第2章矿井空气流动基本理论精选PPT.ppt

第1页，此课件共73页哦第一节第一节 空气的主要物理参数空气的主要物理参数第二节第二节 风流的能量与压力风流的能量与压力第三节第三节 矿井通风中的能量方程矿井通风中的能量方程第四节第四节 能量方程在矿井通风中的应用能量方程在矿井通风中的应用2第2页，此课件共73页哦上次课内容回顾上次课内容回顾 1)1)、上次课所讲的主要内容、上次课所讲的主要内容 矿井空气成分，矿井空气中主要成分的质量（浓度）标准、矿井中有毒、矿井空气成分，矿井空气中主要成分的质量（浓度）标准、矿井中有毒、有害气体的基本性质和危害性及安全浓度标准。矿井气候条件平衡量指标有害气体的基本性质和危害性及安全浓度标准。矿井气候条件平衡量指标（干球温度、湿球温度、等效温度、同感温度、卡他度）。（干球温度、湿球温度、等效温度、同感温度、卡他度）。2)2)、能解决的实际问题、能解决的实际问题 （1 1）要保证作业人员健康，井下空气质量和数量的最低要求；）要保证作业人员健康，井下空气质量和数量的最低要求；（2 2）矿井空气中氧气（）矿井空气中氧气（O O2 2），二氧化碳（），二氧化碳（COCO2 2）的浓度要求；）的浓度要求；（3 3）各种有害气体的危害性与最高允许浓度标准；）各种有害气体的危害性与最高允许浓度标准；（4 4）矿井气候条件衡量方法与指标，保证有一个舒适的作业环境。）矿井气候条件衡量方法与指标，保证有一个舒适的作业环境。3第3页，此课件共73页哦第二章第二章 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；位能；全压；抽出式静压，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和压入式相对静压、相对全压与动压的关系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4第4页，此课件共73页哦思考题1 1、一年中冬季还是夏季大气压力大？一天中那个时间大气压力最小？、一年中冬季还是夏季大气压力大？一天中那个时间大气压力最小？2 2、温度与压力相同时，干空气密度大还是湿空气密度大？、温度与压力相同时，干空气密度大还是湿空气密度大？3 3、为什么位能不能用仪表直接测量？、为什么位能不能用仪表直接测量？4 4、测定风流点压力时，水柱计放置位置对测值有影响吗？、测定风流点压力时，水柱计放置位置对测值有影响吗？5 5、为什么会在正压通风会出现相对静压为负值的区段？、为什么会在正压通风会出现相对静压为负值的区段？6 6、风机全压主要是来克服哪些能量的？、风机全压主要是来克服哪些能量的？7 7、为什么抽出式风机要加扩展器？、为什么抽出式风机要加扩展器？5第5页，此课件共73页哦第二章第二章 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律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，讨论空气在流动过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。根据热力学第一定律和能量守程中所具有的能量（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，推导了矿井空气流动过程中的能恒及转换定律，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。量方程，介绍了能量方程在矿井通风中的应用。6第6页，此课件共73页哦一、温度一、温度 温度是描述物体冷热状态的物理量。测量温度的标尺简称温标。矿井表示气温度是描述物体冷热状态的物理量。测量温度的标尺简称温标。矿井表示气候条件的主要参数之一。候条件的主要参数之一。国际单位为：国际单位为：热力学温标，热力学温标，其单位为其单位为K(kelvin),K(kelvin),用符号用符号T T来表示，热力学来表示，热力学温标规定纯水三相态点温度（汽、液、固三相平衡态时的温度）为基本定点，定温标规定纯水三相态点温度（汽、液、固三相平衡态时的温度）为基本定点，定义为义为273.15K273.15K。常用的摄氏温标为常用的摄氏温标为实用温标实用温标，用，用t t表示，单位为表示，单位为摄氏度摄氏度。摄氏温标的每摄氏温标的每11与热力学温标的每与热力学温标的每1K1K完全相同，它们之间的关系为：完全相同，它们之间的关系为：T=273.15+tT=273.15+t 温度是矿井表征气候条件的主要参数，规程规定：生产矿井采掘工作面温度是矿井表征气候条件的主要参数，规程规定：生产矿井采掘工作面的空气温度不得超过的空气温度不得超过2626，机电硐室的空气温度不得超过，机电硐室的空气温度不得超过3030。第一节第一节 空气的主要物理参数空气的主要物理参数物理参数物理参数7第7页，此课件共73页哦一、温度一、温度 三相点三相点是指在热力学裏，可使一种物质三相（气相，液相，固相）是指在热力学裏，可使一种物质三相（气相，液相，固相）共存的一个温度和压强的数值。水的三相点在共存的一个温度和压强的数值。水的三相点在0.01（273.16K）热力学温标，热力学温标，其单位为其单位为K(kelvin),K(kelvin),用符号用符号T T来表示。来表示。绝对零度绝对零度和水的三相点温度之间进行和水的三相点温度之间进行273.16等分，每一等分即为等分，每一等分即为1K，也即，也即，采用采用K为温度单位，水的三相点温度为为温度单位，水的三相点温度为273.16K。绝对零度：绝对零度：理论上所能达到的最低温度，在此温度下物体没有内理论上所能达到的最低温度，在此温度下物体没有内能。把能。