第3章矿井通风阻力PPT讲稿.ppt
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1、第第3章章 矿井通风阻力矿井通风阻力第1页,共59页,编辑于2022年,星期一2第第3章章 矿井通风阻力矿井通风阻力中国矿业大学多媒体教学课件第2页,共59页,编辑于2022年,星期一3上一章内容上一章内容第第2章章 矿内空气动力学基础矿内空气动力学基础 2.1 流体的概念流体的概念 2.2 风流能量与能量方程风流能量与能量方程 2.3 风流压力及压力坡度风流压力及压力坡度 第3页,共59页,编辑于2022年,星期一4上一章内容上一章内容学习目标学习目标学习目标学习目标 1 1、流体的概念、流体的概念、流体的概念、流体的概念 2 2、风流能量与能量方程、风流能量与能量方程、风流能量与能量方程、
2、风流能量与能量方程 3 3、风流压力及压力坡度、风流压力及压力坡度、风流压力及压力坡度、风流压力及压力坡度重点与难点重点与难点重点与难点重点与难点 1 1、点压力之间的关系、点压力之间的关系、点压力之间的关系、点压力之间的关系 2 2、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、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4页,共59页,编辑于2022年,星期一5第第3章章 矿井通风阻力矿井通风阻力风风流流必必须须具具有有一一定定的的能能量量,用用以以克克服服井井巷巷对对风风流流所所呈呈现现的的通通风风阻阻力力。通通常常矿矿井井通通风风阻阻力力分分为为摩摩擦擦阻阻力力与
3、与局局部部阻阻力力两两类类,它它们们与与风风流流的的流流动动状状态态有有关关。一一般般情情况况下下,摩摩擦擦阻阻力力是是矿矿井井通通风风总总阻阻力力的的主要组成部分。主要组成部分。第5页,共59页,编辑于2022年,星期一6第第3章章 矿井通风阻力矿井通风阻力第第3章章 矿井通风阻力矿井通风阻力 3.1 风流的流动状态风流的流动状态 3.2 摩擦阻力摩擦阻力 3.3 局部阻力局部阻力 3.4 通风阻力定律和特性通风阻力定律和特性 3.5 通风阻力测量通风阻力测量 第6页,共59页,编辑于2022年,星期一7学习目标、重点与难点学习目标、重点与难点学习目标学习目标学习目标学习目标1 1、风流的流
4、动状态风流的流动状态风流的流动状态风流的流动状态2 2、摩擦阻力摩擦阻力摩擦阻力摩擦阻力3 3 、局部阻力、局部阻力、局部阻力、局部阻力4 4 、通风阻力定律和特性、通风阻力定律和特性、通风阻力定律和特性、通风阻力定律和特性5 5、通风阻力测量、通风阻力测量、通风阻力测量、通风阻力测量重点与难点重点与难点重点与难点重点与难点1 1、摩擦阻力产生的原因和测算摩擦阻力产生的原因和测算摩擦阻力产生的原因和测算摩擦阻力产生的原因和测算2 2、局部阻力产生的原因和测算局部阻力产生的原因和测算局部阻力产生的原因和测算局部阻力产生的原因和测算第7页,共59页,编辑于2022年,星期一83.1 流体的概念流体
5、的概念 风风流流的的流流动动状状态态分分为为层层流流与与紊紊流流。层层流流是是指指流流体体各各层层的的质质点点互互不不混混合合,质质点点流流动动的的轨轨迹迹为为直直线线或或有有规规则则的的平平滑滑曲曲线线,并与管道轴线方向基本平行。并与管道轴线方向基本平行。紊紊流流是是指指流流体体的的质质点点强强烈烈互互相相混混合合,质质点点的的流流动动轨轨迹迹极极不不规规则则,除除了了沿沿流流动动总总方方向向发发生生位位移移外外,还还有有垂垂直直于于流流动动总总方方向的位移,且在流体内部存在着时而产生、时而消失的旋涡。向的位移,且在流体内部存在着时而产生、时而消失的旋涡。流体的流动状态受流体的速度、粘性和管
