【采礦課件】第五章通風(fēng)網(wǎng)路中風(fēng)量的分配

1、第五章 通風(fēng)網(wǎng)路中風(fēng)量的分配礦井空氣在井巷中流動(dòng)時(shí)，風(fēng)流分岔、匯合線路的結(jié)構(gòu)形式，稱為通風(fēng)網(wǎng)路。用直觀的幾何圖形來表示通風(fēng)網(wǎng)路就得到通風(fēng)網(wǎng)路圖。通風(fēng)網(wǎng)路中各風(fēng)路的風(fēng)量是按各自風(fēng)阻的大小自然分配的。本章將介紹礦井通風(fēng)網(wǎng)路圖的繪制、通風(fēng)網(wǎng)路的基本形式與特性、風(fēng)量分配的基本定律、復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)路解算的方法及計(jì)算機(jī)解算通風(fēng)網(wǎng)路軟件與應(yīng)用。第一節(jié) 通風(fēng)網(wǎng)路及礦井通風(fēng)網(wǎng)路圖一、通風(fēng)網(wǎng)路的基本術(shù)語和概念在通風(fēng)網(wǎng)路中，常用到以下一些術(shù)語：分支分支是指表示一段通風(fēng)井巷的有向線段，線段的方向代表井巷風(fēng)流的方向。每條分支可有一個(gè)編號，稱為分支號。如圖5-1中的每一條線段就代表一條分支。用井巷的通風(fēng)參數(shù)如風(fēng)阻、風(fēng)量和風(fēng)壓

2、等，可對分支賦權(quán)。不表示實(shí)際井巷的分支，如圖5-1中的連接進(jìn)、回風(fēng)井口的地面大氣分支8，可用虛線表示。 圖5-1 簡單通風(fēng)網(wǎng)路圖節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)是指兩條或兩條以上分支的交點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有唯一的編號，稱為節(jié)點(diǎn)號。在網(wǎng)路圖中用圓圈加節(jié)點(diǎn)號表示節(jié)點(diǎn)，如圖5-1 中的均為節(jié)點(diǎn)。回路由兩條或兩條以上分支首尾相連形成的閉合線路，稱為回路。單一一個(gè)回路（其中沒有分支），該回路又稱網(wǎng)孔。如圖5-1 中，1-2-5-7-8、2-5-6-3和4-5-6等都是回路，其中4-5-6是網(wǎng)孔，而2-5-6-3不是網(wǎng)孔，因?yàn)槠浠芈分杏蟹种?。樹由包含通風(fēng)網(wǎng)路圖的全部節(jié)點(diǎn)且任意兩節(jié)點(diǎn)間至少有一條通路和不形成回路的部分分支構(gòu)成的一類特殊

3、圖，稱為樹；由網(wǎng)路圖余下的分支構(gòu)成的圖，稱為余樹。如圖5-2所示各圖中的實(shí)線圖和虛線圖就分別表示圖5-1的樹和余樹。可見，由同一個(gè)網(wǎng)路圖生成的樹各不相同。組成樹的分支稱為樹枝，組成余樹的分支稱為余樹枝。一個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)為m，分支數(shù)為n的通風(fēng)網(wǎng)路的余樹枝數(shù)為nm1。圖5-2 樹和余樹獨(dú)立回路由通風(fēng)網(wǎng)路圖的一棵樹及其余樹中的一條余樹枝形成的回路，稱為獨(dú)立回路。如圖5-2（a）中的樹與余樹枝5、2、3可組成的三個(gè)獨(dú)立回路分別是：5-6-4、2-4-6-7-8-1和3-6-7-8-1。由nm1條余樹枝可形成nm1個(gè)獨(dú)立回路。二、通風(fēng)網(wǎng)路圖的繪制不按比例、不反映空間關(guān)系的礦井通風(fēng)網(wǎng)路圖，能清楚地反映風(fēng)流的方向

4、和分合關(guān)系，便于進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)路解算和通風(fēng)系統(tǒng)分析，是礦井通風(fēng)管理的重要圖件之一。通風(fēng)網(wǎng)路圖的形狀是可以變化的。為了更清晰地表達(dá)通風(fēng)系統(tǒng)中各井巷間的聯(lián)接關(guān)系及其通風(fēng)特點(diǎn)，通風(fēng)網(wǎng)路圖的節(jié)點(diǎn)可以移位，分支可以曲直伸縮。通常，習(xí)慣上把通風(fēng)網(wǎng)路圖總的形狀畫成“橢圓”形。繪制礦井通風(fēng)網(wǎng)路圖，一般可按如下步驟進(jìn)行：節(jié)點(diǎn)編號 在礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖上，沿風(fēng)流方向?qū)⒕镲L(fēng)流的分合點(diǎn)加以編號。編號順序通常是沿風(fēng)流方向從小到大，亦可按系統(tǒng)、按翼分開編號。節(jié)點(diǎn)編號不能重復(fù)且要保持連續(xù)性。分支連線 將有風(fēng)流連通的節(jié)點(diǎn)用單線條（直線或弧線）連接。圖形整理 通風(fēng)網(wǎng)路圖的形狀不是唯一的。在正確反映風(fēng)流分合關(guān)系的前提下，把圖形畫得簡明