把-273.15定作热力学温标（绝对温标）的零度，叫做绝对零定作热力学温标（绝对温标）的零度，叫做绝对零度（度（absolute zero）。）。第一节第一节 空气的主要物理参数空气的主要物理参数物理参数物理参数8第8页，此课件共73页哦二、压力（压强）二、压力（压强）在矿井通风学中，习惯把压强称为压力。在矿井通风学中，习惯把压强称为压力。单位？单位？空气的压力也称为空气的静压，它是空气分子热运动对器壁碰撞的宏观表空气的压力也称为空气的静压，它是空气分子热运动对器壁碰撞的宏观表现。现。计算公式为：计算公式为：P=2/3n(1/2mvP=2/3n(1/2mv2 2)气体的静压力是单位体积内气体分子不规则热运动总动能的气体的静压力是单位体积内气体分子不规则热运动总动能的2/32/3转化为能对外做功的机转化为能对外做功的机械能的宏观表现，故压力的大小表示单位体积气体的压能的数量，这是气体所具有的普遍械能的宏观表现，故压力的大小表示单位体积气体的压能的数量，这是气体所具有的普遍的物理性质的物理性质 大气压力：大气压力：地球表面一层很厚的空气层对地面所形成的压力。其大小取决于大重力场地球表面一层很厚的空气层对地面所形成的压力。其大小取决于大重力场中位置相对高度，空气相对温度、湿度（相对湿度）和气体成分等参数。中位置相对高度，空气相对温度、湿度（相对湿度）和气体成分等参数。在地球引力（重力）场中的大气层空气由于重力的影响，空气的密度与压力均随在地球引力（重力）场中的大气层空气由于重力的影响，空气的密度与压力均随着着离地表的高度而减小离地表的高度而减小。用符号用符号P P表示，其大小可以用仪器来测量，空盒气压计、水银气压计、水柱计、精表示，其大小可以用仪器来测量，空盒气压计、水银气压计、水柱计、精密气压计等可以用来测量压力。密气压计等可以用来测量压力。物理参数物理参数9第9页，此课件共73页哦大气层的存在和大气压力随高度而变化的规律大气层的存在和大气压力随高度而变化的规律是是分子热运动和地球引力作用分子热运动和地球引力作用两者协调的结果，如果没有地球引力则空气分子将逸散到广大的宇宙空间而不变两者协调的结果，如果没有地球引力则空气分子将逸散到广大的宇宙空间而不变存在在大气层。存在在大气层。在物理学中，单位体积气体的分子数在物理学中，单位体积气体的分子数n n，在重力场中随高度分布的规律用，在重力场中随高度分布的规律用波兹曼公波兹曼公式式表示：表示：n no o-海平面（海平面（z=oz=o）单位体积的分子数；）单位体积的分子数；-空气的摩尔质量，空气的摩尔质量，28.97Kg/kmol28.97Kg/kmol；T-T-空气温度，空气温度，T=273.15+tT=273.15+t，K K；g-g-重力加速度，重力加速度，9.81m/s9.81m/s2 2；R RO O-通用气体常数（摩尔气体恒量），通用气体常数（摩尔气体恒量），8314 J/(kmol8314 J/(kmolk)k)；物理参数物理参数10第10页，此课件共73页哦其其大气压力随高度的变化规律大气压力随高度的变化规律与上式相似，如下式所示。其中与上式相似，如下式所示。其中Po-Po-海平面海平面（z=oz=o）大气压力；标准大气压力取）大气压力；标准大气压力取R R为干空气的气体常数，为干空气的气体常数，R=RR=R0 0/=287J/kg.K/=287J/kg.K。不同标高处的空气压力比值不同标高处的空气压力比值 标高标高z/mz/m+1000+100000-1000-1000p/pp/po o0.8880.8881.01.01.1261.126 实际上各地的大气压力还和实际上各地的大气压力还和地表气象因素地表气象因素有关，一年四季，甚至一昼夜内有关，一年四季，甚至一昼夜内都有明显的变化。例如：淮南一昼夜内气压变化一般为都有明显的变化。例如：淮南一昼夜内气压变化一般为270270400Pa400Pa有时可达有时可达1300Pa1300Pa，一年中大气压变化可高达，一年中大气压变化可高达400040005300Pa5300Pa。一般来讲，在一般来讲，在同一水平面，不大的范围内，可以认为空气压力是相同同一水平面，不大的范围内，可以认为空气压力是相同的。的。物理参数物理参数11第11页，此课件共73页哦 矿井常用压强单位：矿井常用压强单位：Pa Mpa mmHg mmH20 bar mmbar atm 等等。换算关系：换算关系：1atm=760mmHg=1013.25mmbar=101325Pa 1mmHg=13.6mmH20=133.32 Pa 1mmbar=100 Pa =10.19mmH20 1mmH20=9.81 Pa物理参数物理参数12第12页，此课件共73页哦机械式指针湿度表原理是什么？机械式指针湿度表原理是什么？湿敏元件：湿敏元件：有毛发式的有毛发式的,也有在金属游丝上涂敷高分子亲水塑也有在金属游丝上涂敷高分子亲水塑料材料制造的料材料制造的原理：原理：属长度变化式属长度变化式,即元件能随空气湿度的变化而改变其即元件能随空气湿度的变化而改变其长度，利用长度变化产生的位移来驱动指针轴长度，利用长度变化产生的位移来驱动指针轴,使指针在表使指针在表盘上移动盘上移动,从而实现湿度的计量功能从而实现湿度的计量功能弱点弱点：反应迟钝反应迟钝,滞后时间长也可长达一二十分钟滞后时间长也可长达一二十分钟,不能不能对微量水份变化发生反应。对微量水份变化发生反应。显示误差大显示误差大,一般在一般在%,高的可达高的可达10%以上以上,年飘年飘移值大移值大,不稳定不稳定,易老化变质易老化变质,影响寿命。影响寿命。虽然其不能准确可靠计量虽然其不能准确可靠计量,显示的数值只能作参考，优点是其价显示的数值只能作参考，优点是其价格低廉，无需电信号也能工作。格低廉，无需电信号也能工作。