華北理工礦井通風(fēng)與安全課件03井巷通風(fēng)阻力

本章重點和難點：1.井巷通風(fēng)阻力分類以及產(chǎn)生的原因2.井巷通風(fēng)阻力的規(guī)律與計算方法3.降低井巷通風(fēng)阻力的主要措施

第三章井巷通風(fēng)阻力一、風(fēng)流流態(tài)1、管道流當流速較低時，流體質(zhì)點互不混雜，流體運動軌跡為規(guī)則的直線或平滑的曲線，且與管道的軸線方向基本平行。沿著與管軸平行的方向作層狀運動，稱為層流(或滯流)。當流速較大時，流體質(zhì)點的運動速度在大小和方向上都隨時發(fā)生變化，成為互相混雜的紊亂流動，稱為紊流(或湍流)。

（１）雷諾數(shù)－Re

式中：平均流速v

管道直徑d

流體的運動粘性系數(shù)。第一節(jié)井巷斷面上風(fēng)速分布（２）當量直徑對于非圓形斷面的井巷，Re數(shù)中的管道直徑d應(yīng)以井巷斷面的當量直徑de來表示：因此，非圓形斷面井巷的雷諾數(shù)可用下式表示：

對于不同形狀的井巷斷面，其周長U與斷面積S的關(guān)系，可用下式表示：式中：C—斷面形狀系數(shù)：梯形C=4.16；三心拱C=3.85；半圓拱C=3.90。

在實際工程計算中，為簡便起見，通常以Re=2300作為管道流動流態(tài)的判定準數(shù)，即：Re≤2300層流，Re＞2300紊流在采空區(qū)和煤層等多孔介質(zhì)中風(fēng)流的流態(tài)判別準數(shù)為：式中：K—冒落帶滲流系數(shù)m2；l—濾流帶粗糙度系數(shù)m。

層流，Re≤0.25；紊流，Re＞2.5；過渡流0.25<Re<2.52、孔隙介質(zhì)流（１）紊流脈動風(fēng)流中各點的流速、壓力等物理參數(shù)隨時間作不規(guī)則變化（２）時均速度瞬時速度vx隨時間τ的變化。其值雖然不斷變化，但在一足夠長的時間段T內(nèi)，流速vx總是圍繞著某一平均值上下波動。Tvxvxt二、井巷斷面上風(fēng)速分布層流邊層：在貼近壁面處仍存在層流運動薄層，即層流邊層。其厚度δ隨Re增加而變薄，它的存在對流動阻力、傳熱和傳質(zhì)過程有較大影響。平均風(fēng)速：

式中：巷道通過風(fēng)量Q。則：Q＝V×Sδvvmaxvmax(３）巷道風(fēng)速分布由于空氣的粘性和井巷壁面摩擦影響，井巷斷面上風(fēng)速分布是不均勻的。風(fēng)量

風(fēng)速分布系數(shù)：斷面上平均風(fēng)速v與最大風(fēng)速vmax的比值稱為風(fēng)速分布系數(shù)(速度場系數(shù))，用Kv表示：

巷壁愈光滑，Kv值愈大，即斷面上風(fēng)速分布愈均勻。

砌碹巷道，Kv=0.8～0.86；木棚支護巷道，Kv=0.68～0.82；無支護巷道，Kv=0.74～0.81。風(fēng)速分布系數(shù)一、摩擦阻力

風(fēng)流在井巷中作均勻流動時，由于流體層間的摩擦和流體與井巷壁面之間的摩擦所形成的阻力稱為摩擦阻力(也叫沿程阻力)。

注：均勻流動指的是風(fēng)流速度大小和方向都不變，且各斷面速度分布是一致的。由流體力學(xué)可知，無論層流還是紊流，以風(fēng)流壓能損失來反映的摩擦阻力可用下式來計算：

