2.风流基本理论.ppt

第二章矿井空气流动的基本理论,本章的重点1、空气的物理参数----T、P、Φ、μ、ρ2、风流的能量与点压力----静压，静压能；动压、动能；位能；全压；抽出式和压入式相对静压、相对全压与动压的关系3、能量方程连续性方程；单位质量能量方程、单位体积能量方程4、能量方程在矿井中的应用----压力坡度图本章的难点点压力之间的关系能量方程及其在矿井中的应用,第一节空气的主要物理参数一、温度温度是描述物体冷热状态的物理量。矿井表示气候条件的主要参数之一。热力学绝对温标的单位K，摄式温标tT273.15t二、压力（压强）空气的压力也称为空气的静压，用符号P表示。压强在矿井通风中习惯称为压力。它是空气分子热运动对器壁碰撞的宏观表现。矿井常用压强单位PaMPammHgmmH20mmbarbaratm换算关系见P3961atm760mmHg1013.25mmbar101325Pa１mmbar100Pa10.2mmH20,１mmHg13.6mmH20133.32Pa,,,R空气的气体常数，R287J/kgK,,空气压力是空气分子热运动对器壁碰撞的宏观表现,简化计算式展开成级数，略去高项,三、湿度表示空气中所含水蒸汽量的多少或潮湿程度。表示空气湿度的方法绝对湿度、相对温度和含湿量三种１、绝对湿度每立方米空气中所含水蒸汽的质量叫空气的绝对湿度。其单位与密度单位相同（Kg/m3），其值等于水蒸汽在其分压力与温度下的密度。vMv/V饱和空气饱和水蒸分压力PS饱和湿度s。２、相对湿度单位体积空气中实际含有的水蒸汽量（V）与其同温度下的饱和水蒸汽含量（S）之比称为空气的相对湿度φ＝V／S反映空气中所含水蒸汽量接近饱和的程度。,Φ愈小空气愈干爆，φ＝０为干空气；φ愈大空气愈潮湿，φ＝１为饱和空气。温度下降，其相对湿度增大例如t18℃，V＝0.0107Kg/m3,解查附表当t为18℃，s＝0.0154Kg/m3,,φ＝V／S＝0.7＝70露点将不饱和空气冷却时，随着温度逐渐下降，相对湿度逐渐增大，当达到100％时，此时的温度称为露点。,干、湿温度计测定法原理,根据t值及干温度或湿温度查表即得相对湿度。,,数字式湿度计,例Q11000m3/min，t干122℃，t湿121℃，,191，fs119.3g/m3fv19119.317.56g/m3Q21100m3/min，t干214℃，t湿214℃，,2100，fs212g/m3fv21001212g/m3fv1＞fv2WW1-W2Q1fv1-Q2fv2100017.56-1100124360g/min436060246.3t/d,3、含湿量含有1kg干空气的湿空气中实际含水蒸气的质量（kg），单位kg/kgd.a,四、焓,湿空气是干空气和水蒸气的混合物湿空气的焓是干空气和水蒸气的焓之和,焓是一个复合状态参数，是内能和压力功之和,焓湿图,五、粘性流体抵抗剪切力的性质。当流体层间发生相对运动时，在流体内部两个流体层的接触面上，便产生粘性阻力内摩擦力以阻止相对运动，流体具有的这一性质，称作流体的粘性。其大小主要取决于温度。根据牛顿内摩擦定律有式中μ－－比例系数，代表空气粘性，称为动力粘性或绝对粘度。其国际单位帕.秒，写作Pa.S。运动粘度为温度是影响流体粘性主要因素，气体，随温度升高而增大，液体而降低,六、密度单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，与P、t、湿度等有关。湿空气密度为干空气密度和水蒸汽密度之和，即根据气体状态方程，可推出空气密度计算公式kg/m3式中P为大气压，Ｐs为饱和水蒸汽压，单位Pa；φ为相对湿度；Ｔ为空气绝对温度，Tt273,K。kg/m3式中P为大气压，Ｐsat为饱和水蒸汽压，单位mmHg。注意Ｐ和Ｐs单位一致。