第二章 矿井空气流动基本理论(安全工程).ppt

第二章第二章 矿井空气流动的基本理论矿井空气流动的基本理论本章的重点：本章的重点：1 1、空气的物理参数、空气的物理参数-T-T、P P、；2 2、风流的能量与点压力、风流的能量与点压力-静压，静压能；动压、动能；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的关系3 3、能量方程、能量方程连续性方程；单位质量能量方程、单位体积能量方程连续性方程；单位质量能量方程、单位体积能量方程4 4、能量方程在矿井中的应用、能量方程在矿井中的应用-边界条件、压力坡度图边界条件、压力坡度图本章的难点：本章的难点：点压力之间的关系点压力之间的关系能量方程及其在矿井中的应用能量方程及其在矿井中的应用第二章第二章 矿井空气流动的基本理论矿井空气流动的基本理论 主要研究内容主要研究内容主要研究内容主要研究内容：矿井空气沿井巷流动过程中宏观力学参数的变化规矿井空气沿井巷流动过程中宏观力学参数的变化规律以及能量的转换关系。介绍空气的主要物理参数、性质，讨论空气在律以及能量的转换关系。介绍空气的主要物理参数、性质，讨论空气在流动过程中所具有的能量（压力）及其能量的变化。根据热力学第一定流动过程中所具有的能量（压力）及其能量的变化。根据热力学第一定律和能量守恒及转换定律，结合矿井风流流动的特点，推导了矿井空气律和能量守恒及转换定律，结合矿井风流流动的特点，推导了矿井空气流动过程中的能量方程，介绍了能量方程在矿井通风中的应用。流动过程中的能量方程，介绍了能量方程在矿井通风中的应用。第一节第一节 空气的主要物理参数空气的主要物理参数一、温度一、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参数之一。热力学绝对温标的单位K K，摄式温标，摄式温标 T=273.15+tT=273.15+t二、压力（压强）二、压力（压强）空气的压力也称为空气的静压，用符号空气的压力也称为空气的静压，用符号P P表示。压强在表示。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。P=2/3n(1/2mvP=2/3n(1/2mv2 2)矿井常用压强单位：矿井常用压强单位：Pa Mpa mmHg mmHPa Mpa mmHg mmH2 20 mmbar bar atm 0 mmbar bar atm 等等。换算关系：换算关系：1 atm=760 mmHg=1013.25 mmbar=101325 Pa 1 atm=760 mmHg=1013.25 mmbar=101325 Pa (见见P396)P396)mmbar=100 Pa =10.2 mmHmmbar=100 Pa =10.2 mmH2 20,0,mmHg=13.6mmHmmHg=13.6mmH2 20=133.32 Pa0=133.32 Pa三、湿度三、湿度表表示示空空气气中中所所含含水水蒸蒸汽汽量量的的多多少少或或潮潮湿湿程程度度。表表示示空空气气湿湿度度的的方方法法：绝绝对湿度、相对温度和含湿量三种对湿度、相对温度和含湿量三种、绝对湿度、绝对湿度 每每立立方方米米空空气气中中所所含含水水蒸蒸汽汽的的质质量量叫叫空空气气的的绝绝对对湿湿度度。其其单单位位与与密密度度单单位位相相同同（Kg/Kg/m m3 3），其其值值等等于于水水蒸蒸汽汽在在其其分分压压力力与与温温度度下下的的密密度度。v v=M=Mv v/V/V 饱饱和和空空气气：在在一一定定的的温温度度和和压压力力下下，单单位位体体积积空空气气所所能能容容纳纳水水蒸蒸汽汽量量是是有有极极限限的的，超超过过这这一一极极限限值值，多多余余的的水水蒸蒸汽汽就就会会凝凝结结出出来来。这这种种含含有有极极限限值值水水蒸蒸汽汽的的湿湿空空气气叫叫饱饱和和空空气气，这这时时水水蒸蒸气气分分压压力力叫叫饱饱和水蒸分压力和水蒸分压力，P PS S，其所含的水蒸汽量叫，其所含的水蒸汽量叫饱和湿度饱和湿度 s s 。、相对湿度、相对湿度 单单位位体体积积空空气气中中实实际际含含有有的的水水蒸蒸汽汽量量（V V）与与其其同同温温度度下下的的饱饱和和水水蒸汽含量（蒸汽含量（S S）之比称为空气的相对湿度）之比称为空气的相对湿度 V V S S 反映空气中所含水蒸汽量接近饱和的程度。反映空气中所含水蒸汽量接近饱和的程度。愈小愈小 空气愈干爆，空气愈干爆，为干空气；为干空气；愈大愈大 空气愈潮湿，空气愈潮湿，为饱和空气为饱和空气。