通風(fēng)安全課件 第02章 礦井空氣流動(dòng)

本章學(xué)習(xí)思路風(fēng)流能量與點(diǎn)壓力靜壓能、位能與動(dòng)能靜壓、全壓與動(dòng)壓能量方程能量方程的應(yīng)用單位質(zhì)量能量方程單位體積能量方程第二章礦井空氣流動(dòng)的基本理論本章主要內(nèi)容和學(xué)習(xí)重點(diǎn)熟悉礦井空氣物理參數(shù)（溫度、壓力、密度、粘性、濕度）；掌握風(fēng)流的靜壓、位能和動(dòng)能的物理意義及特點(diǎn)；掌握風(fēng)流靜壓、全壓和動(dòng)壓之間的相互關(guān)系；掌握連續(xù)性方程、能量方程及其使用中的注意事項(xiàng)；掌握能量方程在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用。

風(fēng)流點(diǎn)壓力之間的相互關(guān)系能量在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用學(xué)習(xí)重點(diǎn)第一節(jié)空氣主要物理參數(shù)1溫度描述物體冷熱狀態(tài)的物理量攝氏溫標(biāo)t（℃）熱力學(xué)溫標(biāo)T（K）第一節(jié)空氣主要物理參數(shù)2壓力P空氣分子撞擊容器壁宏觀表現(xiàn)無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)換的機(jī)械能部分

單位：Pa，kPa，MPa，mmH2O影響因素：位置、溫度、濕度、氣體成分第一節(jié)空氣主要物理參數(shù)3密度、比容根據(jù)氣體狀態(tài)方程和道爾頓定律：空氣的比容：?jiǎn)挝毁|(zhì)量空氣所占有的體積。密度定義：?jiǎn)挝惑w積空氣所具有的質(zhì)量。濕空氣密度第一節(jié)空氣主要物理參數(shù)4粘性流體相互之間的摩擦阻力表現(xiàn)的宏觀特性。大小受溫度影響較大。VyF－

內(nèi)摩擦力，N；S－

流層之間的接觸面積，m2；μ－動(dòng)力粘度，Pa?S。氣體粘性隨溫度的升高而增大；液體的粘性隨溫度的升高而減小。ν－運(yùn)動(dòng)粘度，m2/S。第一節(jié)空氣主要物理參數(shù)5濕度絕對(duì)濕度相對(duì)溫度含濕量每立方米空氣中所含水蒸汽的質(zhì)量。反映空氣中實(shí)際所含水蒸氣量的大小。單位體積空氣中實(shí)際含有的水蒸汽量ρv與其同溫度下的飽和水蒸汽含量ρs之比。含有1kg干空氣的濕空氣中所含水蒸汽的質(zhì)量。反映空氣中增加水蒸氣的能力。第二節(jié)風(fēng)流能量與壓力一、靜壓能-靜壓1風(fēng)流能量與壓力靜壓能EP：分子熱運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為對(duì)外作功的機(jī)械能。靜壓P：分子撞擊器壁上力的效應(yīng)。特點(diǎn)空氣中靜壓力一直存在；靜壓各向同值，垂直于作用面；風(fēng)流靜壓的大小體現(xiàn)的是能對(duì)外作功的靜壓能的多少。靜壓與靜壓能數(shù)值上相等。第二節(jié)風(fēng)流能量與壓力一、靜壓能-靜壓1風(fēng)流能量與壓力靜壓（力）表示方法以真空為測(cè)算零點(diǎn)而測(cè)得的壓力。用P表示。以當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)赝瑯?biāo)高的大氣壓力為測(cè)算基準(zhǔn)測(cè)得的壓力。用h表示。相對(duì)壓力絕對(duì)壓力第二節(jié)風(fēng)流能量與壓力hB=PB

-P0hA=PA

-P0第二節(jié)風(fēng)流能量與壓力二、重力位能1風(fēng)流能量與壓力重力位能：物體在地球重力場(chǎng)中受地球引力的作用，由于位置的不同而具有的一種能量，用EPO

表示。取2-2點(diǎn)為基準(zhǔn)面；1-1、2-2斷面間再布置若干測(cè)點(diǎn)；加設(shè)a、b兩點(diǎn)，分別測(cè)出四點(diǎn)的靜壓(P)、溫度(t)、相對(duì)濕度(φ),計(jì)算出各點(diǎn)的密度和各測(cè)段的平均密度。單位體積氣體的位能：第二節(jié)風(fēng)流能量與壓力1風(fēng)流能量與壓力1-1斷面的總機(jī)械能2-2斷面的總機(jī)械能由E1=E2