6、道尺寸等影响。流体的流动状态受流体的速度、粘性和管道尺寸等影响。流体的速度越大,粘性越小,管道的尺寸越大,则流体越流体的速度越大,粘性越小,管道的尺寸越大,则流体越易成为紊流,反之,越易成为层流。易成为紊流,反之,越易成为层流。第8页,共59页,编辑于2022年,星期一9可用一个无因次参数可用一个无因次参数Re(雷诺数)来表示上述三因素的综合(雷诺数)来表示上述三因素的综合作用,对于圆形管道作用,对于圆形管道 (3-1-1)式中式中 V为管道中流体的平均速度,为管道中流体的平均速度,m/s;d为圆形管道的直径,为圆形管道的直径,m;v为流体的运动粘性系数,与流体的温度、压力有关。为流体的运动粘
7、性系数,与流体的温度、压力有关。设设r为流体的水力半径,指流体的断面为流体的水力半径,指流体的断面S(m2)与流体的周界)与流体的周界U(m)之比,即)之比,即r S/U,m。因风流充满管道,故在直径为。因风流充满管道,故在直径为d的圆形管道中,风流的水力半径为:的圆形管道中,风流的水力半径为:,或,或 ,m (3-2-2)代入(代入(3-1-1)式,得出用于非圆形巷道风流雷诺数的计算式)式,得出用于非圆形巷道风流雷诺数的计算式为:为:(3-1-3)式中式中 S为巷道的断面,为巷道的断面,m2;U为巷道的周界,为巷道的周界,m。第9页,共59页,编辑于2022年,星期一10据前人的实验,水流在
8、各种粗糙壁面、平直的圆管内流动,当据前人的实验,水流在各种粗糙壁面、平直的圆管内流动,当时,水流呈层流状态;约在时,水流开始向紊流过渡,故称时,水流呈层流状态;约在时,水流开始向紊流过渡,故称2000为临界雷诺数;当时,水流呈完全紊流。把这些数值近为临界雷诺数;当时,水流呈完全紊流。把这些数值近似应用于风流,便可大致估计出风流在各种流态下的平均风速。似应用于风流,便可大致估计出风流在各种流态下的平均风速。例如某巷道的断面例如某巷道的断面S2.5 m2,周界,周界U6.58 m,风流的,风流的14.4106 m2/s。则用(。则用(3-1-3)式估算出风流开始向紊流过)式估算出风流开始向紊流过渡
9、的平均风速为:渡的平均风速为:井巷中最低风速都在井巷中最低风速都在0.150.25 m/s以上,且大多数井巷的断以上,且大多数井巷的断面都大于面都大于2.5 m2,故大多数井巷中的风流不会出现层流,只,故大多数井巷中的风流不会出现层流,只有风速很小的漏风风流,才可能出现层流。又如在上例中,有风速很小的漏风风流,才可能出现层流。又如在上例中,Re100000时,该巷道内风流呈现完全紊流的平均风速约为:时,该巷道内风流呈现完全紊流的平均风速约为:V1000006.5814.410-6/(42.5)0.95 m/s.第10页,共59页,编辑于2022年,星期一113.2 摩擦阻力摩擦阻力3.2.1
10、摩擦阻力的意义和理论基础摩擦阻力的意义和理论基础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,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,引起内外摩擦而产生的阻力称作引起内外摩擦而产生的阻力称作摩擦阻力摩擦阻力。所谓均匀流动是指。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。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,摩擦阻力流态不同的风流,摩擦阻力hf r的产生情况和大小也不同。的产生情况和大小也不同。前人实验得出水流在圆管中的沿程阻力公式是:前人实验得出水流在圆管中的沿程阻力公式是:式中式中为实验比例系数,无因次;为实