13第13页，此课件共73页哦mmHg 与与Pa之间的换算之间的换算 物理意义：物理意义：1 1mmHgmmHg 产生的压强产生的压强 在在1m1m2 2面积上产生的压力面积上产生的压力 1m 1m2 2面积高度面积高度1 1mmHgmmHg的重量的重量 换算：换算：14第14页，此课件共73页哦三、湿度三、湿度 表示空气中所含水蒸汽量的多少或潮湿程度。表示空气中所含水蒸汽量的多少或潮湿程度。表示空气湿度的方法表示空气湿度的方法：绝对湿度、相对湿度和含湿量三种。绝对湿度、相对湿度和含湿量三种。、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 饱和空气：饱和空气：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值，多余的水蒸汽就会凝结出来。限值，多余的水蒸汽就会凝结出来。这种含有极限值水蒸汽的湿空气叫这种含有极限值水蒸汽的湿空气叫饱和空气饱和空气 这时水蒸气分压力叫这时水蒸气分压力叫饱和水蒸分压力饱和水蒸分压力，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 。物理参数物理参数15第15页，此课件共73页哦物理参数物理参数16第16页，此课件共73页哦三、湿度三、湿度 、绝对湿度、绝对湿度、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蒸汽汽含含量量（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。绝对湿度只能说明空气中绝对湿度只能说明空气中实际含有水蒸气量实际含有水蒸气量，并不能说明其，并不能说明其饱和程度饱和程度。如如1818的空气，饱和水蒸气量为的空气，饱和水蒸气量为sat=0.01536kg/msat=0.01536kg/m3 3，在在3030时，时，sat=0.03037kg/msat=0.03037kg/m3 3。当温度为当温度为3030时，若只含有时，若只含有0.01536 kg/m0.01536 kg/m3 3水蒸气时，水蒸气时，则还有相当大的容纳水分的能力，而认为是比较干燥的空气。所以此时在实则还有相当大的容纳水分的能力，而认为是比较干燥的空气。所以此时在实际上常用际上常用相对湿度相对湿度来表示空气的干湿程度。来表示空气的干湿程度。物理参数物理参数17第17页，此课件共73页哦愈小愈小 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，其相对湿度如何变化？温度下降，其相对湿度如何变化？冷却到冷却到=1=1时？时？例：例：甲地：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：解：查附表查附表 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，故乙地的空气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，相对湿度逐渐增大，当达到：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100100时，时，此时的温度称为露点。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？物理参数物理参数18第18页，此课件共73页哦、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）称为空气的含湿）称为空气的含湿量。量。干空气的气体常数干空气的气体常数 R Rd d=287.041J/=287.041J/（kg*kkg*k）水蒸气的气体常数水蒸气的气体常数 R Rd d=461.393J/=461.393J/（kg*kkg*k）物理参数物理参数19第19页，此课件共73页哦物理参数物理参数井下空气湿度的变化规律井下空气湿度的变化规律进风路线进风路线回风路线回风路线采掘采掘工作工作面面湿湿度度夏夏冬冬 进风线路进风线路有可能出现有可能出现冬干夏湿冬干夏湿的的现象。进风井巷有淋水的情况除现象。进风井巷有淋水的情况除外。在采掘工作面和回风线路上，外。在采掘工作面和回风线路上，气温长年不变，湿度也长年不变，气温长年不变，湿度也长年不变，一般都接近一般都接近100100，随着矿井排出，随着矿井排出的污风，每昼夜可从矿井内带走的污风，每昼夜可从矿井内带走数吨甚至上百吨数吨甚至上百吨的地下水。的地下水。20第20页，此课件共73页哦物理参数物理参数四、焓四、焓 焓是一个复合的状态参数，它是内能u和压力功PV之和，焓也称热焓。单位质量物质的焓称为比焓（有时也将比焓简称为焓），即有：i=id+diV=1.0045t+d(2501+1.85t)实际应用焓-湿图（I-d)21第21页，此课件共73页哦水蒸气分压力（水蒸气分压力（102Pa）含湿量（含湿量（g/kg干空气）干空气）温温度度焓（焓（kJ/kgkJ/kg干空气）干空气）1213 14222324510150201512相对湿度相对湿度=60%=100%354045P=101325t=20=60%应用焓应用焓-湿图（湿图（i-d)求其他参数求其他参数焓焓i=42.5i=42.5水蒸气分压力水蒸气分压力=1380=1380含湿量含湿量=8.8=8.8湿球温度湿球温度=15=15露点露点=12=12当前温度下的饱和水蒸当前温度下的饱和水蒸气分压力气分压力=2300=2300物理参数物理参数i=1.0045t+d(2501+1.85t)22第22页，此课件共73页哦五、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层的接触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，流体具有的这一性质，称作流体以阻止相对运动，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。