章礦井空氣流動(dòng)的基本理論

1、第二章 礦井空氣流動(dòng)的基本理論 第一節(jié) 空氣的主要物理參數(shù)一、溫度 描述物體冷熱狀態(tài)的物理量。礦井表示氣候條件的主要參數(shù)之一。熱力學(xué)絕對(duì)溫標(biāo)的單位K，攝式溫標(biāo) T=273.15+t二、壓力（壓強(qiáng)） 空氣的壓力也稱為空氣的靜壓，用符號(hào)P表示。壓強(qiáng)在礦井通風(fēng)中習(xí)慣稱為壓力。它是空氣分子熱運(yùn)動(dòng)對(duì)器壁碰撞的宏觀表現(xiàn)。P=2/3n(1/2mv2) 三、濕度 表示空氣中所含水蒸汽量的多少或潮濕程度。表示空氣濕度的方法：絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度和含濕量三種、絕對(duì)濕度v=Mv/V 在一定的溫度和壓力下，單位體積空氣所能容納水蒸汽量是有極限的，超過(guò)這一極限值，多余的水蒸汽就會(huì)凝結(jié)出來(lái)。這種含有極限值水蒸汽的濕空氣叫飽

2、和空氣，這時(shí)水蒸氣分壓力叫飽和水蒸分壓力，PS，其所含的水蒸汽量叫飽和濕度s 。、相對(duì)濕度 單位體積空氣中實(shí)際含有的水蒸汽量（V）與其同溫度下的飽和水蒸汽含量（S）之比稱為空氣的相對(duì)濕度 V S 反映空氣中所含水蒸汽量接近飽和的程度。 愈小,空氣愈干爆， 為干空氣； 愈大,空氣愈潮濕， 為飽和空氣。 溫度下降，其相對(duì)濕度增大，冷卻到=1時(shí)的溫度稱為露點(diǎn)。 空氣濕度的測(cè)算 構(gòu)造簡(jiǎn)單的常用儀表是手搖濕度計(jì)(圖1-5)和風(fēng)扇濕度計(jì)(圖1-6)，二者都是由干球溫度計(jì)和濕球溫度計(jì)組成。 根據(jù)實(shí)測(cè)的td和tdtw兩個(gè)數(shù)值在表1-6中查出空氣的相對(duì)濕度值。礦內(nèi)空氣濕度的變化規(guī)律 冷天時(shí)，當(dāng)含有一定量水蒸汽的

3、冷空氣進(jìn)入井下，由于氣溫逐漸升高，容積逐漸增大，其飽和能力逐漸變大，沿途要吸收井巷中的水分；熱天時(shí)，熱空氣進(jìn)入井下，氣溫逐漸降低，容積逐漸減少，其飽和能力逐漸變小，使其中一部分水蒸汽量沿途掉下來(lái)。故礦井進(jìn)風(fēng)路線上有冬干夏濕的現(xiàn)象，在采掘工作面和回風(fēng)路線上，因氣溫幾乎常年不變，故其濕度也幾乎常年不變，而且其相對(duì)濕度接近100。、含濕量 含有1kg干空氣的濕空氣中所含水蒸汽的質(zhì)量（kg）稱為空氣的含濕量。d=0.622Ps/(P-Ps)4、焓 焓是一個(gè)復(fù)合的狀態(tài)參數(shù)，它是內(nèi)能u和壓力功PV之和，焓也稱熱焓。 i=id+diV=1.0045t+d(2501+1.85t) 實(shí)際應(yīng)用焓-濕圖（I-d)5

4、、粘性 流體抵抗剪切力的性質(zhì)。當(dāng)流體層間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在流體內(nèi)部?jī)蓚€(gè)流體層的接觸面上，便產(chǎn)生粘性阻力(內(nèi)摩擦力)以阻止相對(duì)運(yùn)動(dòng)，流體具有的這一性質(zhì)，稱作流體的粘性。其大小主要取決于溫度。六、密度 單位體積空氣所具有的質(zhì)量稱為空氣的密度，與P、t、濕度等有關(guān)。 空氣比容：=V/M=1/ 第二節(jié) 風(fēng)流的能量與壓力一、風(fēng)流的能量與壓力1.靜壓能靜壓（1）靜壓能與靜壓的概念 空氣分子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的分子動(dòng)能的一部分轉(zhuǎn)化的能夠?qū)ν庾鞴Φ臋C(jī)械能叫靜壓能，Jm3，在礦井通風(fēng)中，壓力的概念與物理學(xué)中的壓強(qiáng)相同，即單位面積上受到的垂直作用力。靜壓Pa=N/m2也可稱為是靜壓能。（）靜壓特點(diǎn) a.無(wú)論靜止的空氣還是