Pa

λ－無因次系數(shù)，即摩擦阻力系數(shù)，通過實驗求得。d—圓形風(fēng)管直徑，非圓形管用當量直徑；第二節(jié)摩擦風(fēng)阻與阻力實際流體在流動過程中，沿程能量損失一方面（內(nèi)因）取決于粘滯力和慣性力的比值，用雷諾數(shù)Re來衡量；另一方面（外因）是固體壁面對流體流動的阻礙作用，故沿程能量損失又與管道長度、斷面形狀及大小、壁面粗糙度有關(guān)。其中壁面粗糙度的影響通過λ值來反映。1．尼古拉茲實驗1932～1933年間，尼古拉茲把經(jīng)過篩分、粒徑為ε的砂粒均勻粘貼于管壁。砂粒的直徑ε就是管壁凸起的高度，稱為絕對糙度；絕對糙度ε與管道半徑r的比值ε/r稱為相對糙度。以水作為流動介質(zhì)、對相對糙度分別為1/15、1/30.6、1/60、1/126、1/256、1/507六種不同的管道進行試驗研究。

Ⅰ區(qū)——層流區(qū)。當Re＜2320(即lgRe＜3.36)時，不論管道粗糙度如何，其實驗結(jié)果都集中分布于直線Ⅰ上。這表明λ與相對糙度ε/r無關(guān)，只與Re有關(guān)，且λ=64/Re。與相對粗糙度無關(guān)

結(jié)論分析：δε層流區(qū)Ⅱ區(qū)——過渡流區(qū)。2320≤Re≤4000(即3.36≤lgRe≤3.6)，在此區(qū)間內(nèi)，不同相對糙度的管內(nèi)流體的流態(tài)由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪?。所有的實驗點幾乎都集中在線段Ⅱ上。λ隨Re增大而增大，與相對糙度無明顯關(guān)系。Ⅱ區(qū)——過渡流區(qū)δε過渡流區(qū)Ⅲ區(qū)——水力光滑管區(qū)。在此區(qū)段內(nèi)，管內(nèi)流動雖然都已處于紊流狀態(tài)(Re＞4000)，但在一定的雷諾數(shù)下，當層流邊層的厚度δ大于管道的絕對糙度ε（稱為水力光滑管）時，其實驗點均集中在直線Ⅲ上，表明λ與ε仍然無關(guān)，而只與Re有關(guān)。隨著Re的增大，相對糙度大的管道，實驗點在較低Re時就偏離直線Ⅲ，而相對糙度小的管道要在Re較大時才偏離直線Ⅲ。Ⅲ區(qū)——水力光滑管區(qū)δε水力光滑區(qū)

Ⅳ區(qū)——紊流過渡區(qū)，即圖中Ⅳ所示區(qū)段。在這個區(qū)段內(nèi)，各種不同相對糙度的實驗點各自分散呈一波狀曲線，λ值既與Re有關(guān)，也與ε/r有關(guān)。Ⅳ區(qū)——紊流過渡區(qū)δε紊流層Ⅴ區(qū)——水力粗糙管區(qū)。在該區(qū)段，Re值較大，管內(nèi)液流的層流邊層已變得極薄，有ε>>δ，砂粒凸起高度幾乎全暴露在紊流核心中，故Re對λ值的影響極小，略去不計，相對糙度成為λ的唯一影響因素。故在該區(qū)段，λ與Re無關(guān)，而只與相對糙度有關(guān)。摩擦阻力與流速平方成正比，故稱為阻力平方區(qū)，尼古拉茲公式：Ⅴ區(qū)——水力粗糙管區(qū)當流體在圓形管道中作層流流動時，從理論上可以導(dǎo)出摩擦阻力計算式：

∵μ=ρ·ν∴

可得圓管層流時的沿程阻力系數(shù)：古拉茲實驗所得到的層流時λ與Re的關(guān)系，與理論分析得到的關(guān)系完全相同，理論與實驗的正確性得到相互的驗證。

層流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比。2．層流摩擦阻力

對于紊流運動，λ=f(Re，ε/r)，關(guān)系比較復(fù)雜。用當量直徑de=4S/U代替d，代入阻力通式，則得到紊流狀態(tài)下井巷的摩擦阻力計算式：3、紊流摩擦阻力1．摩擦阻力系數(shù)α

礦井中大多數(shù)通風(fēng)井巷風(fēng)流的Re值已進入阻力平方區(qū)，λ值只與相對糙度有關(guān)，對于幾何尺寸和支護已定型的井巷，相對糙度一定，則λ可視為定值；在標準狀態(tài)下空氣密度ρ=1.2kg/m3。對上式，令：