得:由于EP02=0(2-2斷面為基準(zhǔn)面)，則：位能與靜壓的關(guān)系從而，空氣靜止時(shí)位能與靜壓之間的關(guān)系：位能與靜壓能之間可以互相轉(zhuǎn)化！第二節(jié)風(fēng)流能量與壓力1風(fēng)流能量與壓力位能是相對(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。但位能差為定值。位能是一種潛在的能量，它在本處對(duì)外無力的效應(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。位能和靜壓可以相互轉(zhuǎn)化，在進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化時(shí)遵循能量守恒定律。關(guān)于位能的說明第二節(jié)風(fēng)流能量與壓力三、動(dòng)能-動(dòng)壓1風(fēng)流能量與壓力動(dòng)壓：動(dòng)能所轉(zhuǎn)化顯現(xiàn)的壓力，用符號(hào)hv表示。有風(fēng)速有動(dòng)壓，有方向性；動(dòng)壓總大于零，垂直面所承受的動(dòng)壓最大；動(dòng)壓值隨在流動(dòng)方向橫截面上位置而變化；斷面動(dòng)壓是該斷面平均風(fēng)速計(jì)算值。第二節(jié)風(fēng)流能量與壓力一、風(fēng)流點(diǎn)壓力2風(fēng)流點(diǎn)壓力及其相互關(guān)系點(diǎn)壓力靜壓全壓動(dòng)壓hv相對(duì)靜壓h相對(duì)全壓ht絕對(duì)靜壓P絕對(duì)全壓Pt+=Pti

=Pi+hvihti

=hi+hvi第二節(jié)風(fēng)流能量與壓力2風(fēng)流點(diǎn)壓力及其相互關(guān)系(a)壓入式hti=Pti-P0i>0hti=Pti-P0i<0hihvihtihihvihti

(b)抽出式第二節(jié)風(fēng)流能量與壓力二、風(fēng)流點(diǎn)壓力的測(cè)定

2風(fēng)流點(diǎn)壓力及其相互關(guān)系皮托管測(cè)壓器械感壓傳壓測(cè)壓感壓傳壓測(cè)量膠皮管U型水柱計(jì)單管壓差計(jì)精密氣壓計(jì)hihvihti壓力計(jì)第二節(jié)風(fēng)流能量與壓力二、風(fēng)流點(diǎn)壓力的測(cè)定

2風(fēng)流點(diǎn)壓力及其相互關(guān)系感壓hihvihti第二節(jié)風(fēng)流能量與壓力二、風(fēng)流點(diǎn)壓力的測(cè)定

2風(fēng)流點(diǎn)壓力及其相互關(guān)系傳壓hihvihti第二節(jié)風(fēng)流能量與壓力二、風(fēng)流點(diǎn)壓力的測(cè)定

2風(fēng)流點(diǎn)壓力及其相互關(guān)系測(cè)壓儀器P350第二節(jié)風(fēng)流能量與壓力二、風(fēng)流點(diǎn)壓力的測(cè)定

2風(fēng)流點(diǎn)壓力及其相互關(guān)系測(cè)壓儀器第二節(jié)風(fēng)流能量與壓力二、風(fēng)流點(diǎn)壓力的測(cè)定

2風(fēng)流點(diǎn)壓力及其相互關(guān)系以水柱計(jì)的等壓面0-0為基準(zhǔn)面，設(shè)i點(diǎn)至基準(zhǔn)面的高度為z，膠皮管內(nèi)的空氣平均密度為ρm’，膠皮管外的空氣平均密度為ρm與i點(diǎn)同標(biāo)高的大氣壓P0。則水柱計(jì)等壓面0-0兩側(cè)的受力分別為：水柱計(jì)右邊等壓面：水柱計(jì)左邊邊等壓面：由等壓面的定義得：i第二節(jié)風(fēng)流能量與壓力三、風(fēng)流點(diǎn)壓力的相互關(guān)系

2風(fēng)流點(diǎn)壓力及其相互關(guān)系基本：全壓總是等于靜壓與動(dòng)壓的代數(shù)和。對(duì)于抽出式通風(fēng):第二節(jié)風(fēng)流能量與壓力2風(fēng)流點(diǎn)壓力及其相互關(guān)系例題教材P22第三節(jié)通風(fēng)能量方程1空氣流動(dòng)連續(xù)性方程穩(wěn)定流：流入某空間的流體質(zhì)量等于流出其的流體質(zhì)量。不可壓縮流體ρ１＝ρ２，則V1S1＝V２