5、流動(dòng)的空氣都具有靜壓力； b.風(fēng)流中任一點(diǎn)的靜壓各向同值，且垂直于作用面； c.風(fēng)流靜壓的大小（可以用儀表測(cè)量）反映了單位體積風(fēng)流所具有的能夠?qū)ν庾鞴Φ撵o壓能的多少。（）壓力的兩種測(cè)算基準(zhǔn)（表示方法） 根據(jù)壓力的測(cè)算基準(zhǔn)不同，壓力可分為：絕對(duì)壓力和相對(duì)壓力。 A、絕對(duì)壓力：以真空為測(cè)算零點(diǎn)（比較基準(zhǔn)）而測(cè)得的壓力稱之為絕對(duì)壓力，用 P 表示。 B、相對(duì)壓力： 以當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)赝瑯?biāo)高的大氣壓力為測(cè)算基準(zhǔn)(零點(diǎn))測(cè)得的壓力稱之為相對(duì)壓力，即通常所說(shuō)的表壓力，用 h 表示。 風(fēng)流的絕對(duì)壓力（P）、相對(duì)壓力（h）和與其對(duì)應(yīng)的大氣壓（P0）三者之間的關(guān)系如下式所示：h = PP02、重力位能（1)重力位能的概

6、念 物體在地球重力場(chǎng)中因地球引力的作用，由于位置的不同而具有的一種能量叫重力位能，簡(jiǎn)稱位能，用 EPO 表示。EPO=M.g.Z 。（）位能計(jì)算 重力位能的計(jì)算應(yīng)有一個(gè)參照基準(zhǔn)面。 Ep012= i gdzi 如下圖 1兩斷面之間的位能差：dzi（3)位能與靜壓的關(guān)系說(shuō)明：、位能與靜壓能之間可以互相轉(zhuǎn)化。II、在礦井通風(fēng)中把某點(diǎn)的靜壓和位能之和稱之為勢(shì)能。（4)位能的特點(diǎn) a.位能是相對(duì)某一基準(zhǔn)面而具有的能量，它隨所選基準(zhǔn)面的變化而變化。 b.位能是一種潛在的能量，它在本處對(duì)外無(wú)力的效應(yīng)，即不呈現(xiàn)壓力，故不能象靜壓那樣用儀表進(jìn)行直接測(cè)量。 c.位能和靜壓可以相互轉(zhuǎn)化，在進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化時(shí)遵循能量守

7、恒定律。 3.動(dòng)能動(dòng)壓（1)動(dòng)能與動(dòng)壓的概念 空氣定向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，其動(dòng)能所轉(zhuǎn)化顯現(xiàn)的壓力叫動(dòng)壓或稱速壓，用符號(hào)hv表示，單位Pa。Evi iV20.5 （2)動(dòng)壓的特點(diǎn) a.只有作定向流動(dòng)的空氣才具有動(dòng)壓，因此動(dòng)壓具有方向性。 b.動(dòng)壓總是大于零。 c.在同一流動(dòng)斷面上，由于風(fēng)速分布的不均勻性，各點(diǎn)的風(fēng)速不相等，所以其動(dòng)壓值不等。 d.某斷面動(dòng)壓即為該斷面平均風(fēng)速計(jì)算值。（3）全壓 全壓靜壓動(dòng)壓。 靜壓有絕對(duì)和相對(duì)之分，故全壓也有絕對(duì)和相對(duì)之分。 、絕對(duì)全壓（Pti） Pti Pihvi B、相對(duì)全壓（hti） hti hihvi Pti Poi說(shuō)明：A、相對(duì)全壓有正負(fù)之分；B、無(wú)論正壓通還是

