痛风安全学3.ppt
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1、第三章第三章 井巷通风阻力井巷通风阻力l本章重点和难点:本章重点和难点:l摩擦阻力和局部阻力产生的摩擦阻力和局部阻力产生的原因和测算原因和测算第三章第三章 井巷通风阻力井巷通风阻力 当空气沿井巷运动时,由于风流的粘滞性和惯性以及井巷壁面等对风流当空气沿井巷运动时,由于风流的粘滞性和惯性以及井巷壁面等对风流的阻滞、扰动作用而形成通风阻力,它是造成风流能量损失的原因。井的阻滞、扰动作用而形成通风阻力,它是造成风流能量损失的原因。井巷通风阻力可分为两类:摩擦阻力巷通风阻力可分为两类:摩擦阻力(也称为沿程阻力也称为沿程阻力)和局部阻力。和局部阻力。第一节第一节 井巷断面上风速分布井巷断面上风速分布 一
2、、风流流态一、风流流态1 1、管道流、管道流 同同一一流流体体在在同同一一管管道道中中流流动动时时,不不同同的的流流速速,会会形形成成不不同同的的流流动动状状态态。当当流流速速较较低低时时,流流体体质质点点互互不不混混杂杂,沿沿着着与与管管轴轴平平行行的的方方向向作作层层状状运运动动,称称为为层层流流(或或滞滞流流)。当当流流速速较较大大时时,流流体体质质点点的的运运动动速速度度在在大大小小和和方方向向上都随时发生变化,成为互相混杂的紊乱流动,称为上都随时发生变化,成为互相混杂的紊乱流动,称为紊流紊流(或湍流或湍流)。()雷诺数()雷诺数Re Re 式中:平均流速式中:平均流速v v、管道直径
3、、管道直径d d和流体的运动粘性系数和流体的运动粘性系数 。在在实实际际工工程程计计算算中中,为为简简便便起起见见,通通常常以以R Re e=2300=2300作作为为管管道道流流动动流流态态的判定准数,即:的判定准数,即:R Re e2300 2300 层流,层流,R Re e2300 2300 紊流紊流()当量直径()当量直径 对于非圆形断面的井巷,对于非圆形断面的井巷,ReRe数中的管道直径数中的管道直径d d应以井巷断面的当量直应以井巷断面的当量直径径dede来表示:来表示:因此,非圆形断面井巷的雷诺数可用下式表示:因此,非圆形断面井巷的雷诺数可用下式表示:对于不同形状的井巷断面,其周
4、长对于不同形状的井巷断面,其周长U U与断面积与断面积S S的关系,可用下式表示:的关系,可用下式表示:式式中中:C C断断面面形形状状系系数数:梯梯形形C C=4.16=4.16;三三心心拱拱C C=3.85=3.85;半半圆圆拱拱C C=3.90=3.90。(举例见(举例见P38P38)二、井巷断面上风速分布二、井巷断面上风速分布()紊流脉动()紊流脉动 风流中各点的流速、压力等物理参数随时间风流中各点的流速、压力等物理参数随时间作不规则作不规则()时均速度()时均速度 瞬时速度瞬时速度 v vx x 随时间随时间的变化。其值虽然不断变化,但在的变化。其值虽然不断变化,但在一足够长的时间段
5、一足够长的时间段 T T 内,流速内,流速 v vx x 总是围绕着某一平均总是围绕着某一平均值上下波动。值上下波动。Tvxvxt()巷道风速分布)巷道风速分布 由于空气的粘性和井巷壁面摩擦影响,井巷断面上风速分布是不均匀的。由于空气的粘性和井巷壁面摩擦影响,井巷断面上风速分布是不均匀的。层流边层层流边层:在贴近壁面处仍存在层流运动薄层,:在贴近壁面处仍存在层流运动薄层,即层流边层即层流边层。其厚度。其厚度随随ReRe增加而变薄,它的存在对流动阻力、传热和传质过程有较大影响。增加而变薄,它的存在对流动阻力、传热和传质过程有较大影响。在层流边层以外,从巷壁向巷道轴心方向,风速逐渐增大,呈抛物线在
6、层流边层以外,从巷壁向巷道轴心方向,风速逐渐增大,呈抛物线分布。分布。平均风速:平均风速:则:则:Q QV V S Svvmaxvmax第二节第二节 摩擦风阻与阻力摩擦风阻与阻力一、摩擦阻力一、摩擦阻力 风风流流在在井井巷巷中中作作沿沿程程流流动动时时,由由于于流流体体层层间间的的摩摩擦擦和和流流体体与与井井巷巷壁壁面面之之间间的的摩摩擦擦所所形形成成的的阻阻力力称称为为摩摩擦擦阻阻力力(也也叫叫沿沿程阻力程阻力)。由由流流体体力力学学可可知知,无无论论层层流流还还是是紊紊流流,以以风风流流压压能能损损失失来来反映的摩擦阻力可用下式来计算:反映的摩擦阻力可用下式来计算:无因次系数,即摩擦阻力系