11、验比例系数,无因次;为水流的密度,为水流的密度,kg/m3;L为圆管的长度,为圆管的长度,m;d为圆管的直径,为圆管的直径,m;V为圆管内水流的平为圆管内水流的平均速度,均速度,m/s。上式是矿井风流摩擦阻力计算式的基础,它对于不同流态的风上式是矿井风流摩擦阻力计算式的基础,它对于不同流态的风流都能应用,只是流态不同时,式中流都能应用,只是流态不同时,式中的实验表达式不同。的实验表达式不同。第11页,共59页,编辑于2022年,星期一12又据前人在壁面能分别胶结各种粗细砂粒的圆管中,实验得出又据前人在壁面能分别胶结各种粗细砂粒的圆管中,实验得出流态不同的水流,流态不同的水流,系数和管壁的粗糙度
12、、系数和管壁的粗糙度、Re的关系。实验是的关系。实验是用管壁平均突起的高度(即砂粒的平均直径)用管壁平均突起的高度(即砂粒的平均直径)k(m)和管道)和管道的直径的直径d(m)之比来表示管壁的相对光滑度。并用阀门不断)之比来表示管壁的相对光滑度。并用阀门不断改变管内水流的速度,实验结果如图改变管内水流的速度,实验结果如图3-2-1所示,图中表明以所示,图中表明以下几种情况:下几种情况:(1)在)在lg Re 3.3(即(即Re 2000)以下,即当流体作层流运)以下,即当流体作层流运动时,由左边斜线可以看出,相对光滑度不同的所有试验点都动时,由左边斜线可以看出,相对光滑度不同的所有试验点都分布
13、于其上,分布于其上,随随Re的增加而减少,且与管道的相对光滑度无的增加而减少,且与管道的相对光滑度无关,此时,关,此时,与与Re的关系式为:的关系式为:=64/Re (3-2-2)(2)在)在3.3 lgRe 5.0(即(即2000Re100000)的范围内,)的范围内,即当流体由层流到紊流再到完全紊流的中间过渡状态时,即当流体由层流到紊流再到完全紊流的中间过渡状态时,系系数既和数既和Re有关,又和管壁的相对光滑度有关。有关,又和管壁的相对光滑度有关。第12页,共59页,编辑于2022年,星期一13(3)在)在lgRe5.0(即(即Re100000)以上,即当流体作完全紊)以上,即当流体作完全
14、紊流状态流动时,流状态流动时,系数和系数和Re无关,只和管壁的相对光滑度有关,无关,只和管壁的相对光滑度有关,管壁的相对光滑度越大,管壁的相对光滑度越大,值越小。其实验式为值越小。其实验式为 (3-2-3)第13页,共59页,编辑于2022年,星期一14图图3-2-1尼古拉茨实验图尼古拉茨实验图 第14页,共59页,编辑于2022年,星期一15在紊流状态下,流体的能量损失大大超过层流状态。在层流状在紊流状态下,流体的能量损失大大超过层流状态。在层流状态下,能量只损失在速度不同的流体层间的内摩擦力方面,而态下,能量只损失在速度不同的流体层间的内摩擦力方面,而在紊流状态下,除这种损失外还有消耗在因
15、流体质点相互混杂、在紊流状态下,除这种损失外还有消耗在因流体质点相互混杂、能量交换而引起的附加损失,当雷诺数增加到一定程度时,这能量交换而引起的附加损失,当雷诺数增加到一定程度时,这种附加损失将急剧增大到主导地位。种附加损失将急剧增大到主导地位。如图如图3-2-2所示,紊流的结构可分为层流边层、过渡层和紊流所示,紊流的结构可分为层流边层、过渡层和紊流区三个组成部分。区三个组成部分。紊流区又称紊流核,是紊流的主体,层流区流速很小或接近于紊流区又称紊流核,是紊流的主体,层流区流速很小或接近于零。随着雷诺数增大,层流边层的厚度减薄,以至不能遮盖管零。随着雷诺数增大,层流边层的厚度减薄,以至不能遮盖管