5、、清晰、美觀。標(biāo)注 除標(biāo)出各分支的風(fēng)向、風(fēng)量外，還應(yīng)將進(jìn)回風(fēng)井、用風(fēng)地點(diǎn)、主要漏風(fēng)地點(diǎn)及主要通風(fēng)設(shè)施等加以標(biāo)注，并以圖例說明。繪制通風(fēng)網(wǎng)路圖的一般原則如下：某些距離相近的節(jié)點(diǎn)，其間風(fēng)阻很小時(shí)，可簡化為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。風(fēng)壓較小的局部網(wǎng)路，可并為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。如井底車場等。同標(biāo)高的各進(jìn)風(fēng)井口與回風(fēng)井口可視為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。用風(fēng)地點(diǎn)并排布置在網(wǎng)路圖的中部；進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)和回風(fēng)系統(tǒng)分別布置在圖的下部和上部；進(jìn)、回風(fēng)井口節(jié)點(diǎn)分別位于圖的最下端和最上端。分支方向（除地面大氣分支）基本應(yīng)由下而上。分支間的交叉盡可能少。節(jié)點(diǎn)間應(yīng)有一定的間距。例5-1 如圖5-3所示為某礦通風(fēng)系統(tǒng)示意圖，試?yán)L出該礦的通風(fēng)網(wǎng)路圖。 圖5-3 礦井通風(fēng)

6、系統(tǒng)示意圖解：圖中所示礦井兩翼各布置一個(gè)采區(qū)，共有6個(gè)采煤工作面和4個(gè)掘進(jìn)頭；獨(dú)立通風(fēng)硐室共有7個(gè)。礦井漏風(fēng)主要考慮4處風(fēng)門漏風(fēng)。根據(jù)上述繪制網(wǎng)路圖的一般步驟與一般原則，繪制的礦井通風(fēng)網(wǎng)路圖如圖5-4所示。繪制過程簡述如下：（）在通風(fēng)系統(tǒng)示意圖上標(biāo)注節(jié)點(diǎn)。距離較近且無通風(fēng)設(shè)施等處可并為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖5-3中的5、13、14等處；1和3之間也可不取節(jié)點(diǎn)2；進(jìn)、回風(fēng)井口可視為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。（）確定主要用風(fēng)地點(diǎn)。在網(wǎng)路圖中可用長方形方框表示用風(fēng)點(diǎn)，框內(nèi)填寫相應(yīng)的名稱，如圖5-4中所示的采、掘工作面、獨(dú)立通風(fēng)各硐室等。將它們在網(wǎng)路圖中部“一”字形排開。（）確定進(jìn)風(fēng)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)用風(fēng)地點(diǎn)的遠(yuǎn)近，布置在用風(fēng)點(diǎn)的下

7、部并一一標(biāo)明清楚。（）確定回風(fēng)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)用風(fēng)地點(diǎn)的遠(yuǎn)近，布置在用風(fēng)點(diǎn)的上部并一一標(biāo)明清楚。（）節(jié)點(diǎn)連線。連接風(fēng)流相通的節(jié)點(diǎn)，可先連進(jìn)風(fēng)節(jié)點(diǎn)至用風(fēng)點(diǎn)；再連回風(fēng)節(jié)點(diǎn)至用風(fēng)點(diǎn)；然后連各進(jìn)、回風(fēng)節(jié)點(diǎn)間的線路。各步連線方向基本一致，總體方向從下向上。（）按（2）（5）繪出網(wǎng)路圖草圖，檢查分合關(guān)系無誤后，開始整理圖形。調(diào)整好各節(jié)點(diǎn)與用風(fēng)地點(diǎn)的位置，使整體布局趨于合理。此步較費(fèi)力，需耐心反復(fù)修改直至滿意為止。（）最后標(biāo)注主要通風(fēng)設(shè)施。主通風(fēng)機(jī)和局部通風(fēng)機(jī)型號及其它通風(fēng)參數(shù)等本圖不作標(biāo)示。圖5-4 礦井通風(fēng)網(wǎng)路圖 第二節(jié) 簡單通風(fēng)網(wǎng)路及其性質(zhì)通風(fēng)網(wǎng)路可分為簡單通風(fēng)網(wǎng)路和復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)路兩種。僅由串聯(lián)和并聯(lián)組成的網(wǎng)

8、路，稱為簡單通風(fēng)網(wǎng)路。含有角聯(lián)分支，通常是包含多條角聯(lián)分支的網(wǎng)路，稱為復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)路。通風(fēng)網(wǎng)路中各分支的基本聯(lián)接形式有串聯(lián)、并聯(lián)和角聯(lián)三種，不同的聯(lián)接形式具有不同的的通風(fēng)特性和安全效果。一、串聯(lián)通風(fēng)及其特性兩條或兩條以上風(fēng)路彼此首尾相連在一起，中間沒有風(fēng)流分合點(diǎn)時(shí)的通風(fēng)，稱為串聯(lián)通風(fēng)，如圖5-5所示。串聯(lián)通風(fēng)也稱為“一條龍”通風(fēng)，其特性如下：圖5-5 串聯(lián)風(fēng)路1 串聯(lián)風(fēng)路的總風(fēng)量等于各段風(fēng)路的分風(fēng)量，即，m3/s （5-1）2 串聯(lián)風(fēng)路的總風(fēng)壓等于各段風(fēng)路的分風(fēng)壓之和，即，Pa （5-2）3 串聯(lián)風(fēng)路的總風(fēng)阻等于各段風(fēng)路的分風(fēng)阻之和。根據(jù)通風(fēng)阻力定律，公式（5-2）可寫成：因?yàn)?所以 ，Ns2/