8、負(fù)壓通風(fēng)，PtiPi，hti hi。二、風(fēng)流的點(diǎn)壓力之間相互關(guān)系 風(fēng)流的點(diǎn)壓力是指測(cè)點(diǎn)的單位體積(1m3)空氣所具有的壓力。通風(fēng)管道中流動(dòng)的風(fēng)流的點(diǎn)壓力可分為：靜壓、動(dòng)壓和全壓。 風(fēng)流中任一點(diǎn)i的動(dòng)壓、靜壓和全壓的關(guān)系為： hvi=Pti-Pi hti = hi + hvi 。 壓入式通風(fēng)（正壓通風(fēng)）：風(fēng)流中任一點(diǎn)的相對(duì)全壓恒為正。hti=hi+hvi 抽出式通風(fēng)（負(fù)壓通風(fēng)）：風(fēng)流中任一點(diǎn)的相對(duì)全壓恒為負(fù)，對(duì)于抽出式通風(fēng)由于hti和hi為負(fù)，實(shí)際計(jì)算時(shí)取其絕對(duì)值進(jìn)行計(jì)算。 |hti|= |hi|hvi 風(fēng)流點(diǎn)壓力間的關(guān)系abPa真空P0Pbha(+)hb(-)P0Pathvhat(+)hvhb

9、t(-)Pbt抽出式通風(fēng)壓入式通風(fēng)壓入式通風(fēng)抽出式通風(fēng)三、風(fēng)流點(diǎn)壓力的測(cè)定、礦井主要壓力測(cè)定儀器儀表 （）絕對(duì)壓力測(cè)量：空盒氣壓計(jì)、精密氣壓計(jì)、水銀氣壓計(jì)等。 （）壓差及相對(duì)壓力測(cè)量：恒溫氣壓計(jì)、“”水柱計(jì)、補(bǔ)償式微壓計(jì)、傾斜單管壓差計(jì)。 （）感壓儀器：皮托管，承受和傳遞壓力，+ - 測(cè)壓、壓力測(cè)定 （）絕對(duì)壓力直接測(cè)量讀數(shù)。 （）相對(duì)靜壓(以如圖正壓通風(fēng)為例)對(duì)于負(fù)壓通風(fēng)的情況請(qǐng)自行推導(dǎo)（注意連接方法）：hP0zP0 izP0 ih00（）相對(duì)全壓、動(dòng)壓測(cè)量 測(cè)定連接如圖（說(shuō)明連接方法及水柱高度變化）zP0 ihthihv第三節(jié) 礦井通風(fēng)中的能量方程一、空氣流動(dòng)連續(xù)性方程 在無(wú)點(diǎn)源或點(diǎn)匯存在

10、時(shí)，根據(jù)質(zhì)量守恒定律：對(duì)于穩(wěn)定流，流入某空間的流體質(zhì)量必然等于流出其的流體質(zhì)量。如圖井巷中風(fēng)流從1斷面流向2 斷面，作定常流動(dòng)時(shí)，有： Mi=const V1 S1 V S 兩種特例：（I）若 S1S2 ，則 V1V；（II） 若，則 V1 S1V S。 對(duì)于不可壓縮流體，通過(guò)任一斷面的體積流量相等，即Q=viSi=const二、可壓縮流體的能量方程（一）、單位質(zhì)量(1kg)流量的能量方程 機(jī)械能：靜壓能、動(dòng)壓能和位能之和。 內(nèi)能：風(fēng)流內(nèi)部所具有的分子內(nèi)動(dòng)能與分子位能之和?？諝獾膬?nèi)能是空氣狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)，即：u = f（ T，P）。能量分析z1z200p1、v1、u1p2、v2、u2qLRqR

11、 由能量守恒得： 根據(jù)熱力學(xué)第一定律，傳給空氣的熱量（qR+q），一部分用于增加空氣的內(nèi)能，一部分使空氣膨脹對(duì)外作功，即：又因?yàn)椋荷鲜鋈秸淼茫杭礊椋簡(jiǎn)挝毁|(zhì)量可壓縮空氣在無(wú)壓源的井巷中流動(dòng)時(shí)能量方程的一般形式。（二）、單位體積(1m3)流量的能量方程 我國(guó)礦井通風(fēng)中習(xí)慣使用單位體積（1m3）流體的能量方程。在考慮空氣的可壓縮性時(shí)，那么1m3 空氣流動(dòng)過(guò)程中的能量損失（hR，J/m3（Pa），即通風(fēng)阻力）可由1kg空氣流動(dòng)過(guò)程中的能量損失（LR J/Kg）乘以按流動(dòng)過(guò)程狀態(tài)考慮計(jì)算的空氣密度m，即：hR=LR.m；則單位體積(1m3)流量的能量方程的書(shū)寫(xiě)形式為：幾點(diǎn)說(shuō)明：1、1m3 空氣在流動(dòng)

