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第二章 矿内空气动力学基础 2.1 流体的概念 流体可分为液体和气体。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。 一、压力 压力(N/m2,Pa ,J/m3 ) 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 m3 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=hA?g N 根据压力的定义, 有 P=F/A=?gh N/m2 or Pa 因此,如果液体的密度已知,h就可代表压力 二 、风流能量 风流任一断面上能量(机械能)由三部分组成: 热能 位能 动能 在通风测量中以压力的形式出现,这三部分能量分别表示为静压,位压和动压。 1、静压能 由分子运动理论可知,无论空气是处于静止还是流动状态,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过来的能量,并且能够对外做功的机械能叫静压能,用EP表示。 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/s2 施加的力为: F=m?a=mu/t N 从静止到速度为u,F做功为: Wd =Ev =F?L =(mu/t)?(u/2)?t =mu2/2 J ? Ev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Zm,力F做的功为: Wd=F?Z=Ep=mgZ J Ep为物体在Z高度上的势能。 + _ 点压力:静压、全压、速压 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 2.3 能量方程(伯努力方程) 截面1能量U1= 截面2能量U2+损失h1-2 若认为流体不可压缩,则密度不变,那么单位体积流体的伯努利方程表达式为: 能量方程含义 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、通风压力和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。 抽出式通风的压力分布 如图所示的抽出式通风系统,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 通风机入口2到扩散塔出口3的能量方程式: 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那一部分,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 如图所示的压入式通风系统,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: 此式表明,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 P0为地表大气压,Pa; 如图所示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
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