9、m8 （5-3）4 串聯(lián)風(fēng)路的總等積孔平方的倒數(shù)等于各段風(fēng)路等積孔平方的倒數(shù)之和。由，得，將其代入公式（5-3）并整理得： （5-4）或 ，m2 （5-5） 二、并聯(lián)通風(fēng)及其特性兩條或兩條以上的分支在某一節(jié)點(diǎn)分開后，又在另一節(jié)點(diǎn)匯合，其間無交叉分支時(shí)的通風(fēng)，稱為并聯(lián)通風(fēng)，如圖5-6所示。并聯(lián)網(wǎng)路的特性如下： 圖5-6 并聯(lián)網(wǎng)路1 并聯(lián)網(wǎng)路的總風(fēng)量等于并聯(lián)各分支風(fēng)量之和，即，m3/s （5-6）2 并聯(lián)網(wǎng)路的總風(fēng)壓等于任一并聯(lián)分支的風(fēng)壓，即，Pa （5-7）3 并聯(lián)網(wǎng)路的總風(fēng)阻平方根的倒數(shù)等于并聯(lián)各分支風(fēng)阻平方根的倒數(shù)之和。由，得Q，將其代入公式（5-6）得：因?yàn)?所以 （5-8）或 ，Ns2/

10、m8 （5-9）當(dāng)時(shí)，則，Ns2/m8 （5-10）4 并聯(lián)網(wǎng)路的總等積孔等于并聯(lián)各分支等積孔之和。由，得，將其代入公式（5-8），得：，m2 （5-11）5 并聯(lián)網(wǎng)路的風(fēng)量自然分配（1）風(fēng)量自然分配的概念在并聯(lián)網(wǎng)路中，其總風(fēng)壓等于各分支風(fēng)壓，即亦即 由上式可以得出如下各關(guān)系式：，m3/s （5-12），m3/s （5-13），m3/s （5-14）上述關(guān)系式表明：當(dāng)并聯(lián)網(wǎng)路的總風(fēng)量一定時(shí)，并聯(lián)網(wǎng)路的某分支所分配得到的風(fēng)量取決于并聯(lián)網(wǎng)路總風(fēng)阻與該分支風(fēng)阻之比。風(fēng)阻大的分支自然流入的風(fēng)量小，風(fēng)阻小的分支自然流入的風(fēng)量大。這種風(fēng)量按并聯(lián)各分支風(fēng)阻值的大小自然分配的性質(zhì)，稱之為風(fēng)量的自然分配，也是并

11、聯(lián)網(wǎng)路的一種特性。（2）自然分配風(fēng)量的計(jì)算 根據(jù)并聯(lián)網(wǎng)路中各分支的風(fēng)阻，計(jì)算各分支自然分配的風(fēng)量。可將公式（5-9）依次代入前述關(guān)系式（5-12）、（5-13）和（5-14）中，整理后得各分支分配的風(fēng)量計(jì)算公式如下：，m3/s （5-15），m3/s （5-16），m3/s （5-17）當(dāng)時(shí)，則，m3/s （5-18）計(jì)算并聯(lián)網(wǎng)路各分支自然分配的風(fēng)量，也可根據(jù)并聯(lián)網(wǎng)路中各分支的等積孔進(jìn)行計(jì)算。將依次代入前述關(guān)系式（5-12）、（5-13）和（5-14）中，整理后可得各分支分配的風(fēng)量計(jì)算公式如下：，m3/s （5-19），m3/s （5-20），m3/s （5-21）綜合上述，在計(jì)算并聯(lián)網(wǎng)路中各

12、分支自然分配的風(fēng)量時(shí)，可根據(jù)給定的條件，選擇公式，以方便計(jì)算。三、串聯(lián)與并聯(lián)的比較在礦井通風(fēng)網(wǎng)路中，既有串聯(lián)通風(fēng)，又有并聯(lián)通風(fēng)。礦井的進(jìn)、回風(fēng)風(fēng)路多為串聯(lián)通風(fēng)，而工作面與工作面之間多為并聯(lián)通風(fēng)。從安全、可靠和經(jīng)濟(jì)角度看，并聯(lián)通風(fēng)與串聯(lián)通風(fēng)相比，具有明顯優(yōu)點(diǎn)：1 總風(fēng)阻小，總等積孔大，通風(fēng)容易，通風(fēng)動(dòng)力費(fèi)用少?，F(xiàn)舉例分析 ：假設(shè)有兩條風(fēng)路1和2，其風(fēng)阻，通過的風(fēng)量，故有風(fēng)壓。現(xiàn)將它們分別組成串聯(lián)風(fēng)路和并聯(lián)網(wǎng)路，如圖5-7所示。各參數(shù)比較如下：圖5-7 串聯(lián)與并聯(lián)通風(fēng)比較（1）總風(fēng)量比較串聯(lián)時(shí)： 并聯(lián)時(shí)： 故 （2）總風(fēng)阻比較串聯(lián)時(shí)： 并聯(lián)時(shí)： 故 （3）總風(fēng)壓比較串聯(lián)時(shí)： 并聯(lián)時(shí)： 故 通過上述