S２第三節(jié)通風(fēng)能量方程2可壓縮流體能量方程一、單位質(zhì)量（1Kg）流體能量方程

風(fēng)流的能量機(jī)械能內(nèi)能靜壓能動(dòng)壓能位能u=f（T，P）EPEPoEv第三節(jié)通風(fēng)能量方程2可壓縮流體能量方程假設(shè)：1kg空氣由1斷面流至2斷面的過程中，

q（J/kg）：外界傳遞給風(fēng)流的熱量（巖石、機(jī)電設(shè)備等）；

LR（J/kg）：克服流動(dòng)阻力消耗的能量；

qR（J/kg）：LR部分轉(zhuǎn)化的熱量(這部分被消耗的能量將轉(zhuǎn)化成熱能仍存在于空氣中）。第三節(jié)通風(fēng)能量方程2可壓縮流體能量方程能量守恒定律：根據(jù)熱力學(xué)第一定律，傳給空氣的熱量（qR+q），用于增加空氣的內(nèi)能和空氣膨脹對(duì)外作功，即：

式中：v為空氣的比容，m3/kg。又因：第三節(jié)通風(fēng)能量方程上述三式整理得：即為：?jiǎn)挝毁|(zhì)量可壓縮空氣在無壓源的井巷中流動(dòng)時(shí)能量方程的一般形式。式中稱為伯努力積分項(xiàng)，它反映了風(fēng)流從1斷面流至2斷面的過程中的靜壓能變化，它與空氣流動(dòng)過程的狀態(tài)密切相關(guān)。對(duì)于不同的狀態(tài)過程，其積分結(jié)果是不同的。第三節(jié)通風(fēng)能量方程對(duì)于多變過程，過程指數(shù)為n，對(duì)伯努利積分進(jìn)行積分計(jì)算，可得到：?jiǎn)挝毁|(zhì)量可壓縮空氣在無壓源的井巷中流動(dòng)時(shí)能量方程可寫成如下一般形式。過程指數(shù)n按下式計(jì)算：第三節(jié)通風(fēng)能量方程式中m表示1，2斷面間按狀態(tài)過程考慮的空氣平均密度，得：令

單位質(zhì)量流體能量方程為：

第三節(jié)通風(fēng)能量方程則單位質(zhì)量流量的能量方程式又可寫為：

有壓源無壓源第三節(jié)通風(fēng)能量方程礦井通風(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)過程中的能量損失（LRJ/Kg）乘以按流動(dòng)過程狀態(tài)考慮計(jì)算的空氣密度m，即：hR=LR.m；

單位體積(1m3)流量的能量方程的書寫形式為：二、單位體積（1m3）流體能量方程

第三節(jié)通風(fēng)能量方程關(guān)于單位體積能量方程幾點(diǎn)說明：1m3空氣在流動(dòng)過程中的能量損失（通風(fēng)阻力）等于兩斷面間的機(jī)械能差。gm（Z1-Z2）是1、2斷面的位能差。當(dāng)1、2斷面的標(biāo)高差較大的情況下，該項(xiàng)數(shù)值在方程中往往占有很大的比重，必須準(zhǔn)確測(cè)算。其中，關(guān)鍵是m的計(jì)算，及基準(zhǔn)面的選取。

m的測(cè)算原則：將1－2測(cè)段分為若干段，計(jì)算各測(cè)定斷面的空氣密度(測(cè)定P、t、φ)，求其幾何平均值

基準(zhǔn)面選?。喝y(cè)段之間的最低標(biāo)高作為基準(zhǔn)面。第三節(jié)通風(fēng)能量方程例如：如圖所示的通風(fēng)系統(tǒng)，如要求1、2斷面的位能差，基準(zhǔn)面可選在2的位置。其位能差為：而要求1、3兩斷面的位能差，其基準(zhǔn)面應(yīng)選在0-0位置。其位能差為：

第三節(jié)通風(fēng)能量方程是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。即上式寫成：其中：ρ１、ρ2分別為1、２斷面風(fēng)流的平均氣密度。第三節(jié)通風(fēng)能量方程單位體積流體的能量方程可近似的寫成：