12、過(guò)程中的能量損失等于兩斷面間的機(jī)械能差。2、gm（Z1-Z2）是1、2斷面的位能差。 是1、2兩斷面上的動(dòng)能差。A、 在礦井通風(fēng)中，因其動(dòng)能差較小，故在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，式中可分別用各自斷面上的密度代替計(jì)算其動(dòng)能差。B、動(dòng)能系數(shù)：是斷面實(shí)際總動(dòng)能與用斷面平均風(fēng)速計(jì)算出的總動(dòng)能的比。在礦井條件下，Kv一般為1.021.05。由于動(dòng)能差項(xiàng)很小，在應(yīng)用能量方程時(shí)，可取Kv為1。（三）關(guān)于能量方程使用的幾點(diǎn)說(shuō)明1. 能量方程表示1kg（或1m3）空氣由1斷面流向2斷面的過(guò)程中所消耗的能量（通風(fēng)阻力），等于流經(jīng)1、2斷面間空氣總機(jī)械能的變化量。2. 風(fēng)流流動(dòng)必須是穩(wěn)定流，即斷面上的參數(shù)不隨時(shí)間的變化而變化；所

13、研究的始、末斷面要選在緩變流場(chǎng)上。3. 風(fēng)流總是從總能量（機(jī)械能）大的地方流向總能量小的地方。4. 正確選擇求位能時(shí)的基準(zhǔn)面。5. 在始、末斷面間有壓源時(shí)，壓源的作用方向與風(fēng)流的方向一致，壓源為正，說(shuō)明壓源對(duì)風(fēng)流做功；如果兩者 方向相反，壓源為負(fù)，則壓源成為通風(fēng)阻力。 . 應(yīng)用能量方程時(shí)要注意各項(xiàng)單位的一致性。 7、對(duì)于流動(dòng)過(guò)程中流量發(fā)生變化，則按總能量守恒與轉(zhuǎn)換定律列方程 312第四節(jié) 能量方程在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用一、水平風(fēng)道的通風(fēng)能量（壓力）坡度線（一）、能量（壓力）坡度線的作法 如圖所示的通風(fēng)機(jī)水平風(fēng)道系統(tǒng)，繪制能量（壓力）坡度線。012345678910P0壓力Pa流程擴(kuò)散器H thR1

14、2hR78、風(fēng)流的邊界條件 入口斷面處： 風(fēng)流入口斷面處的絕對(duì)全壓等于大氣壓（可用能量方程加以證明，對(duì)入口斷面的內(nèi)外側(cè)列能量方程并忽略極小的入口流動(dòng)損失），即： Ptin= P0，所以，htin= 0，hin= - hvin；出口斷面處 ： 風(fēng)流出口斷面處的絕對(duì)靜壓等于大氣壓（可用能量方程加以證明，對(duì)出口斷面的內(nèi)外側(cè)列能量方程并忽略極小的出口流動(dòng)損失），即： Pex= P0，所以，hex= 0，htex= hvex；、作圖步驟（二）能量（壓力）坡度線的分析1、 通風(fēng)阻力與能量（壓力）坡度線的關(guān)系 由于風(fēng)道是水平的，故各斷面間無(wú)位能差，且大氣壓相等。由能量方程知，任意兩斷面間的通風(fēng)阻力就等于兩斷