13、比較可明顯看出，在兩條風(fēng)路通風(fēng)條件完全相同的情況下，并聯(lián)網(wǎng)路的總風(fēng)阻僅為串聯(lián)風(fēng)路總風(fēng)阻的；并聯(lián)網(wǎng)路的總風(fēng)壓為串聯(lián)風(fēng)路總風(fēng)壓的，也就是說并聯(lián)通風(fēng)比串聯(lián)通風(fēng)的通風(fēng)動(dòng)力要節(jié)省一半，而總風(fēng)量卻大了一倍。這充分說明：并聯(lián)通風(fēng)比串聯(lián)通風(fēng)經(jīng)濟(jì)得多。2并聯(lián)各分支獨(dú)立通風(fēng)，風(fēng)流新鮮，互不干擾，有利于安全生產(chǎn)；而串聯(lián)時(shí)，后面風(fēng)路的入風(fēng)是前面風(fēng)路排出的污風(fēng)，風(fēng)流不新鮮，空氣質(zhì)量差，不利于安全生產(chǎn)。3并聯(lián)各分支的風(fēng)量，可根據(jù)生產(chǎn)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)；而串聯(lián)各風(fēng)路的風(fēng)量則不能進(jìn)行調(diào)節(jié)，不能有效地利用風(fēng)量。4并聯(lián)的某一分支風(fēng)路中發(fā)生事故，易于控制與隔離，不致影響其它分支巷道，事故波及范圍小，安全性好；而串聯(lián)的某一風(fēng)路發(fā)生事故，容

14、易波及整個(gè)風(fēng)路，安全性差。所以，規(guī)程強(qiáng)調(diào)：井下各個(gè)生產(chǎn)水平和各個(gè)采區(qū)必須實(shí)行分區(qū)通風(fēng)（并聯(lián)通風(fēng)）；各個(gè)采、掘工作面應(yīng)實(shí)行獨(dú)立通風(fēng)，限制采用串聯(lián)通風(fēng)。四、角聯(lián)通風(fēng)及其特性在并聯(lián)的兩條分支之間，還有一條或幾條分支相通的連接形式稱為角聯(lián)網(wǎng)路（通風(fēng)），如圖5-8所示。連接于并聯(lián)兩條分支之間的分支稱為角聯(lián)分支，如圖5-8中的分支5為角聯(lián)分支。僅有一條角聯(lián)分支的網(wǎng)路稱為簡單角聯(lián)網(wǎng)路；含有兩條或兩條以上角聯(lián)分支的網(wǎng)路稱為復(fù)雜角聯(lián)網(wǎng)路，如圖5-9所示。角聯(lián)網(wǎng)路的特性是：角聯(lián)分支的風(fēng)流方向是不穩(wěn)定的。現(xiàn)以圖5-8所示的簡單角聯(lián)網(wǎng)路為例，分析其角聯(lián)分支5中的風(fēng)流方向變化可能出現(xiàn)的三種情況： 圖5-8 簡單角聯(lián)網(wǎng)路

15、 圖5-9 復(fù)雜角聯(lián)網(wǎng)路1 角聯(lián)分支5中無風(fēng)流當(dāng)分支5中無風(fēng)時(shí)，、兩節(jié)點(diǎn)的總壓力相等，即又、兩節(jié)點(diǎn)的總壓力差等于分支1的風(fēng)壓，即 、兩節(jié)點(diǎn)的總壓力差等于分支3的風(fēng)壓，即故 同理可得 則 亦即 又 ，得 所以 （5-22）式（5-22）即為角聯(lián)分支5中無風(fēng)流通過的判別式。2 角聯(lián)分支5中風(fēng)向由當(dāng)分支5中風(fēng)向由時(shí)，節(jié)點(diǎn)的總壓力大于節(jié)點(diǎn)的總壓力，即又知 則 即 同理可得 即 將上述兩不等式相乘，并整理得 又知 ，所以 即 （5-23）式（5-23）即為角聯(lián)分支5中風(fēng)向由的判別式。3 角聯(lián)分支5中風(fēng)向由同理可推導(dǎo)出角聯(lián)分支5中風(fēng)向由的判別式 （5-24）由上述三個(gè)判別式可以看出，簡單角聯(lián)網(wǎng)路中角聯(lián)分支

16、的風(fēng)向完全取決于兩側(cè)各鄰近風(fēng)路的風(fēng)阻比，而與其本身的風(fēng)阻無關(guān)。通過改變角聯(lián)分支兩側(cè)各鄰近風(fēng)路的風(fēng)阻，就可以改變角聯(lián)分支的風(fēng)向?？梢?，角聯(lián)分支一方面具有容易調(diào)節(jié)風(fēng)向的優(yōu)點(diǎn)，另一方面又有出現(xiàn)風(fēng)流不穩(wěn)定的可能性。角聯(lián)分支風(fēng)流的不穩(wěn)定不僅容易引發(fā)礦井災(zāi)害事故，而且可能使事故影響范圍擴(kuò)大。如圖5-8所示，當(dāng)風(fēng)門未關(guān)上使減小，或分支巷道4中某處發(fā)生冒頂或堆積材料過多使增大，這時(shí)因改變了巷道的風(fēng)阻比，可能會使角聯(lián)分支5中無風(fēng)或風(fēng)流，從而導(dǎo)致兩工作面完全串聯(lián)通風(fēng)或上工作面風(fēng)量不足而使其瓦斯?jié)舛仍黾釉斐赏咚故鹿省４送?，在發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)，由于角聯(lián)分支的風(fēng)流反向可能使火災(zāi)煙流蔓延而擴(kuò)大了災(zāi)害范圍。因此，保持角聯(lián)分支

