个断面间的静压差，并用动压差校正全能量差此全能量差就是区段的通风阻力，包括摩擦阻力与局部阻力两部分并等于摩擦阻力与局部阻力之和；测量巷道长度、断面面积、周长，计算摩擦阻力；求得局部阻力，然后反算局部阻力系数。,局部阻力系数测定,第四节矿井总风阻与矿井等积孔,当井巷的风阻R保持不变时，通过井巷的风量Q与井巷的通风阻力h之间的关系是不变的，故可写成一般形式h＝RQ2（阻力定律）即风量Q与通风阻力只能按照阻力定律变化，用纵坐标表示通风阻力或压力，横坐标表示通过风量，当风阻为R时，则每一风量Qi值，便有一阻力hi值与之对应，根据坐标点（Qi,hi）即可画出一条抛物线。这条曲线就叫该（矿井）井巷的阻力特性曲线。风阻R越大，曲线越陡。,一、阻力特性曲线,一、矿井（井巷）风阻特性曲线,二、矿井总风阻,从入风井口到主要通风机入口，把顺序连接的各段井巷的通风阻力累加起来，就得到矿井通风总阻力hRm，这就是井巷通风阻力的叠加原则。已知矿井通风总阻力hRm和矿井总风量Q，即可求得矿井总风阻N.s2/m8,三、矿井等积孔,井巷风阻是反映矿井（井巷）通风难易程度的一个指标，除此之外，常用矿井（井巷）等积孔作为衡量矿井通风难易程度的指标。假定在无限空间有一薄壁，在薄壁上开一面积为Am2的理想孔口所谓理想孔口系指空气流过此孔口时不发生能量损失。孔口两侧空气的绝对静压差等于井巷的通风阻力，且在压力差作用下，通过孔口的风量等于矿井风量，则孔口面积A称为该矿井（井巷）的等积孔。,设风流从I→II，且无能量损失，则有得,等积孔,风流收缩处断面面积A2与孔口面积A之比称为收缩系数φ，由水力学可知，一般φ0.65，故A20.65A。则v2＝Q/A2Q/0.65A，代入上式后并整理得取ρ1.2kg/m3，则因RmhＲm／Ｑ2，故有由此可见，A是Rm的函数，故可以表示矿井通风的难易程度。当A＞２，容易；A＝１2，中等；A＜１困难。,等积孔,矿井阻力等级表,实例如承德大马沟煤矿通风系统示意图，在进行矿井所需风量计算后，计算矿井通风阻力及风阻。,矿井通风系统图,,,一、计算矿井总阻力1．矿井风量分配合理性验证依据煤矿安全规程及设计要求，对矿井风量进行分配，并对井巷风速进行验算。,一、计算矿井总阻力,2.矿井困难时期摩擦阻力计算依据公式h摩＝aLUQ2/S3mmH2O式中a----井巷的摩擦阻力系数，kgs2/ｍ3；L----井巷的长度，ｍ；U----井巷的周长，ｍ；S----井巷的净断面积，ｍ2；Q----井巷中流过的风量，ｍ3/s矿井摩擦阻力是指从入风井口到主要通风机入口，把顺序连接的各段井巷的通风阻力累加起来，就得到矿井摩擦阻力，则矿井摩擦阻力为则h总＝51.16mmH2O＝501.37Pa,3.计算矿井通风总阻力,矿井通风总阻力是由井下摩擦阻力和局部阻力两部分组成，局部阻力取摩擦阻力的10～20％计算，本矿井按10％计算。故矿井通风总阻力为h总＝（110％）51.16＝56.28mmH2O551.51Pa,二、风阻计算及通风难易程度评价,1、矿井风阻计算R＝h总/Q2扇＝551.51/13.152＝3.19式中h总----矿井最困难时期总阻力，551.51Pa；Q扇----矿井总风量,13.15ｍ3/s,2、等积孔计算及通风难易程度评价,A＝0.38Q总/h总0.5＝0.3813.15/56.280.50.67＜1以上结果说明矿井通风较为困难。其中摩擦阻力比较大的是轨道斜井和回风斜井，需要采取扩大断面，维护失修巷道等措施，同时加强对巷道堵塞物的清理，降低局部阻力。,例题3-7某矿井为中央式通风系统，测得矿井通风总阻力hRm2800Pa，矿井总风量Q70m3/s，求矿井总风阻Rm和等积孔A，评价其通风难易程度。解该矿通风难易程度属中等。,计算实例,第五节降低矿井通风阻力措施,降低矿井通风阻力，对保证矿井安全生产和提高经济效益具有重要意义。1.减少通风动力损失；2.保证用风地点风量供应；3.降低通风费用。,第五节降低矿井通风阻力措施,一、降低井巷摩擦阻力措施二、降低局部阻力措施,一、降低井巷摩擦阻力措施,1．减小摩擦阻力系数α。2．保证有足够大的井巷断面。在其它参数不变时，井巷断面扩大33，Rf值可减少50。3．选用周长较小的井巷。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。5．避免巷道内风量过于集中。,二、降低局部阻力措施,局部阻力与ξ值成正比，与断面的平方成反比。因此，为降低局部阻力，应尽量避免井巷断面的突然扩大或突然缩小，断面大小悬殊的井巷，其连接处断面应逐渐变化。尽可能避免井巷直角转弯或大于90的转弯，主要巷道内不得随意停放车辆、堆积木料等。要加强矿井总回风道的维护和管理，对冒顶、片帮和积水处要及时处理。,,1.要尽可能避免断面的突然扩大或突然缩小。2.尽可能避免拐90的弯，在拐弯处的内侧和外侧要做成斜面和圆弧形，拐弯的曲线半径尽可能的大，或设置导风板。3.尽可能避免突然分叉和突然汇合，在分叉和汇合处的内侧要做成斜面或圆弧形。4.对风速大的风筒，要悬挂平直，拐弯时曲率半径尽可能加大。5.在主要巷道内不得随意停放车辆和材料。6.把正对风流的固定物体做成流线形。,,,二、降低局部阻力措施,本章习题,3-23-63-73-83-103-11,