空气比容V/M1/,七、风速,,,教材P322,,,,,,,,数字风速表,,,杯式用于10m/s的高风速测定翼式用于0.1～10m/s的中等风速测定，高敏度翼式风表可测定0.1～0.5m/s的低风速,翼式风表分类高速风表1～30m/s中速风表1～10m/s低速风表0.1～0.5m/s,,,,,,,,,井巷风速、风量,例进风巷断面4m2，风表测风，侧身法，风表读数240，测定时间一分钟，风表校正曲线,,,,风表、秒表回零风表空转20～30s风表距人不能太近风表按一定测定路线均匀移动，以免测值偏大或偏小叶轮平面与风流垂直，风表刻度一侧背向风流风表、秒表开关同歩一断面测风次数不少于三次，相互误差不超过5所用风表与所测风速要适应,风表测风注意事项,烟雾法当风速小于0.1～0.2m/s时,vKL/t式中K校正系数，取0.8～0.９L烟雾流经的距离,mt烟雾流经的时间,s,,超声波旋涡风速仪,卡曼涡街理论,,,第一百零一条井巷中的风流速度应符合表要求。设有梯子间的井筒或修理中的井筒，风速不得超过8m/s；梯子间四周经封闭后，井筒中的最高允许风速可按表规定执行。无瓦斯涌出的架线电机车巷道中的最低风速可低于表的规定值，但不得低于0.5m/s。综合机械化采煤工作面，在采取煤层注水和采煤机喷雾降尘等措施后，其最大风速可高于表的规定值，但不得超过5m/s。,,第一百零五条矿井必须建立测风制度，每10天进行1次全面测风。对采掘工作面和其他用风地点，应根据实际需要随时测风，每次测风结果应记录并写在测风地点的记录牌上。应根据测风结果采取措施，进行风量调节。第一百零六条矿井必须有足够数量的通风安全检测仪表。仪表必须由国家授权的安全仪表计量检验单位进行检验。,,第一百七十五条装备矿井安全监控系统的矿井，每一个采区、一翼回风巷及总回风巷的测风站应设置风速传感器。,第二节风流的能量与压力压力可以理解为单位体积空气所具有的能够对外作功的机械能。一、风流的能量与压力1.静压能－静压（1）静压能与静压的概念空气的分子无时无刻不在作无秩序的热运动。这种由分子热运动产生的分子动能的一部分转化的能够对外作功的机械能叫静压能，J／m3，在矿井通风中，压力的概念与物理学中的压强相同，即单位面积上受到的垂直作用力。（２）静压特点a.无论静止的空气还是流动的空气都具有静压力；b.风流中任一点的静压各向同值，且垂直于作用面；c.风流静压的大小反映了单位体积风流所具有的能够对外作功的静压能的多少。,（３）压力的两种测算基准（表示方法）A、绝对压力以真空为测算零点（比较基准）而测得的压力称之为绝对压力，用P表示。B、相对压力以当时当地同标高的大气压力为测算基准零点测得的压力称之为相对压力，即通常所说的表压力，用h表示。hP－P0,Pi与hi比较I、绝对静压总是为正，而相对静压有正负之分；II、同一断面上各点风流的绝对静压随高度的变化而变化，而相对静压与高度无关。III、P可能大于、等于或小于与该点同标高的大气压P0。2、重力位能（1重力位能的概念物体在地球重力场中因地球引力的作用，由于位置的不同而具有的一种能量叫重力位能，简称位能，用EPO表示。EPOM.g.Z重力位能是一个相对值。实际工作中一般计算位能差。（２）位能计算重力位能的计算应有一个参照基准面。Ep012∫gdz,（3位能与静压的关系P2EPO1P112.g.Z12P1说明Ｉ、位能与静压能之间可以互相转化。II、在矿井通风中把某点的静压和位能之和称之为势能。（4位能的特点a.位能是相对某一基准面而具有的能量。b.位能是一种潜在的能量，它在本处不呈现压力，不能直接测量。c.位能和静压可以相互转化，在进行能量转化时遵循能量守恒定律。,3.动能－动压（1动能与动压的概念当空气流动时，其动能所转化显现的压力叫动压或称速压，用符号hv表示，单位Pa。