α稱為摩擦阻力系數(shù)，單位為kg/m3或N.s2/m4。二、摩擦阻力系數(shù)與摩擦風(fēng)阻則標準摩擦阻力系數(shù)：

通過大量實驗和實測所得的、在標準狀態(tài)（ρ0=1.2kg/m3）條件下的井巷的摩擦阻力系數(shù)，即所謂標準值α0值，當井巷中空氣密度ρ≠1.2kg/m3時，其α值應(yīng)按下式修正：α值的修正對于已給定的井巷，L、U、S都為已知數(shù)，故可把上式中的α、L、U、S歸結(jié)為一個參數(shù)Rf：Rf稱為巷道的摩擦風(fēng)阻，其單位為：kg/m7或N.s2/m8。工程單位：kgf.s2/m8

，或?qū)懗桑簁μ。1N.s2/m8=9.8kμRf＝f(ρ,ε,S,U,L)

。在正常條件下當某一段井巷中的空氣密度ρ一般變化不大時，可將Rf看作是反映井巷幾何特征的參數(shù)。則得到紊流狀態(tài)下井巷的摩擦阻力計算式寫為：2．摩擦風(fēng)阻Rf三、井巷摩擦阻力計算方法新建礦井：查表得α0αRfhf

生產(chǎn)礦井：hfRfαα0

井巷摩擦阻力計算方法1、壓差計法用壓差計法測定通風(fēng)阻力的實質(zhì)是測量風(fēng)流兩點間的勢能差和動壓差，計算出兩測點間的通阻力。其中：右側(cè)的第二項為動壓差，通過測定１、２兩斷面的風(fēng)速、大氣壓、干濕球溫度，即可計算出它們的值。第一項和第三項之和稱為勢能差，需通過實際測定。

1）布置方式及連接方法＋－＋－z1z2１２２１四、生產(chǎn)礦井一段巷道阻力測定２）阻力計算壓差計“＋”感受的壓力：壓差計“－”感受的壓力：故壓差計所示測值：設(shè)且與1、2斷面間巷道中空氣平均密度相等，則：式中：Z12為1、2斷面高差，h值即為1、2兩斷面壓能與位能和的差值。根據(jù)能量方程，則1、2巷道段的通風(fēng)阻力hR12為：

＋－＋－z1z2１２２１由能量方程：hR12=(P1-P2)+(1v12/2-2v22/2)+m12gZ12用精密氣壓計分別測得1，2斷面的靜壓P1，P2用干濕球溫度計測得t1,t2,t1’,t2’,和1,2，進而計算1、22、氣壓計法＋－＋－z1z2１２２１用風(fēng)表測定1，2斷面的風(fēng)速v1,v2。m12為1，2斷面的平均密度，若高差不大，就用算術(shù)平均值，若高差大，則有加權(quán)平均值；Z12——1，2斷面高差，從采掘工程平面圖查得?？捎弥瘘c測定法，一臺儀器在井底車場監(jiān)視大氣壓變化，然后對上式進行修正。hR12=(P1-P2)+P12（+(1v12/2-2v22/2)+m12gZ12＋－＋－z1z2１２２１解根據(jù)所給的d0、Δ、S值，由附錄4附表4-4查得:α0=284.2×10－4×0.88=0.025Ns2/m4則：巷道實際摩擦阻力系數(shù)Ns2／m4巷道摩擦風(fēng)阻巷道摩擦阻力 例題：某設(shè)計巷道為梯形斷面，S=8m2，L=1000m，采用工字鋼棚支護，支架截面高度d0=14cm，縱口徑Δ=5，計劃通過風(fēng)量Q=1200m3/min，預(yù)計巷道中空氣密度ρ=1.25kg/m3，求該段巷道的通風(fēng)阻力。3.選用周界較小的井巷減少摩擦阻力的措施1.降低摩擦阻力系數(shù)2.擴大巷道斷面4.減小巷道的長度5.避免巷道內(nèi)風(fēng)量過大6.避免巷道內(nèi)風(fēng)量過于集中一、局部阻力由于井巷斷面、方向變化以及分岔或匯合等原因，使均勻流動在局部地區(qū)風(fēng)流受到影響而破壞，從而引起風(fēng)流速度場分布變化和產(chǎn)生渦流等，因而在局部地點產(chǎn)生一種附加的阻力，造成風(fēng)流的能量損失，這種阻力稱為局部阻力。局部阻力所產(chǎn)生風(fēng)流速度場分布的變化比較復(fù)雜。局部阻力一般發(fā)生在巷道拐彎、分叉、匯合、巷道斷面變化處、進風(fēng)井口、回風(fēng)井口處等。２、漸變