温度下降，其相对湿度增大，冷却到温度下降，其相对湿度增大，冷却到=1=1时的温度称为时的温度称为露点露点例如：甲地：例如：甲地：t=18 t=18 ，V V 0.0107 Kg/m0.0107 Kg/m3,3,乙地：乙地：t=30 t=30 ，V V 0.0154 Kg/m0.0154 Kg/m3 3解：查附表解：查附表 当当t t为为18 18 ，s s 0.0154 Kg/m0.0154 Kg/m3,3,当当t t为为 30 30，s s 0.03037 Kg/m0.03037 Kg/m3,3,甲地：甲地：V V S S0.7 0.7 70%70%乙地：乙地：V V S S0.510.5151%51%乙地的绝对湿度大于甲地，但甲地的相对湿度大于乙地，故乙地的绝对湿度大于甲地，但甲地的相对湿度大于乙地，故乙地的空气吸湿能力强乙地的空气吸湿能力强。露点露点：将不饱和空气冷却时，随着温度逐渐下降，相对湿度：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，当达到逐渐增大，当达到100100时，此时的温度称为露点。时，此时的温度称为露点。上例上例 甲地、乙地的露点分别为多少？甲地、乙地的露点分别为多少？、含湿量、含湿量 含有含有1kg1kg干空气的湿空气中所含水蒸汽的质量（干空气的湿空气中所含水蒸汽的质量（kgkg）称为）称为空气的含湿量。空气的含湿量。d=d=V V d,d,V V=Ps/461T =Ps/461T d d=(P-Ps)/287T=(P-Ps)/287T d=0.622 d=0.622 Ps/(P-Ps)Ps/(P-Ps)四、焓四、焓 焓是一个复合的状态参数，它是内能焓是一个复合的状态参数，它是内能u u和压力功和压力功PVPV之和，焓也称热焓。之和，焓也称热焓。i=ii=id d+d+di iV V=1.0045t+d(2501+1.85t)=1.0045t+d(2501+1.85t)实际应用焓实际应用焓-湿图（湿图（I-d)I-d)五、粘性五、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，便产生粘性阻力流体层的接触面上，便产生粘性阻力(内摩擦力内摩擦力)以阻止相对运动，流以阻止相对运动，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。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：根据牛顿内摩擦定律有：式中：式中：比例系数，代表空气粘性，称为比例系数，代表空气粘性，称为动力粘性动力粘性或或绝对粘度绝对粘度。其国际单位：帕其国际单位：帕.秒，写作：秒，写作：Pa.SPa.S。运动粘度为：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 V y六、密度六、密度 单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，与与P P、t t、湿度等有、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：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：根据气体状态方程，可推出空气密度计算公式：kg/mkg/m3 3 式中：式中：P P为大气压，为大气压，satsat为饱和水蒸汽压，单位：为饱和水蒸汽压，单位：PaPa；为相对湿度为相对湿度；为空气绝对温度，为空气绝对温度，T=t+273,KT=t+273,K。kg/mkg/m3 3 式中：式中：P P为大气压，为大气压，satsat为饱和水蒸汽压，单位：为饱和水蒸汽压，单位：mmHgmmHg。注意：注意：和和sat sat 单位一致单位一致。空气比容空气比容：=V/M=1/=V/M=1/第二节第二节 矿井空气压力及测量矿井空气压力及测量 能量与压力是通风工程中两个重要的基本概念，压力可以理解为：单能量与压力是通风工程中两个重要的基本概念，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。位体积空气所具有的能够对外作功的机械能。一、风流的能量与压力一、风流的能量与压力1.1.