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，称为动力粘度动力粘度或或绝对粘度绝对粘度。其国际单位：。其国际单位：帕帕.秒，写作：秒，写作：Pa.SPa.S。运动粘度为：运动粘度为：V y物理参数物理参数23第23页，此课件共73页哦粘性取决于分子间的吸引力和热运动动量交换。温度升高 则分子间的吸引力降低，动量会增加。对于液体，分子间的吸引力为主要影响因素；对于气体，分子间热运动产生动量交换是决定性因素。物理参数物理参数温度是影响流体粘性主要因素温度是影响流体粘性主要因素五、粘性五、粘性24第24页，此课件共73页哦六、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、湿度等有关。湿空气密度为干空气密度和水蒸汽、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：密度之和，即：V V=Ps/461T =Ps/461T d d=(P-Ps)/287T=(P-Ps)/287T 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：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；为空气绝对温度，为相对湿度；为空气绝对温度，T=t+273,KT=t+273,K。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。物理参数物理参数25第25页，此课件共73页哦八、密度计算八、密度计算例例1 1：测知某巷道内空气压力为：测知某巷道内空气压力为P=100017PaP=100017Pa，干温度，干温度t td d=18.3,=18.3,湿湿温度为温度为t tw w=18.1,=18.1,求空气密度。求空气密度。解：解：经查可知：经查可知：=98%，Psat=2102Pa物理参数物理参数物理参数物理参数26第26页，此课件共73页哦第二节第二节 风流的能量与压力风流的能量与压力 能量与压力是通风工程中两个重要的基本概念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。压力可以理解为：单位体积空气所具有的能够对外作功。（N M/MN M/M3 3)J/mJ/m3 3一、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的分子动能的一部分转化的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能够对外作功的机械能够对外作功的机械能叫叫静压能，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，即单位面积上受到的垂直作用力。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。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多少。如说风流的压力为的多少。如说风流的压力为101332Pa101332Pa，则指风流，则指风流1m1m3 3具有具有101332J101332J的静压能。的静压能。能量压力能量压力27第27页，此课件共73页哦（）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绝对对压压力，用力，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)测得的压力称测得的压力称之为相对压力，即通常所说的表压力，用之为相对压力，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）三三者者之之间的关系：间的关系：h =P h =P P P0 0abPa真空P0Pbha(+)hb(-)P0能量压力能量压力28第28页，此课件共73页哦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）的重力位能。即：）的重力位能。即：E EPOPO=M.g.Z =M.g.Z 重力位能是一种潜在的能量，重力位能是一种潜在的能量，它只有通过计算得其大小它只有通过计算得其大小 是一个是一个相对值相对值 一般计算位能差。一般计算位能差。能量压力能量压力29第29页，此课件共73页哦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（）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。1 1两断面之间的位能差两断面之间的位能差：E Ep012p012=i i gdz gdzi i 思考：这个式子的物理意义是什么？思考：这个式子的物理意义是什么？何谓两个断面的位能差？何谓两个断面的位能差？位能差能这样计算吗？位能差能这样计算吗？dzi能量压力能量压力30第30页，此课件共73页哦（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。设设以以2-22-2断断面面为为基基准面：准面：1-1 1-1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。II II、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。