16、壁的突起高度,管壁粗糙度即对流动阻力发生影响。当,流体壁的突起高度,管壁粗糙度即对流动阻力发生影响。当,流体呈完全紊流和层流边层厚度趋于零时,则如(呈完全紊流和层流边层厚度趋于零时,则如(3-2-3)式所示,)式所示,值只决定于管壁的值只决定于管壁的相对粗糙度,而与相对粗糙度,而与Re无关。无关。第15页,共59页,编辑于2022年,星期一16 例:某巷道的断面例:某巷道的断面S2.5m2,周界,周界U6.58m,风流的,风流的14.4106m2/s,试计算出风流开始出现紊流时的,试计算出风流开始出现紊流时的平均风速?平均风速?解:当风流开始出现紊流时,则其解:当风流开始出现紊流时,则其Re2
17、000,当完,当完全紊流时,全紊流时,Re100000,因此:,因此:由由于于煤煤矿矿中中大大部部分分巷巷道道的的断断面面均均大大于于2.5m2,井井下下巷巷道道中中的的最最低低风风速速均均在在0.25米米/秒秒以以上上,所所以以说说井井巷巷中中的的风流大部为紊流,很少为层流。风流大部为紊流,很少为层流。第16页,共59页,编辑于2022年,星期一173.2 摩擦阻力摩擦阻力3.2.2 完全紊流状态下的摩擦阻力定律完全紊流状态下的摩擦阻力定律 前面谈到,井下多数风流属于完全紊流状态,故下面重点讨论完全紊前面谈到,井下多数风流属于完全紊流状态,故下面重点讨论完全紊流状态下的摩擦阻力。把上面流状态
18、下的摩擦阻力。把上面(3-2-2)式代入式代入(3-2-1)式,得式,得 ,Pa (3-2-4)因矿井空气密度变化不大,而且对于尺度和支护已定型的井巷,其壁面因矿井空气密度变化不大,而且对于尺度和支护已定型的井巷,其壁面的相对光滑度是定值,则在完全紊流状态下,值是常数。把上式中的用的相对光滑度是定值,则在完全紊流状态下,值是常数。把上式中的用一个系数来表示,即一个系数来表示,即 (3-2-5)此系数称为摩擦阻力系数。在完全紊流状态下,井巷的值只受此系数称为摩擦阻力系数。在完全紊流状态下,井巷的值只受 、或或 的影响。对于尺寸和支护已定型的井巷,值只与的影响。对于尺寸和支护已定型的井巷,值只与
19、或或 成正比。成正比。将(将(3-2-5)代入()代入(3-2-4)式,得)式,得 ,Pa (3-2-6若通过井巷的风量为若通过井巷的风量为Q(),则(),则V=Q/S,代入上式,得,代入上式,得第17页,共59页,编辑于2022年,星期一18由于矿井中巷道的长度,周界及摩擦阻力系数在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。巷道形成后一般变化较小,可看作常数。再令:再令:Rfr为巷道的摩擦风阻。为巷道的摩擦风阻。这时:这时:这就是完全紊流情况下的摩擦阻力定律。当巷道风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。阻一定时
20、,摩擦阻力与风量的平方成正比。第18页,共59页,编辑于2022年,星期一19 井巷摩擦阻力的计算井巷摩擦阻力的计算例例1 某某梯梯形形木木支支架架煤煤巷巷,长长200米米,断断面面积积为为4m2,沿沿断断面面的的周周长长为为8.3m,巷巷道道摩摩擦擦阻阻力力系系数数通通过过查查表表得得到到的的 标标 准准 值值 为为 0.018Ns2/m4,若若 通通 过过 巷巷 通通 的的 风风 量量 为为960m3/min,试求其摩擦阻力,试求其摩擦阻力?解:解:答:该巷道的摩擦阻力为答:该巷道的摩擦阻力为119.5Pa。应应当当注注意意,巷巷道道的的值值随随的的改改变变而而改改变变,在在高高原原地地区