17、風(fēng)流的穩(wěn)定性是安全生產(chǎn)所必須的。 角聯(lián)網(wǎng)路中，對角分支風(fēng)流存在著不穩(wěn)定現(xiàn)象，對簡單角聯(lián)網(wǎng)路來說，角聯(lián)分支的風(fēng)向可由上述判別式確定；而對于復(fù)雜角聯(lián)網(wǎng)路，其角聯(lián)分支的風(fēng)向的判斷，一般通過通風(fēng)網(wǎng)路解算確定。在生產(chǎn)礦井，也可以通過測定風(fēng)量確定。第三節(jié) 風(fēng)量分配及復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)路解算一、風(fēng)量分配的基本定律風(fēng)流在通風(fēng)網(wǎng)路中流動(dòng)時(shí)，都遵守風(fēng)量平衡定律、風(fēng)壓平衡定律和阻力定律。它們反映了通風(fēng)網(wǎng)路中三個(gè)最主要通風(fēng)參數(shù)風(fēng)量、風(fēng)壓和風(fēng)阻間的相互關(guān)系，是復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)路解算的理論基礎(chǔ)。1通風(fēng)阻力定律井巷中的正常風(fēng)流一般均為紊流。因此，通風(fēng)網(wǎng)路中各分支都遵守紊流通風(fēng)阻力定律，即 （5-25）2風(fēng)量平衡定律風(fēng)量平衡定律是指在通風(fēng)

18、網(wǎng)路中，流入與流出某節(jié)點(diǎn)或閉合回路的各分支的風(fēng)量的代數(shù)和等于零，即 （5-26）若對流入的風(fēng)量取正值，則流出的風(fēng)量取負(fù)值。如圖5-10（a）所示，節(jié)點(diǎn)處的風(fēng)量平衡方程為如圖5-10（b）所示，回路-的風(fēng)量平衡方程為圖5-10 節(jié)點(diǎn)和閉合回路3風(fēng)壓平衡定律風(fēng)壓平衡定律是指在通風(fēng)網(wǎng)路的任一閉合回路中，各分支的風(fēng)壓（或阻力）的代數(shù)和等于零，即 （5-27） 若回路中順時(shí)針流向的分支風(fēng)壓取正值，則逆時(shí)針流向的分支風(fēng)壓取負(fù)值。如圖5-10（b）中的回路-，有： 當(dāng)閉合回路中有通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓和自然風(fēng)壓作用時(shí)，各分支的風(fēng)壓代數(shù)和等于該回路中通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓與自然風(fēng)壓的代數(shù)和，即 （5-28）式中，和分別為通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓和

19、自然風(fēng)壓，其正負(fù)號取法與分支風(fēng)壓的正負(fù)號取法相同。二、解算復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)路的方法復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)路是由眾多分支組成的包含串、并、角聯(lián)在內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的網(wǎng)路。其各分支風(fēng)量分配難以直接求解。通過運(yùn)用風(fēng)量分配的基本定律建立數(shù)學(xué)方程式，然后用不同的數(shù)學(xué)手段，可求解出網(wǎng)路內(nèi)各分支自然分配的風(fēng)量。這種以網(wǎng)路結(jié)構(gòu)和分支風(fēng)阻為條件，求解網(wǎng)路內(nèi)風(fēng)量自然分配的過程，稱為通風(fēng)網(wǎng)路解算，也稱為自然分風(fēng)計(jì)算。目前解算通風(fēng)網(wǎng)路使用較廣泛的是回路法，即首先根據(jù)風(fēng)量平衡定律假定初始風(fēng)量，由回路風(fēng)壓平衡定律推導(dǎo)出風(fēng)量修正計(jì)算式，逐步對風(fēng)量進(jìn)行校正，直至風(fēng)壓逐漸平衡，風(fēng)量接近真值。下面主要介紹回路法中使用最多的斯考德恒斯雷法。1 解算通風(fēng)網(wǎng)路

20、的數(shù)學(xué)模型斯考德恒斯雷法是由英國學(xué)者斯考德和恒斯雷對美國學(xué)者哈蒂克勞斯提出的用于水管網(wǎng)的迭代計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)并用于通風(fēng)網(wǎng)路解算的。對節(jié)點(diǎn)為m、分支為n的通風(fēng)網(wǎng)路，可選定Nnm1個(gè)余樹枝和獨(dú)立回路。以余樹枝風(fēng)量為變量，樹枝風(fēng)量可用余樹枝風(fēng)量來表示。根據(jù)風(fēng)壓平衡定律，每一個(gè)獨(dú)立回路對應(yīng)一個(gè)方程，這樣建立起一個(gè)由N個(gè)變量和N個(gè)方程組成的方程組，求解該方程組的根即可求出個(gè)余樹枝的風(fēng)量，然后求出樹枝的風(fēng)量。斯考德恒斯雷法的基本思路是：利用擬定的各分支初始風(fēng)量，將方程組按泰勒級數(shù)展開，舍去二階以上的高階量，簡化后得出回路風(fēng)量修正值的一般數(shù)學(xué)表達(dá)式為： （5-29）式中 獨(dú)立回路中各分支風(fēng)壓（或阻力）的代數(shù)