主要是由于沿流動方向出現(xiàn)減速增壓現(xiàn)象，在邊壁附近產(chǎn)生渦漩。因為Vhvp，壓差的作用方向與流動方向相反，使邊壁附近，流速本來就小，趨于0,在這些地方主流與邊壁面脫離，出現(xiàn)與主流相反的流動，呈現(xiàn)渦漩。

漸變狀態(tài)

３、轉(zhuǎn)彎處

流體質(zhì)點在轉(zhuǎn)彎處受到離心力作用，在外側(cè)出現(xiàn)減速增壓，出現(xiàn)渦漩。

轉(zhuǎn)彎狀態(tài)二、局部阻力及其計算

根據(jù)水力學(xué)包達—卡諾定律，局部阻力hl一般也用動壓的倍數(shù)來表示：，局部阻力hl一般也用動壓的倍數(shù)來表示：

式中：ξ——局部阻力系數(shù)，無因次。計算局部阻力，關(guān)鍵是局部阻力系數(shù)確定，因v=Q/S,當ξ確定后，便可用以下式子計算。

三、局部阻力系數(shù)(一)局部阻力系數(shù)ξ

紊流狀態(tài)局部阻力系數(shù)ξ一般主要取決于局部阻力物的形狀，而邊壁的粗糙程度為次要因素。主要有以下幾種代表性狀態(tài)1．突然擴大；2．突然縮小；3．逐漸擴大；4．轉(zhuǎn)彎。1．突然擴大

根據(jù)水力學(xué)包達—卡諾定律

式中：v1、v2——分別為小斷面和大斷面的平均流速，m/s；

S1、S2——分別為小斷面和大斷面的面積，m；

ρm——空氣平均密度，kg/m3。2．突然縮小

3．逐漸擴大

逐漸擴大的局部阻力比突然擴大小得多，其能量損失可認為由摩擦損失和擴張損失兩部分組成。當Θ＜20°時，漸擴段的局部阻力系數(shù)ξ可用下式求算：

式中α—風(fēng)道的摩擦阻力系數(shù)，Ns2/m4；

n—風(fēng)道大、小斷面積之比，即Ｓ2／Ｓ1；

θ—擴張角。

當巷高與巷寬之比H/b=1～2.5時

式中ξ0——假定邊壁完全光滑時，90°轉(zhuǎn)彎的局部阻力系數(shù)，其值可查表；

α——巷道的摩擦阻力系數(shù)，N.s2/m4；

β——巷道轉(zhuǎn)彎角度影響系數(shù)4．轉(zhuǎn)彎

5．風(fēng)流分叉與匯合

1)風(fēng)流分叉典型的分叉巷道如圖所示，1～2段的局部阻力hl１～2和1～3段的局部阻力hl１～3分別用下式計算：θ2θ31232)風(fēng)流匯合如圖所示，1～3段和2～3段的局部阻力hl１～3、hl2～3分別按下式計算：

式中：１３２θ1θ25．風(fēng)流分叉與匯合

巷道斷面變化地點示意圖四、局部阻力計算原則（一）局部阻力的計算：由于引起局部風(fēng)流能量損失的原因相同。因此，可以用突然擴大的局部阻力計算公式的形式作為所有其他類型局部阻力計算公式的普遍形式，主要差別在于各種類型的局部阻力具有不同的局部阻力系數(shù)，故計算局部阻力的普遍公式為，即:礦井的總通風(fēng)阻力就等于井巷所有的摩擦阻力、局部阻力之和。(二)局部阻力系數(shù)