7、数,通过实验求得。无因次系数,即摩擦阻力系数,通过实验求得。d d圆形风管直径,非圆形管用当量直径;圆形风管直径,非圆形管用当量直径;2 2层流摩擦阻力层流摩擦阻力当当流流体体在在圆圆形形管管道道中中作作层层流流流流动动时时,从从理理论论上上可可以以导出摩擦阻力计算式:导出摩擦阻力计算式:可得圆管层流时的沿程阻力系数:可得圆管层流时的沿程阻力系数:层流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比。层流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比。3 3、紊流摩擦阻力、紊流摩擦阻力 对对于于紊紊流流运运动动,=f=f(Re(Re,/r)/r),关关系系比比较较复复杂杂。用当量直径用当量直径dede=4=4S S/U U
8、代替代替d d,代入阻力通式,则得:,代入阻力通式,则得:二、摩擦阻力系数与摩擦风阻二、摩擦阻力系数与摩擦风阻1 1摩擦阻力系数摩擦阻力系数 紊流区,紊流区,值只与相对糙度有关,对于几何尺寸和支护已定型的井值只与相对糙度有关,对于几何尺寸和支护已定型的井巷,相对糙度一定,则巷,相对糙度一定,则可视为定值;在标准状态下空气密度可视为定值;在标准状态下空气密度=1.2kg/m=1.2kg/m3 3。对上式,对上式,令:令:称为摩擦阻力系数称为摩擦阻力系数,单位为,单位为 kg/mkg/m3 3 或或 N.s N.s2 2/m/m4 4。则得到:则得到:通过大量实验和实测所得的、在标准状态(通过大量
9、实验和实测所得的、在标准状态(0 0=1.2kg/m=1.2kg/m3 3)条件下的)条件下的井巷的摩擦阻力系数,井巷的摩擦阻力系数,即所谓标准值即所谓标准值0 0值值,当井巷中空气密度,当井巷中空气密度1.2kg/m1.2kg/m3 3时,其时,其值应按下式修正:值应按下式修正:2 2摩擦风阻摩擦风阻R Rf f 对对于于已已给给定定的的井井巷巷,L L、U U、S S都都为为已已知知数数,故故可可把把上上式式中中的的、L L、U U、S S 归结为一个参数归结为一个参数R Rf f:单位为:单位为:kg/mkg/m7 7 或或 N.s N.s2 2/m/m8 8(即(即kk)。)。1 N.
10、s1 N.s2 2/m/m8 8=9.8 k=9.8 k则:则:此式就是完全紊流此式就是完全紊流(进入阻力平方区进入阻力平方区)下的摩擦阻力定律。下的摩擦阻力定律。三、井巷摩擦阻力计算方法三、井巷摩擦阻力计算方法 新建矿井:查表得新建矿井:查表得0 0 R Rf f h hf f 生产矿井:生产矿井:h hf f R Rf f 0 0 例例题题3-33-3某某设设计计巷巷道道为为梯梯形形断断面面,S S=8m=8m2 2,L L=1000m=1000m,采采用用工工字字钢钢棚棚支支护护,支支架架截截面面高高度度d d0 0=14cm=14cm,纵纵口口径径=5=5,计计划划通通过过风风量量Q=
11、1200mQ=1200m3 3/min/min,预预计计巷巷道中空气密度道中空气密度=1.25kg/m=1.25kg/m3 3,求该段巷道的通风阻力。,求该段巷道的通风阻力。解解 根据所给的根据所给的d d0 0、S S值,由附录值,由附录5 5附表附表5-45-4查得查得:0 0=284.2=284.210104 40.88=0.025Ns0.88=0.025Ns2 2/m/m4 4则:巷道实际摩擦阻力系数则:巷道实际摩擦阻力系数 Ns Ns2 2m m4 4巷道摩擦风阻巷道摩擦风阻巷道摩擦阻力巷道摩擦阻力第三节第三节 局部风阻与阻力局部风阻与阻力 由由于于井井巷巷断断面面、方方向向变变化化
12、以以及及分分岔岔或或汇汇合合等等原原因因,使使均均匀匀流流动动在在局局部部地地区区受受到到影影响响而而破破坏坏,从从而而引引起起风风流流速速度度场场分分布布变变化化和和产产生生涡涡流流等等,造造成成风风流流的的能能量量损损失失,这这种种阻阻力力称称为为局局部部阻阻力力。由由于于局局部部阻阻力力所所产产生生风风流流速速度度场分布的变化比较复杂性,对局部阻力的计算一般采用经验公式。场分布的变化比较复杂性,对局部阻力的计算一般采用经验公式。一、局部阻力及其计算一、局部阻力及其计算 和摩擦阻力类似,局部阻力和摩擦阻力类似,局部阻力h hl l一般也用动压的倍数来表示:一般也用动压的倍数来表示:式中:式
13、中:局部阻力系数,无因次。层流局部阻力系数,无因次。层流 计算局部阻力计算局部阻力,关键是局部阻力系数确定,因,关键是局部阻力系数确定,因v=Q/S,v=Q/S,当当确定后,便可用确定后,便可用 几种常见的局部阻力产生的类型:几种常见的局部阻力产生的类型:、突变、突变 紊流通过突变部分时,由于惯性作用,出现主流与边壁脱离的现紊流通过突变部分时,由于惯性作用,出现主流与边壁脱离的现象,在主流与边壁之间形成涡漩区,从而增加能量损失。象,在主流与边壁之间形成涡漩区,从而增加能量损失。、渐变、渐变 主要是由于沿流动方向出现减速增压现象,在边壁附近产生涡漩。主要是由于沿流动方向出现减速增压现象,在边壁附
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