21、和。分支風(fēng)向與余樹枝同向時(shí)其風(fēng)壓取正值，反之為負(fù)值。 獨(dú)立回路中各分支風(fēng)量與風(fēng)阻乘積的絕對值之和。 獨(dú)立回路中的通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓，其作用的風(fēng)流方向與余樹枝同向時(shí)取負(fù)值，反之為正值。 獨(dú)立回路中的自然風(fēng)壓，其作用的風(fēng)流方向與余樹枝同向時(shí)取負(fù)值，反之為正值。 按公式（5-29）分別求出各回路的風(fēng)量修正值，由此對各回路中的分支風(fēng)量進(jìn)行修正，求得風(fēng)量的近似真實(shí)值，即 （5-30）式中：分別為修正前后分支風(fēng)量。的正負(fù)按所修正分支的風(fēng)向與余樹枝同向時(shí)取正值，反之取負(fù)值。如此經(jīng)過多次反復(fù)修正，各分支風(fēng)量接近真值。當(dāng)達(dá)到預(yù)定的精度時(shí)計(jì)算結(jié)束。此時(shí)所得到的近似風(fēng)量，即可認(rèn)為是要求的自然分配的風(fēng)量。上述公式（5-29）

22、和（5-30）即為斯考德恒斯雷法的迭代計(jì)算公式，也稱其為哈蒂·克勞斯法。 當(dāng)獨(dú)立回路中既無通風(fēng)機(jī)又無自然風(fēng)壓作用時(shí)，公式（5-29）可簡化為 （5-31）為便于理解，下面以并聯(lián)網(wǎng)路來解釋回路風(fēng)量修正值的計(jì)算公式。如圖5-11所示為由兩個(gè)分支1和2組成的并聯(lián)網(wǎng)路，其總風(fēng)量，風(fēng)阻分別為和。設(shè)兩個(gè)分支自然分配的真實(shí)風(fēng)量分別為和，擬定的初始風(fēng)量分別為和，則初擬風(fēng)量與真實(shí)風(fēng)量的差值即為回路風(fēng)量修正值。若 ，必有 則 ， 根據(jù) ，得 根據(jù)和，得 圖5-11 并聯(lián)網(wǎng)路忽略二次微量，整理得近似式：故將上式寫成一般形式，即可得公式（5-29）與（5-31）：或 修正風(fēng)量的計(jì)算公式，即公式（5-30）：

23、解算步驟使用斯考德恒斯雷法，一般經(jīng)過以下步驟：（） 繪制通風(fēng)網(wǎng)路圖，標(biāo)定風(fēng)流方向。（） 輸入網(wǎng)路結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)。（） 確定獨(dú)立回路數(shù)，選擇并確定獨(dú)立回路的分支構(gòu)成。（） 擬定初始風(fēng)量。通常，先給余樹枝賦一組初值，再計(jì)算各樹枝初始風(fēng)量。（） 計(jì)算回路風(fēng)量修正值，及時(shí)修正回路中各分支的風(fēng)量。（） 檢查精度是否滿足要求 每修正完一次網(wǎng)路中所有分支的風(fēng)量，稱為迭代一次。每次迭代后應(yīng)判斷是否滿足給定的精度要求，當(dāng)某次迭代中各獨(dú)立回路風(fēng)量修正值均小于預(yù)定精度，迭代計(jì)算結(jié)束，即 ，1iN （5-32）精度一般取0.010.001m3/s。（7）計(jì)算通風(fēng)網(wǎng)路總阻力、總風(fēng)阻。在斯考德恒斯雷法中，其核心是每次迭代中各

24、回路風(fēng)量修正值的計(jì)算。按上述步驟編寫的計(jì)算機(jī)解算通風(fēng)網(wǎng)路的應(yīng)用軟件較多。此外，因該算法的回路修正值可逐個(gè)回路獨(dú)立計(jì)算，簡化了計(jì)算，因而也可以手算。手算時(shí)要注意：擬定的初始風(fēng)量應(yīng)盡量接近真實(shí)風(fēng)量，以加快計(jì)算速度；獨(dú)立回路中分支的風(fēng)壓和回路風(fēng)量修正值的符號也可按順時(shí)針流向取正值，逆時(shí)針流向取負(fù)值確定，通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓和自然風(fēng)壓的符號按順負(fù)逆正確定；某分支風(fēng)量，如在其它回路和后面的計(jì)算中再次出現(xiàn)，其風(fēng)量的取值和風(fēng)向應(yīng)以最末一次漸近風(fēng)量為準(zhǔn)，而不再用初始值或前面的漸近值。例-2 某通風(fēng)網(wǎng)路圖如圖5-12所示，已知總風(fēng)量為m3/s，各分支風(fēng)阻分別為：，單位為Ns2/m8。試用斯考德-恒斯雷法解算該網(wǎng)路的自然分