21、,空气稀薄,当地的区,空气稀薄,当地的值需进行校正。校正式如下:值需进行校正。校正式如下:第19页,共59页,编辑于2022年,星期一203.2.3 层流状态下的摩擦阻力定律层流状态下的摩擦阻力定律第20页,共59页,编辑于2022年,星期一213.2.4 摩擦阻力的计算方法摩擦阻力的计算方法 完全紊流状态下井巷的摩擦阻力的计算是新矿井通风设计完全紊流状态下井巷的摩擦阻力的计算是新矿井通风设计的重要依据。的重要依据。即按照所设计的井巷长度、周界、净断面积、支护方式和要求即按照所设计的井巷长度、周界、净断面积、支护方式和要求通过的风量,以及其中有无提升运输设备等,用查表法选定该通过的风量,以及其
22、中有无提升运输设备等,用查表法选定该井巷的摩擦阻力系数值,然后用井巷的摩擦阻力系数值,然后用(3-2-8)或或(3-2-10)式计算该井式计算该井巷的摩擦阻力。巷的摩擦阻力。确定值的查表法是从前人实验或实测所归纳出来的表确定值的查表法是从前人实验或实测所归纳出来的表3-2-1表表3-2-15中查出适合该井巷的标准值中查出适合该井巷的标准值(指空气密度为指空气密度为1.2 kgm3的值,的值,Ns2m4)。对于平原地区的新矿井通风设计,可。对于平原地区的新矿井通风设计,可用此标准值进行计算。用此标准值进行计算。第21页,共59页,编辑于2022年,星期一223.2.5 降低摩擦阻力的措施降低摩擦
23、阻力的措施井巷通风阻力是引起风压损失的主要根源,因此降低井巷通风井巷通风阻力是引起风压损失的主要根源,因此降低井巷通风阻力,特别是降低摩擦阻力就能用较少的风压消耗而通过较多阻力,特别是降低摩擦阻力就能用较少的风压消耗而通过较多的风量。许多原来是阻力大,通风困难的矿井,经降低阻力后的风量。许多原来是阻力大,通风困难的矿井,经降低阻力后即变为阻力小、通风容易的矿井。即变为阻力小、通风容易的矿井。根据根据hfr(LU/S3)Q2的关系式可以看出,保证一定风的关系式可以看出,保证一定风量,降低摩擦阻力的方法就是降低摩擦风阻,根据影响量,降低摩擦阻力的方法就是降低摩擦风阻,根据影响Rfr的的各因素,降低
24、摩擦阻力的主要措施有:各因素,降低摩擦阻力的主要措施有:第22页,共59页,编辑于2022年,星期一23 1降低降低 Rfr与与成正比,而成正比,而主要决定于巷道粗糙度,因此主要决定于巷道粗糙度,因此降低降低,就应尽量使巷道光滑。当采用棚子支护巷道时,要很,就应尽量使巷道光滑。当采用棚子支护巷道时,要很好地刹帮背顶,在无支护的巷道,要注意尽可能把顶底板及两好地刹帮背顶,在无支护的巷道,要注意尽可能把顶底板及两帮修整好;对于井下的主要巷道,在采用料石或混凝土砌璇,帮修整好;对于井下的主要巷道,在采用料石或混凝土砌璇,特别是采用锚杆支护技术时,更能有效地使特别是采用锚杆支护技术时,更能有效地使系数
25、减小。系数减小。2扩大巷道断面扩大巷道断面S 因因Rfr与与S3成反比,所以扩大巷道断面成反比,所以扩大巷道断面有时成为降低摩擦阻力的主要措施。由于摩擦阻力又与风量的有时成为降低摩擦阻力的主要措施。由于摩擦阻力又与风量的平方成正比,因此在采用这种措施时,应抓主要矛盾,即首先平方成正比,因此在采用这种措施时,应抓主要矛盾,即首先应考虑风量大、断面小的总回风道的扩大,其次再考虑其它巷应考虑风量大、断面小的总回风道的扩大,其次再考虑其它巷道的扩大。道的扩大。第23页,共59页,编辑于2022年,星期一24 3减少周界长减少周界长U Rfr与与U成正比,在断面积相等的条件下,成正比,在断面积相等的条件
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