由于引起局部風(fēng)流能量損失的原因相同。因此，可以用突然擴大的局部阻力計算公式的形式作為所有其他類型局部阻力計算公式的普遍形式，主要差別在于各種類型的局部阻力具有不同的局部阻力系數(shù)，局部阻力系數(shù)的確定，目前還無理論分析方法，必須根據(jù)實測或?qū)嶒瀬砬蟮?。實測局部阻力系數(shù)的方法如下：首先在產(chǎn)生局部阻力的井巷局部段的兩端適當選取兩個斷面，測出區(qū)段內(nèi)空氣的溫度、濕度氣壓，計算出空氣的密度；用風(fēng)表測定兩個斷面上的平均風(fēng)速，計算兩斷面的動壓差；用靜壓管或皮托管、壓差計、膠皮管測定兩個斷面間的靜壓差，并用動壓差校正全能量差(此全能量差就是區(qū)段的通風(fēng)阻力，包括摩擦阻力與局部阻力兩部分并等于摩擦阻力與局部阻力之和；測量巷道長度、斷面面積、周長，計算摩擦阻力；求得局部阻力，然后反算局部阻力系數(shù)。局部阻力系數(shù)測定

1.要盡可能避免斷面的突然擴大或突然縮小。2.盡可能避免拐90o的彎，在拐彎處的內(nèi)側(cè)和外側(cè)要做成斜面和圓弧形，拐彎的曲線半徑盡可能的大，或設(shè)置導(dǎo)風(fēng)板。3.盡可能避免突然分叉和突然匯合，在分叉和匯合處的內(nèi)側(cè)要做成斜面或圓弧形。4.對風(fēng)速大的風(fēng)筒，要懸掛平直，拐彎時曲率半徑盡可能加大。5.在主要巷道內(nèi)不得隨意停放車輛和材料。6.把正對風(fēng)流的固定物體做成流線形。二、降低局部阻力措施第四節(jié)礦井總風(fēng)阻與礦井等積孔當井巷的風(fēng)阻R保持不變時，通過井巷的風(fēng)量Q與井巷的通風(fēng)阻力h之間的關(guān)系是不變的，故可寫成一般形式：h＝RQ2（阻力定律）即風(fēng)量Q與通風(fēng)阻力只能按照阻力定律變化，用縱坐標表示通風(fēng)阻力(或壓力)，橫坐標表示通過風(fēng)量，當風(fēng)阻為R時，則每一風(fēng)量Qi值，便有一阻力hi值與之對應(yīng)，根據(jù)坐標點（Qi,hi）即可畫出一條拋物線。這條曲線就叫該（礦井）井巷的阻力特性曲線。風(fēng)阻R越大，曲線越陡。一、阻力特性曲線一、礦井（井巷）風(fēng)阻特性曲線０QhR二、礦井總風(fēng)阻

從入風(fēng)井口到主要通風(fēng)機入口，把順序連接的各段井巷的通風(fēng)阻力累加起來，就得到礦井通風(fēng)總阻力hRm，這就是井巷通風(fēng)阻力的疊加原則。已知礦井通風(fēng)總阻力hRm和礦井總風(fēng)量Q，即可求得礦井總風(fēng)阻：

N.s2/m8

三、礦井等積孔

井巷風(fēng)阻是反映礦井（井巷）通風(fēng)難易程度的一個指標，除此之外，常用礦井（井巷）等積孔作為衡量礦井通風(fēng)難易程度的指標。假定在無限空間有一薄壁，在薄壁上開一面積為A(m2)的理想孔口

(所謂理想孔口系指空氣流過此孔口時不發(fā)生能量損失)?？卓趦蓚?cè)空氣的絕對靜壓差等于井巷的通風(fēng)阻力，且在壓力差作用下，通過孔口的風(fēng)量等于礦井風(fēng)量，則孔口面積A稱為該礦井（井巷）的等積孔。設(shè)風(fēng)流從I→II，且無能量損失，則有：得：等積孔風(fēng)流收縮處斷面面積A2與孔口面積A之比稱為收縮系數(shù)φ，由水力學(xué)可知，一般φ=0.65，故A2=0.65A。則v2＝Q/A2=Q/0.65A，代入上式后并整理得：取ρ=1.2kg/m3，則：因Rm=hＲm／Ｑ2，故有由此可見，A是Rm的函數(shù)，故可以表示礦井通風(fēng)的難易程度。

當A＞２，容易；A＝１~2，中等；A＜１困難。等積孔礦井阻力等級表礦井通風(fēng)阻力等級等積孔風(fēng)阻值大阻力礦中等阻力礦小阻力礦A<１A=１~2A>２R>1.42R=0.355～1.42R<0.355例題3-7某礦井為中央式通風(fēng)系統(tǒng)，測得礦井通風(fēng)總阻力h