25、風(fēng)，并求其總阻力和總風(fēng)阻。（0.01m3/s） 圖5-12 角聯(lián)通風(fēng)網(wǎng)路解：（1）判斷角聯(lián)分支3的風(fēng)流方向因 ，則 故知角聯(lián)分支3的風(fēng)向。（2）確定獨(dú)立回路數(shù) 選定兩個(gè)網(wǎng)孔和作為兩個(gè)獨(dú)立回路。（3）擬定各分支的初始風(fēng)量可將角聯(lián)分支3的風(fēng)量初擬為0，即。風(fēng)路-和-按兩分支并聯(lián)網(wǎng)路的風(fēng)量自然分配擬定，具體如下：m3/sm3/s（4）迭代計(jì)算回路第一次迭代計(jì)算：風(fēng)量修正值 m3/s 風(fēng)量修正 m3/s m3/s m3/s回路第一次迭代計(jì)算：風(fēng)量修正值m3/s風(fēng)量修正 m3/s m3/s m3/s按同樣的方法，進(jìn)行第二次、第三次迭代計(jì)算，直到滿足精度要求為止。表5-1為本題計(jì)算過程和結(jié)果。（5）計(jì)算精

26、度校驗(yàn)本例經(jīng)過三次迭代計(jì)算即能滿足指定精度要求，見表5-1。（6）計(jì)算網(wǎng)路的總阻力與總風(fēng)阻 Pa Ns2/m8表5-1 迭代計(jì)算表回路分支風(fēng) 阻R（Ns2/m8）第一次迭代計(jì)算第二次迭代計(jì)算第三次迭代計(jì)算初始風(fēng)量 Q(m3/s)2RQRQ2(Pa)風(fēng)量修正值 Q (m3/s)漸近風(fēng)量Q/(m3/s)初始風(fēng)量Q/(m3/s)2RQRQ2(Pa)風(fēng)量修正值Q(m3/s)漸近風(fēng)量Q/(m3/s)初始風(fēng)量Q/(m3/s)2RQRQ2(Pa)風(fēng)量修正值Q(m3/s)漸近風(fēng)量Q/(m3/s)10.48711.6411.34-65.9813.3913.3913.04-87.3213.1813.1812.84

27、-84.6013.1620.65213.3617.42+116.3811.6111.6115.14+87.8811.8211.8215.41+91.0911.8330.860000+1.752.995.14-7.692.782.804.82-6.742.79小 計(jì)28.76+50.40-1.7533.32-7.13+0.2133.07-0.25+0.0130.8601.753.01+2.632.992.784.78+6.652.802.794.80+6.702.7940.98411.6422.91-133.3210.4010.4020.47-106.4310.3810.3820.43-106.

28、0210.3850.46513.3612.42+83.0014.6014.6013.58+99.1214.6214.6213.60+99.3914.62小 計(jì)38.34-47.69+1.2438.83-0.66+0.0238.83+0.07-0.002三、計(jì)算機(jī)解算通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)軟件與應(yīng)用簡介計(jì)算機(jī)解算復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)路，速度快、精度高。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展與普及，計(jì)算機(jī)解算通風(fēng)網(wǎng)路得到了迅速發(fā)展，并已有了一些較成熟的通風(fēng)網(wǎng)路解算軟件。下面介紹一個(gè)由安徽理工大學(xué)研制開發(fā)的通風(fēng)網(wǎng)路解算軟件MVENT。1MVENT軟件的使用方法在中文Windows環(huán)境下，啟動(dòng)MVENT軟件，出現(xiàn)軟件運(yùn)行的主窗口如圖5-13。圖5

29、-13 MVENT軟件主窗口（1）通風(fēng)網(wǎng)路原始數(shù)據(jù)的輸入從“數(shù)據(jù)”菜單選擇“表格式數(shù)據(jù)”命令后，出現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入窗口。選擇“新建”命令，在對話框中選擇“基本通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)文件”，即出現(xiàn)圖5-14表格，輸入數(shù)據(jù)并存盤。圖5-14 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入窗口表中包括以下內(nèi)容： 分支：是指各分支在網(wǎng)路圖中的編號，應(yīng)為正整數(shù)。 巷道名稱：為不超過個(gè)字符的連續(xù)字符串，不能有空格。 類：是指分支的類型，用來區(qū)別不同類型的井巷。其取值如下：一般分支， 地面大氣分支，風(fēng)機(jī)分支，輔助通風(fēng)機(jī)分支，漏風(fēng)分支。在本軟件中，只要將風(fēng)機(jī)分支正確標(biāo)記，其余都可標(biāo)為一般分支。 形：是指巷道的斷面形狀等的標(biāo)識。其取值如下：圓形，半圓形