無壓源有壓源第三節(jié)通風(fēng)能量方程能量方程的意義是表示1kg（或1m3）空氣由1斷面流向2斷面的過程中所消耗的能量（通風(fēng)阻力），等于流經(jīng)1、2斷面間空氣總機(jī)械能（靜壓能、動(dòng)壓能和位能）的變化量。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；所研究的始、末斷面要選在緩變流場(chǎng)上。三、關(guān)于能量方程使用的幾點(diǎn)說明第三節(jié)通風(fēng)能量方程風(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。判斷風(fēng)流方向時(shí)，以始末兩斷面上的總能量確定。不知風(fēng)流方向時(shí)，應(yīng)先假設(shè)風(fēng)流方向，如果計(jì)算出的能量損失（通風(fēng)阻力）為正，說明風(fēng)流方向假設(shè)正確；如果為負(fù)，則風(fēng)流方與假設(shè)相反。正確選擇求位能時(shí)的基準(zhǔn)面。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。第三節(jié)通風(fēng)能量方程應(yīng)用能量方程時(shí)要注意各項(xiàng)單位的一致性。對(duì)于流動(dòng)過程中流量發(fā)生變化，則按總能量守恒與轉(zhuǎn)換定律列方程：312第三節(jié)通風(fēng)能量方程例1、在某一通風(fēng)井巷中，測(cè)得1、2兩斷面的絕對(duì)靜壓分別為101324.7Pa和101858Pa，若S1=S2，兩斷面間的高差Z1-Z2=100米，巷道中m12=1.2kg/m3，求：1、2兩斷面間的通風(fēng)阻力，并判斷風(fēng)流方向。

=（101324.7－101858）＋0＋100×9.81×1.2=643.9J/m3。解：假設(shè)風(fēng)流方向12，列能量方程：由于阻力值為正，所以原假設(shè)風(fēng)流方向正確，12。第四節(jié)能量方程在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用水平風(fēng)道的通風(fēng)能量（壓力）坡度線一、能量（壓力）坡度線的作法對(duì)象通風(fēng)機(jī)－水平風(fēng)道系統(tǒng)，通風(fēng)機(jī)作壓－抽式工作，水平風(fēng)道在抽出段有一斷面突然擴(kuò)大和突然縮小，在水平風(fēng)道出風(fēng)口安裝了一個(gè)喇叭形擴(kuò)散器。通風(fēng)機(jī)水平風(fēng)道突然擴(kuò)大突然縮小擴(kuò)散器圖2-4-1通風(fēng)機(jī)——水平風(fēng)道系統(tǒng)第四節(jié)能量方程在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用（1）入口斷面與出口斷面兩個(gè)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，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，即：Pex=P0，所以，hex=0，htex=hvex；（2）參數(shù)計(jì)算，利用能量方程及風(fēng)流點(diǎn)壓力的相互關(guān)系求解各點(diǎn)參數(shù)（3）以流程作為橫坐標(biāo)，以壓力作為縱坐標(biāo)，連接各測(cè)點(diǎn)的靜壓和全壓，得到能量坡度線。第四節(jié)能量方程在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用2??1??11??7??8??9??10??3??4??5??6??流程Pt1P1P2Pt2P11Pt11第四節(jié)能量方程在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用

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)阻力就等于兩斷面的全壓差：∵∴

二、能量（壓力）坡度線的分析第四節(jié)能量方程在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用抽出段求入口斷面至i斷面的通風(fēng)阻力：即：入口至任意斷面i的通風(fēng)阻力（hR1～i）就等于該斷面的相對(duì)全壓（hti）的絕對(duì)值。壓入段求任意斷面i至出口的通風(fēng)阻力：

即：壓入段任意斷面i至出口的通風(fēng)阻力（hRi～11）等于該斷面的相對(duì)全壓（hti）減去出口斷面的動(dòng)壓（hv11）。第四節(jié)能量方程在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用絕對(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；全壓一定時(shí)，靜壓和動(dòng)壓(非水平巷道還有位能)可相互轉(zhuǎn)換；判斷風(fēng)流方向時(shí)，水平巷道應(yīng)用全壓，傾斜巷道使用全能量；水平風(fēng)道中，全壓坡度線上兩斷面間的全壓降低值為兩端面間通風(fēng)阻力。2）能量（壓力）坡度線直觀明了地表達(dá)了風(fēng)流流動(dòng)過程中的能量變化第四節(jié)能量方程在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用

3）擴(kuò)散器回收動(dòng)能（相對(duì)靜壓為負(fù)值）擴(kuò)散器回收動(dòng)能：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）相比較來確定，即：hv=hvex－h(huán)vex’hRd

合理hv=hvex－h(huán)vex’<hRd

不合理第四節(jié)能量方程在礦井通風(fēng)中的應(yīng)用在壓入段出現(xiàn)相對(duì)靜壓為負(fù)值的現(xiàn)象分析：對(duì)10

～11

段列能量方程：

hR10～11

=(P10＋hv10)－(P11+hv11)=P10＋hv10－P0－h(huán)v11