静压能静压静压能静压（1 1）静压能与静压的概念）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，静压能，J Jm m3 3，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。到的垂直作用力。静压静压Pa=N/mPa=N/m2 2也可称为是静压能也可称为是静压能，值相等，值相等（）静压特点（）静压特点 a.a.无论静止的空气还是流动的空气都具有静压力；无论静止的空气还是流动的空气都具有静压力；b.b.风流中任一点的静压各向同值，且垂直于作用面；风流中任一点的静压各向同值，且垂直于作用面；c.c.风风流流静静压压的的大大小小（可可以以用用仪仪表表测测量量）反反映映了了单单位位体体积积风风流流所所具具有有的的能能够够对对外外作作功功的的静静压压能能的的多多少少。如如说说风风流流的的压压力力为为101332Pa101332Pa，则则指指风风流流1m1m3 3具有具有101332J101332J的静压能。的静压能。（）压力的两种测算基准（表示方法（）压力的两种测算基准（表示方法）根据压力的测算基准不同，压力可分为：根据压力的测算基准不同，压力可分为：绝对压力和相对压力绝对压力和相对压力。A A、绝绝对对压压力力：以以真真空空为为测测算算零零点点（比比较较基基准准）而而测测得得的的压压力力称称之之为为绝对压力，用绝对压力，用 P P 表示。表示。B B、相对压力：相对压力：以当时当地同标高的大气压力为测算基准以当时当地同标高的大气压力为测算基准(零点零点)测测得的压力称之为相对压力，即通常所说的表压力，用得的压力称之为相对压力，即通常所说的表压力，用 h h 表示。表示。风风流流的的绝绝对对压压力力（P P）、相相对对压压力力（h h）和和与与其其对对应应的的大大气气压压（P P0 0）三者之间的关系如下式所示：三者之间的关系如下式所示：h =P h =P P P0 0abPa真空P0Pbha(+)hb(-)P0P Pi i 与与 h hi i 比较：比较：I I、绝对静压总是为正，而相对静压有、绝对静压总是为正，而相对静压有正负正负之分；之分；IIII、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、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。高度无关。IIIIII、P Pi i 可能大于、等于或小于与该点同标高的大气压可能大于、等于或小于与该点同标高的大气压(P(P0i0i)。2 2、重力位能、重力位能（1)1)重力位能的概念重力位能的概念 物物体体在在地地球球重重力力场场中中因因地地球球引引力力的的作作用用，由由于于位位置置的的不不同同而而具具有有的的一一种种能量叫能量叫重力位能重力位能，简称位能，用，简称位能，用 E EPOPO 表示。表示。如如果果把把质质量量为为M M（kgkg）的的物物体体从从某某一一基基准准面面提提高高Z Z（m m），就就要要对对物物体体克克服服重重力力作作功功M.g.ZM.g.Z（J J），物物体体因因而而获获得得同同样样数数量量（M.g.ZM.g.Z）的的重重力力位位能能。即即：E EPOPO=M.g.Z =M.g.Z 重力位能是一种潜在的能量，它只有通过计算得重力位能是一种潜在的能量，它只有通过计算得其大小，而且是一个其大小，而且是一个相对值相对值 。实际工作中一般计算位能差。实际工作中一般计算位能差。（）位能计算（）位能计算 重力位能的计算应有一个重力位能的计算应有一个参照基准面参照基准面。E Ep012p012=i i gdz gdzi i如下图如下图 1 1两断面之间的位能差：两断面之间的位能差：dzi（3)3)位能与静压的关系位能与静压的关系 当当空空气气静静止止时时（v=0v=0），由由空空气气静静力力学学可可知知：各各断断面面的的机机械械能能相相等等。设以设以2-22-2断面为基准面：断面为基准面：1-11-1断面的总机械能断面的总机械能 E E1 1=E=EPO1PO1+P+P1 1 2-2 2-2断面的总机械能断面的总机械能 E E2 2=E=EPO2PO2+P+P2 2 由由E E1 1=E=E2 2得：得：E EPO1PO1+P+P1 1=E=EPO2PO2+P+P2 2 由于由于E EPO2PO2=0=0（2-22-2断面为基准面），断面为基准面），E EPO1PO1=1212.g.Z.g.Z1212，所以：所以：P P2 2=E=EPO1PO1+P+P1 1=1212.g.Z.g.Z1212+P+P1 1 说明：说明：、位能与静压能之间可以互相转化。