（2动压的计算单位体积空气所具有的动能为Ev＝V2/2（3动压的特点a.动压具有方向性。b.动压总是大于零。垂直流动方向的作用面所承受的动压最大。c.在同一流动断面上，各点的动压值不等。d.某断面动压即为该断面平均风速计算值。,４.全压风道中任一点风流，在其流动方向上同时存在静压和动压，两者之和称之为该点风流的全压，即全压＝静压＋动压。由于静压有绝对和相对之分，故全压也有绝对和相对之分。绝对全压（Pt）Pt＝P＋hv相对全压（ht）ht＝h＋hv＝Pt－Po说明A、相对全压有正负之分；B、无论正压通还是负压通风，Pt＞Pht＞h二、风流的点压力之间相互关系hvPt-PhthhvhP-PohtPt-Po,风流点压力间的关系,,,Pa,,,,,,真空,P0,Pb,ha,hb-,,,,Pat,hv,,hat,,,hv,,hbt-,,Pbt,压入式通风,抽出式通风,,,,,,,,,,,三、风流点压力的测定１、矿井主要压力测定仪器仪表（１）绝对压力测量空盒气压计、精密气压计、水银气压计等。（２）压差及相对压力测量恒温气压计、“Ｕ”水柱计、补偿式微压计、倾斜单管压差计。（３）感压仪器皮托管，承受和传递压力，-测压２、压力测定（１）绝对压力－－直接测量读数。（２）相对静压以如图正压通风为例（注意连接方法）,i,说明（I）水柱计上下移动时，h保持不变；（II）在风筒同一断面上、下移动皮托管，水柱计读数不变，说明同一断面上h相同。（３）相对全压、动压测量测定连接如图（说明连接方法及水柱高度变化）,空盒气压计水银气压计数字气压计,,气压计,刻度、温度、补偿校正,2.4.1空气压力－测定（续3）,,BJ-1数字气压计,,压差计,2.4.1空气压力－测定（续5）,L倾斜管始末读数差，mm；ρ液体的密度，kg/m3,原理hρg（h1h2）ρg（1F2/F1）h2ρg（1F2/F1）LsinαKρgLK仪器校正系数；,,单管倾斜压力计原理,补偿式微压计,,压差传感器,,,第一百七十五条装备矿井安全监控系统的矿井，主要通风机的风硐应设置压力传感器；瓦斯抽放泵站的抽放泵吸入管路中应设压力传感器，利用瓦斯时还应在输出管路中设置压力传感器。,作业,2－12－32－42－132－14补充作业2－19进风大巷断面5m2，风表测风，侧身法，风表读数300，测定时间一分钟，风表校正曲线v真0.10.9v表m/s，求v、Q。2－20如图所示，求动压，并判断通风方式。,,,,,,,,,100,,,,,,,,,,,,,150,,,,hv,第三节矿井通风中的能量方程一、空气流动连续性方程在矿井巷道中流动的风流是连续不断的介质，充满它所流经的空间。在无点源或点汇存在时，根据质量守恒定律对于稳定流，流入某空间的流体质量必然等于流出其的流体质量。如图井巷中风流从1断面流向2断面，作定常流动时，有Miconstρ１V1S1＝ρ２V２S２ρ１、ρ2－1、2断面上空气的平均密度，kg/m3；V1、V2－1、2断面上空气的平均流速，m/s；S1、S2－1、２断面面积，m2。,两种特例（I）若S1＝S2，则ρ１V1＝ρ２V２；（II）若ρ１＝ρ２，则V1S1＝V２S２。对于不可压缩流体，通过任一断面的体积流量相等，即QvSconst,3,二、可压缩流体的能量方程能量方程是能量守恒和转换定律在矿井通风中的应用。（一）单位质量流量的能量方程在井巷通风中，风流的能量由机械能和内能组成，常用1kg空气或1m3空气所具有的能量表示。机械能静压能、动压能和位能之和。内能风流内部所具有的分子内动能与分子位能之和,,,,p1、v1、u1,p2、v2、u2,,,,q,LR,qR,任一断面风流总机械能压能＋动能＋位能任一断面风流总能量压能＋动能＋位能＋内能,假设1kg空气由1断面流至2断面的过程中，LR（J/kg）克服流动阻力消耗的能量；qR（J/kg）LR部分转化的热量；q（J/kg）外界传递给风流的热量。