甘肃煤炭工业学校矿井通风技术（煤炭工业版）教案：第三章 矿井通风阻力01.docVIP

第三章 矿井通风阻力 矿井井下生产，需要源源不断地供给新鲜空气，当空气沿着井下巷道流动时，由于风流的粘滞性和惯性，还有巷道四壁对风流的阻碍、扰动等作用，形成对风流流动的各种阻力，它是造成风流能量损失的主要原因。为了使空气按照人们设计的方向运动，就要借助矿井的通风压力(由通风机或者自然风压造成)来实现，通风压力和通风阻力是一对正反作用力，通过计算矿井的通风阻力，就可以了解到矿井所需要的通风压力，从而合理地选择通风设备，搞好通风设计。在矿井生产中，通过对井下巷道阻力的测定，可以为降阻工程、局部通风网络改造、加强通风管理、改变通风现状、提高通风效能提供技术资料。 第一节　风流的流动状态 一、风流的流动状态 风流流态指风流的流动状态。1883年英国物理学家雷诺通过实验发现，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。风流的流动状态有两种：层流和紊流。 1．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。 2．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。 二、风流流动状态的判断 雷诺曾用各种流体在不同直径的管路中进行了大量的实验，发现流体的流动状态与平均流速、管道直径和流体的粘性系数有关。流体的速度越大，粘性越小，管道尺寸越大，则流体越易成为紊流，反之，越易成为层流。这三个因素综合作用影响可用一个无因次参数Re(雷诺数)来表示。 对于圆形管道： (3—1) 式中 V─管道中流体的平均速度，m/s； d─圆形管道的直径，m； ─流体的运动粘性系数，与流体的温度、压力有关，对于矿井风流，通常取平均值14.4×10-6m2/s。 对于非圆形管道，管道直径应以井巷断面的当量直径de来表示： (3—2) 式中 de─井巷断面的当量直径，m； S─ 巷道的断面面积，m2； U─ 巷道的周长，m。 对于不同形状的井巷断面，其周界长与断面的关系可用下式表示： ， m (3—3) 式中 c─断面形状系数，梯形：面c=4.16；三心拱形：面c=3.85；半圆拱形：c=3.90；圆形：形c=3.54。 实验表明，流体在直圆管内流动时，当Re≤2320时，流动状态为层流；当Re＞4000时，流动状态为紊流；在Re=2300~4000的区域内，流动状态不是稳定的，由管道壁的粗糙程度、流体进入管道的情况等外部条件而定，只要稍有干扰，流态就会发生变化，因此称为不稳定的过渡区。在实际工程计算中，为简便起见，通常把管道流动状态的判断基准数定为： Re=2300为临界值，当Re≤2300时，流动状态为层流；当Re＞2300时，流动状态为紊流。 [例题3－1] 某一巷道，断面形状为三心拱形，断面积9m2，巷道中供给风量为7m3/s，试判断其风流流态。 解：=168350＞2300 故此巷道中风流流态为紊流。 [例题3－2] 条件同例题1，试求风流由层流向紊流过渡时的平均风速。 解： m/s 《规程》规定，井巷中风流的最低允许风速为0.15m/s，远远大于上述计算的临界风速，故井下巷道中风流一般呈紊流状态。只有在采空区漏风的情况下，采空区中风流才可能出现层流状态。 第二节　矿井通风阻力 矿井通风阻力可分为摩擦阻力和局部阻力两种。 一、摩擦阻力 1．摩擦阻力的概念 空气在井巷中流动时，由于空气和井巷周壁之间的摩擦以及流体层间空气分子发生的摩擦而造成的能量损失称为摩擦阻力(也叫沿程阻力)。 在矿井通风中，克服沿程阻力的能量损失，常用单位体积1m3风流的能量损失h摩来表示，无论层流还是紊流，都可以用下列通式来计算： ， Pa (3—4) 式中 h摩－摩擦阻力，Pa L—管道长度，m； d—圆形管道直径，或非圆形管道的当量直径，m； V—断面平均风速，m/s； ρ—空气的密度，kg/m3； λ—实验系数，无因次。 2．摩擦阻力定律 (1)层流阻力定律 对于层流运动，流体的粘滞力起主导作用，根据牛顿内摩擦定律，在圆形管道流动的条件下，从理论上可导出摩擦阻力计算式： ，Pa (3—5) 上式说明层流沿程损失和平均流速的一次方成正比。因为： 代入上式得： Pa 将上式与(3—4)式比较，可知圆管层流的沿程阻力系数，说明与Re成反比，而与管壁粗糙度无关。 以当量直径de=4S/U代入(3—5)式中的d，则可得到层流状态下的井巷摩擦阻力计算式： ， Pa (3—6) 式(3－6)表明，层流状态下摩擦阻力与风量成正比。 (2)紊流阻力定律 井下几乎所有巷道的空气流动都属于紊流状态，对于紊流运动，摩擦阻力系数与雷诺数Re，相对糙度的关系较为复杂，用当量直径de=4S/U代入(3—4)式中的d，则可得紊流状态下的井巷摩擦