、位能与静压能之间可以互相转化。IIII、在矿井通风中把某点的静压和位能之和称之为、在矿井通风中把某点的静压和位能之和称之为势能势能。（4)4)位能的特点位能的特点 a.a.位位能能是是相相对对某某一一基基准准面面而而具具有有的的能能量量，它它随随所所选选基基准准面面的的变变化化而而变变化。化。但位能差为定值。但位能差为定值。b.b.位位能能是是一一种种潜潜在在的的能能量量，它它在在本本处处对对外外无无力力的的效效应应，即即不不呈呈现现压压力力，故不能象静压那样用仪表进行直接测量。故不能象静压那样用仪表进行直接测量。c.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。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。dzi3.3.动能动压动能动压（1)1)动能与动压的概念动能与动压的概念 当当空空气气流流动动时时，除除了了位位能能和和静静压压能能外外，还还有有空空气气定定向向运运动动的的动动能能，用用E Ev v表表示示，J/mJ/m3 3；其其动动能能所所转转化化显显现现的的压压力力叫叫动动压压或或称称速速压压，用用符符号号h hv v表示，单位表示，单位PaPa。（2)2)动压的计算动压的计算 单位体积空气所具有的动能为：单位体积空气所具有的动能为：E Evi vi i iV V2 20.50.5 式中：式中：i i I I点的空气密度，点的空气密度，Kg/m3Kg/m3；v vI I点的空气流速，点的空气流速，m/sm/s。E Evivi对外所呈现的动压对外所呈现的动压h hvivi，其值相同。，其值相同。（3)3)动压的特点动压的特点 a.a.只有作定向流动的空气才具有动压，因此动压具有方向性。只有作定向流动的空气才具有动压，因此动压具有方向性。b.b.动动压压总总是是大大于于零零。垂垂直直流流动动方方向向的的作作用用面面所所承承受受的的动动压压最最大大（即即流流动动方方向向上上的的动动压压真真值值）；当当作作用用面面与与流流动动方方向向有有夹夹角角时时，其其感感受受到到的的动压值将小于动压真值。动压值将小于动压真值。c.c.在在同同一一流流动动断断面面上上，由由于于风风速速分分布布的的不不均均匀匀性性，各各点点的的风风速速不不相相等等，所以其动压值不等。所以其动压值不等。d.d.某断面动压即为该断面平均风速计算值。某断面动压即为该断面平均风速计算值。（）全压（）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，两者之两者之和称之为该点风流的和称之为该点风流的全压全压，即：，即：全压静压动压全压静压动压。由于静压有绝对和相对之分，故全压也有由于静压有绝对和相对之分，故全压也有绝对和相对绝对和相对之分。之分。、绝对全压（、绝对全压（P Ptiti）P Ptiti P Pi ih hvivi B B、相对全压（、相对全压（h htiti）h htiti h hi ih hvivi P Ptiti P Poioi 说明说明：A A、相对全压有正负之分、相对全压有正负之分；B B、无论正压通还是负压通风，、无论正压通还是负压通风，P PtitiPPi i h htiti h hi i。二、风流的点压力之间相互关系二、风流的点压力之间相互关系 风流的点压力是指测点的单位体积风流的点压力是指测点的单位体积(1m(1m3 3)空气所具有的压力。通风管道空气所具有的压力。通风管道中流动的风流的点压力可分为：中流动的风流的点压力可分为：静压、动压和全压。静压、动压和全压。风流中任一点风流中任一点i i的动压、绝对静压和绝对全压的关系为：的动压、绝对静压和绝对全压的关系为：h hvivi=P=Ptiti-P-Pi i h hvivi、h hI I和和h htiti三者之间的关系为：三者之间的关系为：h hti ti =h=hi i +h+hvivi 。