15、面的全壓差：2、 能量（壓力）坡度線直觀明了地表達(dá)了風(fēng)流流動(dòng)過(guò)程中的能量變化。 絕對(duì)全壓（相對(duì)全壓）沿程是逐漸減小的；絕對(duì)靜壓（相對(duì)靜壓）沿程分布是隨動(dòng)壓的大小變化而變化。 3、 擴(kuò)散器回收動(dòng)能（相對(duì)靜壓為負(fù)值） 所謂擴(kuò)散器回收動(dòng)能，就是在風(fēng)流出口加設(shè)一段斷面逐漸擴(kuò)大的風(fēng)道，使得出口風(fēng)速變小，從而達(dá)到減小流入大氣的風(fēng)流動(dòng)能。擴(kuò)散器安設(shè)的是否合理，可用回收的動(dòng)能值（hv）與擴(kuò)散器自身的通風(fēng)阻力（hRd）相比較來(lái)確定，即： hv= hvexhvex hRd 合理 hv= hvexhvex hR910，則，h90 （為負(fù)值） 因此，測(cè)定擴(kuò)散器中的相對(duì)靜值就可判斷擴(kuò)散器的安裝是否合理，相對(duì)靜壓的負(fù)值越

16、大，其擴(kuò)散器回收動(dòng)能的效果越好。（三）通風(fēng)機(jī)全壓（Ht）1、通風(fēng)機(jī)全壓的概念 通風(fēng)機(jī)的作用：就是將電能轉(zhuǎn)換為風(fēng)流的機(jī)械能，促使風(fēng)流流動(dòng)。 通風(fēng)機(jī)的全壓Ht等于通風(fēng)機(jī)出口全壓與入口全壓之差： Ht = Pt6Pt5 2、通風(fēng)機(jī)全壓Ht與風(fēng)道通風(fēng)阻力、出口動(dòng)能損失的關(guān)系 由能量方程和能量（壓力）坡度線可以看出： Ht= hR010hv10 通風(fēng)機(jī)全壓是用以克服風(fēng)道通風(fēng)阻力和出口動(dòng)能損失。 通風(fēng)機(jī)用于克服風(fēng)道阻力的那一部分能量叫通風(fēng)機(jī)的靜壓Hs。 Hs = hR010, Ht= Hs hv10 兩個(gè)特例：a）、無(wú)正壓通風(fēng)段（ 6斷面直接通大氣） Ht= hR5hv6b）、無(wú)負(fù)壓通風(fēng)段（ 斷面直接通大

17、氣） Ht=hR610hv10 無(wú)論何種工作方式，通風(fēng)機(jī)的全壓都是用于克服風(fēng)道的通風(fēng)阻力和出口動(dòng)能損失；其中通風(fēng)機(jī)靜壓用于克服風(fēng)道的通風(fēng)阻力。抽出式通風(fēng)方式壓入式通風(fēng)方式5066510二、通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流能量（壓力）坡度線(一) 通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流能量（壓力）坡度線 繪制礦井通風(fēng)系統(tǒng)的能量（壓力）坡度線(一般用絕對(duì)壓力)的方法：沿風(fēng)流流程布設(shè)若干測(cè)點(diǎn)，測(cè)出各點(diǎn)的絕對(duì)靜壓、風(fēng)速、溫度、濕度、標(biāo)高等參數(shù)，計(jì)算出各點(diǎn)的動(dòng)壓、位能和總能量；然后在壓力（縱坐標(biāo))風(fēng)流流程（橫坐標(biāo)）坐標(biāo)圖上描出各測(cè)點(diǎn)， 將同名參數(shù)點(diǎn)用折線連接起來(lái)， 即是所要繪制的通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)流能 量（壓力）坡度線。01234b0c0d0a1a2b2c2a0(a)b (b1)c(c1)dd1d2P0Pa壓能eEP01EP04HNHt流程 以下圖所示簡(jiǎn)化通風(fēng)系統(tǒng)為例，說(shuō)明礦井通風(fēng)系統(tǒng)中有高度變化的風(fēng)流路線上能量(壓力)坡度線的畫(huà)法。(二) 礦井通風(fēng)系統(tǒng)能量（壓力）坡度線的分析1、 能量（壓力）坡度線（ a-b-c-d ）清楚地反映了風(fēng)流在流動(dòng)過(guò)程中，沿程各斷面上全能量與通風(fēng)阻力hR之間的關(guān)系。2、 絕對(duì)全壓和絕對(duì)靜壓坡度線的坡度線變化有起伏,說(shuō)明，靜壓和位能之間可以相互轉(zhuǎn)化。3、