思考：思考：什么是机械能？各断面机械能相等吗？什么是机械能？各断面机械能相等吗？1 1断面的机械能断面的机械能 能用能用 E EPO1PO1=1212.g.Z.g.Z1212 计算吗？计算吗？P P2 2=E=EPO1PO1+P+P1 1=1212.g.Z.g.Z1212+P+P1 1 这个关系式成立吗？这个关系式成立吗？切记：一定要把物理意义搞清楚，在此基础上才能推倒公式！切记：一定要把物理意义搞清楚，在此基础上才能推倒公式！否则后得出似是而非的结论！否则后得出似是而非的结论！dzi能量压力能量压力31第31页，此课件共73页哦（3)3)位能与静压的关系位能与静压的关系（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。但但位位能能差差为为定值。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，故故不不能能象象静静压压那那样样用用仪仪表表进进行直接测量。行直接测量。c.c.位位能能和和静静压压可可以以相相互互转转化化，在在进进行行能能量量转转化化时时遵遵循能量守恒定律。？循能量守恒定律。？（牵强）（牵强）dzi能量压力能量压力32第32页，此课件共73页哦3.3.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；其其动动能能所转化显现的压力叫所转化显现的压力叫动压动压或称或称速压速压，用符号，用符号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 iVV2 20.50.5 式中：式中：i i、v v：单位？：单位？E Evivi 的单位？的单位？kg/m kg/m3 3 m m2 2/s/s2 2=kg/(ms=kg/(ms2 2)N/(m/s)N/(m/s2 2/(ms/(ms2 2)=N/m)=N/m2 2=Pa=J/m=Pa=J/m3 3 （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）；当作用面与流动方向有夹角时，其感受到的动压值将小于动压真值。当作用面与流动方向有夹角时，其感受到的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，所所以以其其动动压压值不等。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。能量压力能量压力33第33页，此课件共73页哦（）全压（）全压 风道中任一点风流，静压和动压之和称之为该点风流的风道中任一点风流，静压和动压之和称之为该点风流的全压全压，即：，即：全压全压静压动压静压动压。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、无论正压通风还是负压通风，、无论正压通风还是负压通风，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。通风管道中流动的空气所具有的压力。通风管道中流动的风流的点压力可分为：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：P Ptiti=P=Pi i+h hvivi 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 。能量压力能量压力34第34页，此课件共73页哦hvhtb(-)hb(-)风流点压力间的关系风流点压力间的关系abPa真空真空P0Pbha(+)P0Ptahvhta(+)Ptb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能量压力能量压力P Ptata and P and Pa a P Po oh htata h ha a|h htb tb|=|h|=|hb b|h hv v 35第35页，此课件共73页哦例例题题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，风风筒筒外外与与i i点点同同标标高高的的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+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，风风筒筒外外与与i i点点同同标标高高的的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=100482Paii能量压力能量压力36第36页，此课件共73页哦三、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、补偿式微压计、水柱计、补偿式微压计、倾斜单管压差计。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能量压力能量压力37第37页，此课件共73页哦推导如图推导如图 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，胶皮管外的空气平均密度为的空气平均密度为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 Pi i+m mgzgz 能量压力能量压力hP0izP0 im mm m38第38页，此课件共73页哦 若若 m m m m 有有：水水 m m 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水柱高度水柱高度mmH2O能量压力