风流点压力间的关系风流点压力间的关系abPa真空真空P0Pbha(+)hb(-)P0Pathvhat(+)hvhbt(-)Pbt抽出式通风抽出式通风压入式通风压入式通风压入式通风压入式通风抽出式通风抽出式通风例例题题2-2-1 2-2-1 如如图图压压入入式式通通风风风风筒筒中中某某点点i i的的hi=1000Pahi=1000Pa，hvi=150Pahvi=150Pa，风风筒外与筒外与i i点同标高的点同标高的P0i=101332PaP0i=101332Pa，求：，求：(1)i(1)i点的绝对静压点的绝对静压P Pi i；(2)i(2)i点的相对全压点的相对全压h htiti；(3)i(3)i点的绝对静压点的绝对静压P Ptiti。解：解：(1)P(1)Pi i=P=P0i0i+h+hi i=101332+1000=102332Pa=101332+1000=102332Pa (2)h (2)htiti=h=hi i+h+hvivi=1000+150=1150Pa=1000+150=1150Pa (3 P (3 Ptiti=P=P0i0i+h+htiti=P=Pi i+h+hvivi=101332.32+1150=Pa=101332.32+1150=Pa例例题题2-2-2 2-2-2 如如图图抽抽出出式式通通风风风风筒筒中中某某点点i i的的h hi i=1000Pa=1000Pa，h hvivi=150Pa=150Pa，风风筒外与筒外与i i点同标高的点同标高的P P0i0i=101332Pa=101332Pa，求：，求：(1)i(1)i点的绝对静压点的绝对静压P Pi i；(2)i(2)i点的相对全压点的相对全压h htiti；(3)i(3)i点的绝对静压点的绝对静压P Ptiti。解：解：(1)P(1)Pi i=P=P0i0i+h+hi i=101332.5-1000=100332Pa=101332.5-1000=100332Pa (2)|h (2)|hti ti|=|h|=|hi i|h hvivi 1000-150=850Pa1000-150=850Pa h hti ti 850 Pa 850 Pa (3)P (3)Ptiti=P=P0i0i+h+htiti=101332.5-850=100482Pa=101332.5-850=100482Pa三、风流点压力的测定三、风流点压力的测定、矿井主要压力测定仪器仪表、矿井主要压力测定仪器仪表 （）绝对压力测量：空盒气压计、精密气压计、水银气压计等。（）绝对压力测量：空盒气压计、精密气压计、水银气压计等。（）压差及相对压力测量：恒温气压计、（）压差及相对压力测量：恒温气压计、“”水柱计、补偿式水柱计、补偿式微压计、倾斜单管压差计。微压计、倾斜单管压差计。（）感压仪器：皮托管，承受和传递压力，（）感压仪器：皮托管，承受和传递压力，+-+-测压测压、压力测定、压力测定 （）绝对压力直接测量读数。（）绝对压力直接测量读数。（）相对静压（）相对静压(以如图正压通风为例以如图正压通风为例)（注意连接方法）：（注意连接方法）：hP0izP0 i推导如图推导如图 h=hh=hi i?以水柱计的等压面以水柱计的等压面0 0 0 0 为基准面，为基准面，设设:i i点至基准面的高度为点至基准面的高度为 Z Z，胶皮管内的空气平均密度为，胶皮管内的空气平均密度为m m，胶皮管外的空气平均密度为胶皮管外的空气平均密度为m m；与；与i i点同标高的大气压点同标高的大气压P P0i0i。则水柱计等压面则水柱计等压面 0 0 0 0两侧的受力分别为：两侧的受力分别为：水柱计左边等压面上受到的力：水柱计左边等压面上受到的力：P P左左 P P+水水gh gh P P0i 0i+m mg(z-h)+g(z-h)+水水ghgh 水柱计右边等压面上受到的力：水柱计右边等压面上受到的力：P P右右 P Pi i+m mgzgz 由等压面的定义有：由等压面的定义有：P P左左 P P右右 ，即：，即：P P0i0i+m+mg(z-h)+g(z-h)+水水ghgh P P0i0i+m mgzgz 若若 m m m m 有有：水水 m m （PaPa）（mmHmmH2 20 0）对于负压通风的情况请自行推导（注意连接方法）：对于负压通风的情况请自行推导（注意连接方法）：z zP P0 i0 ih h0 00 0说明：（说明：（I I）水柱计上下移动时，）水柱计上下移动时，h hi i 保持不变；保持不变；（IIII）在风筒同一断面上、下移动皮托管，水柱计读数不变，说明）在风筒同一断面上、下移动皮托管，水柱计读数不变，说明同一断面上同一断面上 h hi i 相同。相同。（）相对全压、动压测量（）相对全压、动压测量 测定连接如图（测定连接如图（说明连接方法及水柱高度变化说明连接方法及水柱高度变化）z zP P0 i0 ih ht th hi ih hv v如图2-1所示，空盒气压计由一个波纹状金属真空盒和一套杠杆机构组成。