根据能量守恒定律,（二）单位体积流量的能量方程我国矿井通风中习惯使用单位体积（1m3）流体的能量方程。hRLR.m单位体积1m3流量的能量方程的书写形式为,几点说明1、1m3空气在流动过程中的能量损失（通风阻力）等于两断面间的机械能差。2、gm（Z1-Z2）是1、2断面的位能差。其中，关键是m的计算，及基准面的选取。m的测算原则将1－2测段分为若干段，计算各测定断面的空气密度测定P、t、φ，求其几何平均值。基准面选取取测段之间的最低标高作为基准面。,３、是1、2两断面上的动能差A、因其动能差较小，故在实际应用时，式中可分别用各自断面上的密度代替计算其动能差。,B、动能系数是断面实际总动能与用断面平均风速计算出的总动能的比。用断面平均风速计算出来的断面总动能与断面实际总动能不等。需用动能系数Kv加以修正。在矿井条件下，Kv一般为1.02～1.05。由于动能差项很小，在应用能量方程时，可取Kv为1。简化处理后，单位体积流体的能量方程可近似的写成,（三）关于能量方程使用的几点说明1.能量方程的意义是，表示1kg（或1m3）空气由1断面流向2断面的过程中所消耗的能量（通风阻力），等于流经1、2断面间空气总机械能（静压能、动压能和位能）的变化量。2.风流流动必须是稳定流，即断面上的参数不随时间的变化而变化；所研究的始、末断面要选在缓变流场上。3.风流总是从总能量（机械能）大的地方流向总能量小的地方。在判断风流方向时，应用始末两断面上的总能量来进行，而不能只看其中的某一项。如不知风流方向，列能量方程时，应先假设风流方向，如果计算出的能量损失（通风阻力）为正，说明风流方向假设正确；如果为负，则风流方与假设相反。4.正确选择求位能时的基准面。5.应用能量方程时要注意各项单位的一致性。,例在某一通风井巷中，测得1、2两断面的绝对静压分别为101324.7Pa和101858Pa，若S1S2，两断面间的高差Z1-Z2100米，巷道中m121.2kg/m3，求1、2两断面间的通风阻力，并判断风流方向。解假设风流方向12，列能量方程（101324.7－101858）＋0＋1009.811.2643.9J/m3。由于阻力值为正，所以原假设风流方向正确，12。,第四节能量方程在矿井通风中的应用,一、水平风道的通风能量（压力）坡度线意义掌握压力沿程变化情况；有利于通风管理。通风机－水平风道系统,扩散器,,,,,,,,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,P0,压力Pa,流程,Ht,,,hR12,,,,hR78,,0,1,2,3,4,b0,c0,d0,二、通风系统风流能量（压力）坡度线,a,d,c,b,例如图2-4-4所示的同采工作面简化系统，风流从进风上山经绕道1分为二路；一路流经1－２－３－４2－３为工作面Ⅰ；另一路流经１－５－６－４（５－６为工作面Ⅱ）。两路风流在回风巷汇合后进入回风上山。如果某一工作面或其采空区出现有害气体是否会影响另一工作面解由压力坡度线可见，1－２－３－４线路上各点风流的全能量大于１－５－６－４线路上各对应点风流的全能量。所以工作面Ⅰ通过其采空区向工作面Ⅱ漏风，如果工作面Ⅰ或其采空区发生火灾时其有害气体将会流向工作面Ⅱ，影响工作面Ⅱ的安全生产。,三、通风系统网络相对压能图对于较复杂的通风系统，由于井巷分支多，结构复杂，用压力坡度线表示就会出现坡度线相互交错，给使用带来不便。为此提出了使用通风系统网络相对压能图。实质就是节点赋于压能值的通风系统网络图。压能图各节点的压能值是相对于某一基准面所具有的总能量值；或是相对某一参考面（如进风井口等）之间的通风阻力。,作业,2-52-82-102-17求hR,