第3节 通风阻力.ppt

矿 井 通 风 与 安 全 赵才智 安全工程学院 第 3 章 矿井通风阻力 3.1 风流的流动状态 3.2 摩擦阻力 3.3 局部阻力 3.4 通风阻力定律和特性 3.5 通风阻力测量 风流流动时，必须具有一定的能量(通风压力)，用以克服井巷及空气分子之间的摩擦对风流所产生的阻力。通风压力克服通风阻力，两者因次相同，数值相等，方向相反。知道通风阻力的大小就能确定所需通风压力的大小。在矿井通风中，存在着摩擦阻力和局部阻力，必须分析研究它们的特性、测定方法以及降低措施等，从而作为选择通风设备，进行通风管理与设计的依据。这在通风设计中尤其重要。 第 1 节 风流的流动状态 流体产生的阻力与流体流动过程中的状态有关。流体流动时有两种状态；一种是流体呈层状流动，各层间流体互不混合，流体质点流动的轨迹为直线或有规则的平滑曲线，这一状态称为层流。在流速很小、管径很小、或粘性较大的流体流动时会发生层流。 另一种是流体流动时，各部分流体强烈地互相混合，流体质点的流动轨迹是极不规则的。除了有沿流体总方向的位移外，还有垂直于液流总方向的位移，流体内部存在着时而产生时而消灭的漩涡，这种状态称为紊流。研究层流与紊流的主要意义在于两种流态有着不同的阻力定律。 试验证明，层流与紊流彼此间的转变关系决定于液体的密度ρ、绝对粘性系数μ，流体的平均速度V与管道水力直径d，这些因素的综合影响可以用雷诺数来表示为： 式中，ν——运动粘性系数，m2/s。 当Re≤2000时，流体呈层流流动； 当Re＞2000时，液流开始向紊流流动过渡； 当Re＞10000时，流体完全呈现为紊流。 矿井巷道很少为圆形，对于非圆形通风巷道，以4S/U(水力直径)代替上式中的d，即： U——巷道周界长度，m。 C——断面形状系数，梯形断面4.16；三心拱3.85；半圆拱3.90；圆断面3.54。 第 2 节 摩 擦 阻 力 1、摩擦阻力及影响因素 风流在井巷中作均匀流动时，沿程受到井巷固定壁面的限制，引起内外摩擦，因而产生阻力，这种阻力，叫做摩擦阻力。所谓均匀流动是指风流沿程的速度和方向都不变，而且各断面上的速度分布相同。流态不同的风流，摩擦阻力hfr的产生情况和大小也不同。一般情况下，摩擦阻力要占能量方程中通风阻力的80 %～90%，它是矿井通风设计，选择扇风机的主要参数，也是生产中分析与改善矿井通风工作的主要对象。 前人实验得出水流在圆管中的沿程阻力公式（达西公式）是： 式中 λ——实验比例系数，无因次； ρ——水流的密度，kg/m3 ； L——圆管的长度，m； d——圆管的直径，m； V——管内水流的平均速度，m/s。 尼古拉兹在壁面分别胶结各种粗细砂粒的圆管中，实验得出了流态不同的水流λ系数同管壁的粗糙程度、雷诺数的关系。管壁的粗糙程度用管道的直径 d (m)和管壁平均突起的高度(即砂粒的平均直径) k (m)之比来表示。并用阀门不断改变管内水流速度，结果如图所示。 试验结果可分以下几种情况： 在lgRe≤3.3(Re≤2320)时，即当液体作层流流动，由左边斜线可以看出，所有试验点都分布于其上，λ随Re的增加而减小，且与管道的相对粗糙度无关，这时λ与Re的关系式为： λ＝64/Re 在3.31gRe5.0(2320＜Re≤100000)的范围内，流体由层流向紊流过渡，λ系数既和Re有关，也和管壁的粗糙度有关。 当Re≥100000时，流体成为紊流流动。λ与Re无关，只和管壁的粗糙度有关。管壁的粗糙度越大， λ系数就越大。其试验式为： 矿井巷道中的风流，其性质与上面完全一样，所不同的是矿井巷道的粗糙度较大，在较小的Re时，便开始由层流变为紊流；此外，由于大多数矿井巷道风流的Re均大于100000，故λ值仅决定于井巷壁的相对粗糙度，而与Re无关。在一定时期内，各井巷壁的相对粗糙度可认为不变，因之λ值即为常量。 2、井巷摩擦阻力计算公式 由于矿井巷道极少为圆形，可用当量直径d＝4S/U代入沿程阻力公式得： 令：　　　　 α是巷道的摩擦阻力系数，与巷道帮壁的粗糙程度有关。则： 由于矿井中巷道的长度，周界及摩擦阻力系数在巷道形成后一般变化较小，可看作常数。再令： Rfr——为巷道的摩擦风阻。 这时： 这就是完全紊流情况下的摩擦阻力定律。当巷道风阻一定时，摩擦阻力与风量的平方成正比。 3、井巷摩擦阻力的计算 例 某梯形木支架煤巷，长200米，断面积为4m2，沿断面的周长为8.3m，巷道摩擦阻力系数α通过查表得到的标准值为0.018N·s2/m4，若通过巷通的风量为960m3/min，试求其摩擦阻力? 解： 应当注意，巷道的α值随ρ的改变而改变，