大气压变化时盒面变形值经杠杆机构放大，带动盒面指针转动指出大气压值。空盒气压计使用前应用水银气压计校正，校正时用小螺丝刀微微拧转盒背面（或侧面）的调节螺丝，使指针所示气压值与水银气压计一致。测定时，将其水平放置，用手指轻轻敲击盒面数次，消除指针的蠕动现象，等待数分钟后再读值，读值应根据仪器所附检定证进行刻度和温度的补充校正。例如，某空盒气压计读值为770mmHg，查取它的刻度校正值为-0.1 mmHg，温度校正为-0.03（mmHg/15）=-0.45 mmHg，补充校正为+0.6 mmHg，则实际大气压为770-0.1-0.45+0.6=770.05 mmHg。精密数字气压计精密数字气压计U型压差计型压差计U型压差计如图4-3，有一根弯成U型的玻璃管1（其中装如蒸馏水或酒精），刻度尺2和支撑板组成，测定时，用胶皮管将风流压力接引（传递）到玻璃管内，垂直U型管的两液面差乘以工作液（U形管内所装液体）的比重，即为测定的压差h（mmH2O），如为倾斜U形压差计，它的压差为：HLsin mmH2O式中：LU形管内的液面高差（mm）；U形管的倾角（）；工作液比重。单管压差计 单管压差计工作原理如图4-4所示。它是由一个具有大断面的容器A（面积为F1）与一个小断面的倾斜管B（面积为F2）互相连通，并在其中装有适量酒精的仪器。若在P1与P2压差作用下，具有倾斜度的管子B内的液体在垂直方向升高了一个高度Z1，而A容器内的液面下降了Z2，这时仪器内液面的高差为：Z=Z1+Z2由于A容器液体下降的体积与B管液体上升的体积相等，即：Z2F1=LF2则 Z2=LF2/F1并且 Z1=Lsin把Z1与Z2代入上式，得：Z=Z1+Z2=L（sin+F2/F1）故用此压差计测得P1与P2之压差h为：h=Z=L(sin+F2/F1)式中：酒精的比重；令：K=(sin+F2/F1)则：h=KL mmH2O式中：K仪器的校正系数；L倾斜管上的读数，mm。补偿式微压计组成如图2-4-11所示，测定连接如图2-4-12所示。补偿式微压计主要由盛水容器A、容器B、连接胶管、刻度盘、刻度尺、螺杆、反光镜等组成。盛水容器A和B通过胶管连接形成连通器，容器B不动，B中装有水准头。当刻度盘带动螺杆转动时，容器A可随着上下移动。补偿式微压计的工作原理是：较大压力的胶管接到“+”接头与B相通，小压力接到“-”接头与A相通，B中水面下降，水准头露出，同时A内液面上升。旋转螺杆以提升容器A，同时B中水面随着上升，直到B中水面回到水准头原来所在的水平面为止。此时刻度尺和刻度盘上的读数总和即为所测的压力（mmH2O）。其原理的实质，是通过提高容器A的位置，用水柱高度来平衡（补偿）压力差造成的B中水面的下降，使B中水面恢复到原来的零位位置，这时A所提高的高度就是两容器压力差所造成的水柱高度。井巷井巷风速风速测量测量机械叶轮式风速计又叫风表，按其结构有叶轮式和杯式两种，机械叶轮式风速计又叫风表，按其结构有叶轮式和杯式两种，如图如图1411。两者内部结构相似。叶轮式风表，主要由叶。两者内部结构相似。叶轮式风表，主要由叶轮、传动蜗轮、蜗杆、计数器、指针及回零杆、离合闸板、轮、传动蜗轮、蜗杆、计数器、指针及回零杆、离合闸板、护壳底座等构成。离合闸板能使计数器与叶轮轴联接和分开，护壳底座等构成。离合闸板能使计数器与叶轮轴联接和分开，用来开关计数器。回零杆的作用是能够使风表指针回零。风用来开关计数器。回零杆的作用是能够使风表指针回零。风表的叶轮由铝合金叶片组成，叶片与旋转铀的垂直平面成一表的叶轮由铝合金叶片组成，叶片与旋转铀的垂直平面成一定角度。当风流吹动风轮时，通过传动机构将运动传给计数定角度。当风流吹动风轮时，通过传动机构将运动传给计数器，指示出叶轮的转速，称为表速儿。再按风表校正曲线查器，指示出叶轮的转速，称为表速儿。再按风表校正曲线查得真实风速认，即为测风断面上的风速。如图得真实风速认，即为测风断面上的风速。如图14l2为莱为莱叶轮式风表的校叶轮式风表的校井巷井巷风速风速测量测量井巷井巷风速风速测量测量 二、超声波旋涡风速传感器二、超声波旋涡风速传感器 传感器是应用卡曼涡街理论来实现风速检测的。传感器是应用卡曼涡街理论来实现风速检测的。