30、， 三心拱，梯形（矩形），已知風(fēng)阻，固定風(fēng)量。當(dāng)取值為時(shí)，分支風(fēng)阻要根據(jù)阻力系數(shù)、分支長度、斷面等計(jì)算；取時(shí)，則必須輸入風(fēng)阻值。 始點(diǎn)、末點(diǎn)：分別為分支的始節(jié)點(diǎn)和末節(jié)點(diǎn)號，應(yīng)為正整數(shù)。 系數(shù)：是分支的摩擦阻力系數(shù)乘以10000后的數(shù)值。當(dāng)已知風(fēng)阻時(shí)，可不輸入（為）。單位可為國際單位或工程單位，注意單位應(yīng)統(tǒng)一。 長度：是分支巷道的長度。當(dāng)已知風(fēng)阻時(shí)，可不輸入（為）。單位：m。 面積：是分支巷道的平均斷面積。當(dāng)已知風(fēng)阻時(shí)可不輸入（為）。單位：m2。 風(fēng)阻：當(dāng)已知風(fēng)阻（形為）時(shí)輸入。單位可為國際單位或工程單位，注意單位應(yīng)統(tǒng)一。 需風(fēng)：當(dāng)分支為固定風(fēng)量分支（形為）時(shí)輸入，否則無效。單位：m3/s。（2

31、 ）通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)各分支位能差的輸入如果需要考慮通風(fēng)網(wǎng)路中的自然風(fēng)壓時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)備本文件。通過給定各分支的位能差，軟件將根據(jù)所選擇的獨(dú)立回路計(jì)算各回路的自然風(fēng)壓，并且在網(wǎng)路解算時(shí)起作用。（解算前應(yīng)在“選項(xiàng)”菜單中選擇“讀入分支位能差”。）從數(shù)據(jù)輸入窗口的“文件”菜單下選擇“新建”命令，選擇對話框中“分支位能差數(shù)據(jù)文件”，即出現(xiàn)圖5-15表格，輸入數(shù)據(jù)并存盤。圖5-15 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分支位能差數(shù)據(jù)輸入窗口表中包括以下內(nèi)容： 分支：同上。 密度：是分支的平均風(fēng)流密度。如果輸入值，則軟件自動(dòng)賦為1.2kg/m3。 位能差：分支始末節(jié)點(diǎn)的位能差。可按公式：計(jì)算，式中為分支平均密度，單位：kg/m3；和分別為分支始末

32、節(jié)點(diǎn)的標(biāo)高，單位：m。（3）風(fēng)機(jī)特性數(shù)據(jù)的輸入從主窗口“數(shù)據(jù)”菜單中選擇“風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)”命令，即可調(diào)出風(fēng)機(jī)特性數(shù)據(jù)輸入對話框，如圖5-16所示，輸入數(shù)據(jù)并存盤。風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)輸入對話框中包括如下數(shù)據(jù)輸入項(xiàng)： 風(fēng)機(jī)名：為不超過個(gè)字符的連續(xù)字符串。 風(fēng)機(jī)所在分支：為風(fēng)機(jī)在通風(fēng)網(wǎng)路中所在的分支號。 風(fēng)機(jī)風(fēng)量：是風(fēng)機(jī)特性曲線上所取的一些特征點(diǎn)的風(fēng)量，最多可輸入個(gè)特征點(diǎn)。 風(fēng)機(jī)風(fēng)壓：是對應(yīng)于上述風(fēng)機(jī)風(fēng)量的特征點(diǎn)的風(fēng)機(jī)靜壓。 風(fēng)機(jī)功率：是對應(yīng)于上述風(fēng)機(jī)風(fēng)量時(shí)的風(fēng)機(jī)輸入功率。圖5-16 風(fēng)機(jī)特性數(shù)據(jù)輸入對話框 （4）選項(xiàng)設(shè)定在“網(wǎng)絡(luò)解算”中選擇“選項(xiàng)”，即可調(diào)出圖5-17所示的選項(xiàng)設(shè)置對話框?？稍O(shè)置獨(dú)立回路選擇方法、

33、網(wǎng)路解算算法、是否讀入自然風(fēng)壓文件和獨(dú)立回路文件。圖5-17 選項(xiàng)設(shè)置對話框 網(wǎng)路解算在“網(wǎng)絡(luò)解算”中選擇“網(wǎng)絡(luò)解算”命令或單擊工具欄上的計(jì)算器圖標(biāo)。軟件將自動(dòng)提示輸入所需的數(shù)據(jù)文件。圖5-18所示為提示輸入“通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)文件”的對話框。同樣按提示可輸入“風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)文件”和“分支位能文件”。圖5-18 數(shù)據(jù)文件輸入對話框 結(jié)果分析解算結(jié)果以表格形式顯示，如圖5-19所示。 圖5-19 網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果顯示窗口2網(wǎng)路解算應(yīng)用通風(fēng)網(wǎng)路解算軟件可用于解決礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)和礦井通風(fēng)管理的實(shí)際問題：（1）礦井設(shè)計(jì)時(shí)的風(fēng)量分配、通風(fēng)總阻力、風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)等的計(jì)算及風(fēng)機(jī)選型和通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化。（2）生產(chǎn)礦井的風(fēng)量調(diào)節(jié)計(jì)算、通風(fēng)狀態(tài)預(yù)測及礦井系統(tǒng)改造等。復(fù)習(xí)思考題5-1 什么叫通風(fēng)網(wǎng)路？簡述分支、節(jié)點(diǎn)、回路、樹、余樹及獨(dú)立回路等術(shù)語的含義。5-2 什么叫通風(fēng)網(wǎng)路圖？繪制通風(fēng)網(wǎng)路圖的一般步驟與一般原則分別是什么？5-3 什么叫串聯(lián)通風(fēng)、并聯(lián)通風(fēng)和角聯(lián)通風(fēng)？各有何特性？5-4 比較串