所谓卡曼涡街理论，就是在无限流场中，垂直流体所谓卡曼涡街理论，就是在无限流场中，垂直流体流向插入一根无限长的非流线型阻挡体流向插入一根无限长的非流线型阻挡体(旋涡发生体旋涡发生体)，在雷诺数为，在雷诺数为200一一50 ooo范围内，阻挡体的下游将范围内，阻挡体的下游将产生内旋的、互相交替的旋涡列产生内旋的、互相交替的旋涡列井巷井巷风速风速测量测量 三、数字风表三、数字风表 叶轮式数字风表感受元件仍是叶轮，只是在叶轮上安装叶轮式数字风表感受元件仍是叶轮，只是在叶轮上安装些附件，根据光电、电感和干黄管等原理把物理量转变为些附件，根据光电、电感和干黄管等原理把物理量转变为电量，利用电子线路实现自动记录和检测数字化。如电量，利用电子线路实现自动记录和检测数字化。如xsF1型数字风表，叶轮在风流作用下，连续不断转动，带动同轴型数字风表，叶轮在风流作用下，连续不断转动，带动同轴上的光轮做同步转动。当光轮上的孔正对红外光电管时，发上的光轮做同步转动。当光轮上的孔正对红外光电管时，发射管发出的脉冲信号被接收管接收，光轮每转动一次，接收射管发出的脉冲信号被接收管接收，光轮每转动一次，接收管接收到两个脉冲。由于风轮的转动与风速成线性关系，接管接收到两个脉冲。由于风轮的转动与风速成线性关系，接收管接收到脉冲与风速成线性关系。脉冲信号经整形、分频收管接收到脉冲与风速成线性关系。脉冲信号经整形、分频和一分钟记数后，和一分钟记数后，LED数码管显示一分钟的平均风速值。数码管显示一分钟的平均风速值。井巷通风阻力及测量井巷通风阻力及测量 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：摩擦阻力巷通风阻力可分为两类：摩擦阻力(也称为沿程阻力也称为沿程阻力)和局部阻力。和局部阻力。一、摩擦阻力一、摩擦阻力 风风流流在在井井巷巷中中作作沿沿程程流流动动时时，由由于于流流体体层层间间的的摩摩擦擦和和流流体体与与井井巷巷壁壁面面之之间的摩擦所形成的阻力称为间的摩擦所形成的阻力称为摩擦阻力摩擦阻力(也叫沿程阻力也叫沿程阻力)。由由流流体体力力学学可可知知，无无论论层层流流还还是是紊紊流流，以以风风流流压压能能损损失失来来反反映映的的摩摩擦擦阻阻力可用下式来计算力可用下式来计算 无因次系数，即摩擦阻力系数，通过实验求得。无因次系数，即摩擦阻力系数，通过实验求得。d d圆形风管直径，非圆形管用当量直径；圆形风管直径，非圆形管用当量直径；1 1尼古拉兹实验尼古拉兹实验 实实际际流流体体在在流流动动过过程程中中，沿沿程程能能量量损损失失一一方方面面（内内因因）取取决决于于粘粘滞滞力力和和惯惯性性力力的的比比值值，用用雷雷诺诺数数ReRe来来衡衡量量；另另一一方方面面（外外因因）是是固固体体壁壁面面对对流流体体流流动动的的阻阻碍碍作作用用，故故沿沿程程能能量量损损失失又又与与管管道道长长度度、断断面面形形状状及及大小、壁面粗糙度有关。其中壁面粗糙度的影响通过大小、壁面粗糙度有关。其中壁面粗糙度的影响通过值来反映。值来反映。1932193219331933年年间间，尼尼古古拉拉兹兹把把经经过过筛筛分分、粒粒径径为为的的砂砂粒粒均均匀匀粘粘贴贴于于管管壁壁。砂砂粒粒的的直直径径就就是是管管壁壁凸凸起起的的高高度度，称称为为绝绝对对糙糙度度；绝绝对对糙糙度度与与管管道道半半径径r r的的比比值值/r/r 称称为为相相对对糙糙度度。以以水水作作为为流流动动介介质质、对对相相对对糙糙度度分分别别为为1/151/15、1/30.61/30.6、1/601/60、1/1261/126、1/2561/256、1/5071/507六六种种不不同同的的管管道道进进行行试试验验研研究究。对对实实验验数数据据进进行行分分析析整整理理，在在对对数数坐坐标标纸纸上上画出画出与与ReRe的关系曲线，如图的关系曲线，如图3-2-13-2-1所示。所示。结论分析：结论分析：区区层层流流区区。当当ReRe2320(2320(即即lgRelgRe3.36)3.36)时时，不不论论管管道道粗粗糙糙度度如如何何，其其实实验验结结果果都都集集中中分分布布于于直直线线上上。这这表表明明与与相相对对糙糙度度/r/r无无关，只与关，只与ReRe有关，且有关，且=64/=64/ReRe。与相对粗糙度无关与相对粗糙度无关 区区过渡流区过渡流区。23202320ReRe4000(4000(即即3.36lg3.36lgReRe3.6)3.6)，在此区，在此区间内，不同相对糙度的管内流体的流态由层流转变为紊流。所有间内，不同相对糙度的管内流体的流态由层流转变为紊流。所有的实验点几乎都集中在线段的实验点几乎都集中在线段上。上。随随ReRe增大而增大，与相对糙增大而增大，与相对糙度无明显关系。度无明显关系。区区水力光滑管区水力光滑管区。在此区段内，管内流动虽然都已处于紊流。在此区段内，管内流动虽然都已处于紊流状态状态(ReRe4000)4000)，但，但在一定的雷诺数下，在一定的雷诺数下，当层流边层的厚度当层流边层的厚度大大于管道的绝对糙度于管道的绝对糙度（称为水力光滑管）时，其实验点均集中在（称为水力光滑管）时，其实验点均集中在直线直线上，表明上，表明与与仍然无关，而只与仍然无关，而只与ReRe有关有关。随着。随着ReRe的增大，的增大，相对糙度大的管道，实验点在较低相对糙度大的管道，实验点在较低ReRe时就偏离直线时就偏离直线，而相对糙，而相对糙度小的管道要在度小的管道要在ReRe较大时才偏离直线较大时才偏离直线。区区紊流过渡区紊流过渡区，即图中，即图中所示区段。在这个区段内，各种不所示区段。在这个区段内，各种不同相对糙度的实验点各自分散呈一波状曲线，同相对糙度的实验点各自分散呈一波状曲线，值既与值既与ReRe有关，有关，也与也与/r r有关有关。区区水力粗糙管区水力粗糙管区。在该区段，。在该区段，ReRe值较大，管内液流的层流边层值较大，管内液流的层流边层已变得极薄，有已变得极薄，有，砂粒凸起高度几乎全暴露在紊流核心中，砂粒凸起高度几乎全暴露在紊流核心中，故故ReRe对对值的影响极小值的影响极小，略去不计，相对糙度成为，略去不计，相对糙度成为的唯一影响的唯一影响因素。故在该区段，因素。故在该区段，与与ReRe无关，而只与相对糙度有关。摩擦阻无关，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：力与流速平方成正比，故称为阻力平方区，尼古拉兹公式：2 2层流摩擦阻力层流摩擦阻力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：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：=可得圆管层流时的沿程阻力系数：可得圆管层流时的沿程阻力系数：古古拉拉兹兹实实验验所所得得到到的的层层流流时时与与ReRe的的关关系系，与与理理论论分分析析得得到到的的关关系系完完全相同，理论与实验的正确性得到相互的验证。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。层流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比。3 3、紊流摩擦阻力、紊流摩擦阻力 对对于于紊紊流流运运动动，=f=f(Re(Re，/r)/r)，关关系系比比较较复复杂杂。用用当当量量直直径径dede=4=4S S/U U代替代替d 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：，代入阻力通式，则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式：二、摩擦阻力系数与摩擦风阻二、摩擦阻力系数与摩擦风阻1 1摩擦阻力系数摩擦阻力系数 矿井中大多数通风井巷风流的矿井中大多数通风井巷风流的ReRe值已进入阻力平方区，值已进入阻力平方区，值只与相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，则可视为定值；在标准状态下空气密度可视为定值；在标准状态下空气密度=1.2kg/m=1.2kg/m3 3。对上式，对上式，令：令：称为摩擦阻力系数称为摩擦阻力系数，单位为，单位为 kg/mkg/m3 3 或或 N.sN.s2 2/m/m4 4。则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式写为：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：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（通过大量实验和实测所得的、在标准状态（0 0=1.2kg/m=1.2kg/m3 3）条件下的）条件下的井巷的摩擦阻力系数，井巷的摩擦阻力系数，即所谓标准值即所谓标准值0 0值值，当井巷中空气密度，当井巷中空气密度1.2kg/m1.2kg/m3 3时，其时，其值应按下式修正：值应按下式修正：2 2摩擦风阻摩擦风阻R Rf f 对对于于已已给给定定的的井井巷巷，L L、U U、S S都都为为已已知知数