1、第三章 井巷通风阻力(2 学时) (第一、二节)1. 上次课内容回顾(510min)1.1 上次课所讲的主要内容矿井通风能量方程,讲到空气流动连续性方程,单位质量流量能量方程,单位体积流量能量方程及通风能量(压力)坡度线。1.2 能解决的实际问题(一)矿井通风阻力的计算。(二)矿井能量压力坡度线的画法,从图形上直观地看出空气在流动过程中能量(压力)沿程变化规律。(三)风流方向的判断。2.本节课内容的引入(5min)2.1 本节课讨论的内容与上次课内容的关联。2.2 本节课主要谈论的内容。井巷断面的风速分布,摩擦风阻及阻力。2.3 思考题(1)摩擦阻力与摩擦风阻有何不同?(2)试结合矿井实际情况
2、如何降低矿井的摩擦阻力?(3)矿井风量与摩擦阻力有何关系,从降低摩擦阻力的角度,应如何控制风量?3.内容讨论与课堂讲述(6070min) 。第一节 井巷断面上的风速分布一、风流流态(一)管道流1883 年英国物理学家雷诺(0Reyndds)通过实验发现,同一流体在同一管道中流动时,不同的流速,会形成不同的流动状态。当流速较低时,流体质点互不混杂,沿藏与管轴乎行的方向做层状运动,称为层流( 或滞流 )。粘性摩擦流动。当流速较大时,流体质点的运动速度在大小和方向上都随时发生变化,成为互相混杂的紊乱流动,称为紊流(或湍流)。附加剪切阻力的流动。流体力学中定义:由运动速度不同的层面剪切阻力所引起的粘性
3、摩擦流动称为层流。由涡流所生成的紊流交错而产生附加剪切阻力的流动,称为紊流。雷诺曾用各种流体在不同直径的管路中进行了大量实验,发现流体的流动状态与平均流速 v 管道直径 d 和流体的运动粘性系数 有关。可用一个无因次准数来判别流体的流动状态,这个无因次准数就叫雷诺数,用 Re 表示,即:Red2ms实验表明: 层流(下临界雷诺数)e紊流(上临界雷诺数)过渡区。230R实际工程计算中,为简便起见,通常用 Re=2320 来判断管路流动的流态。层流, 紊流。ReRe对于非圆形断面的井巷来说,Re 数中的管道直径应该以井巷断面的当量直径来表示,当量直径用 de 表示。则: s/u 也称为水力半径。4
4、sdeu断 面 积周 长 ucs则,非圆形断面井巷的雷诺数为:Revs 为空气的运动粘性系数,通常取 1510-6m2/s;例:某梯形巷道,采用工字钢支护,断面 S=9m2,巷道中风量为Q=240m3/min,试判别风流流态。解: 4 Q4Re8461530.3Svu故巷道中风流为紊流。例:巷道条件同前,求相应于 Re2300 时的层流临界风速。解:6e2304.1650.12/49vVmss规程规定,井巷中最低允许风速为 0.15m/s,由此可见,矿井内所有通风井巷中的风流均呈紊流状态。只有在采区冒落带,煤岩柱裂隙中的漏风风流才有可能出现层流状态,用孔隙介质流来判断。(二)孔隙介质流在采空区
5、和煤层等多孔介质中风流的流态判别准数为:Revkl式中:k冒落带渗流系数,m 2;L滤流带粗糙度系数,m。Re=0.25层流,Re=0.25 紊流。0.254000, ( 3.6)时,此时层流边层厚度 大于管l道的绝对粘度 , 与 /r 无明显关系,而与 Re有关。区:由水力光滑管区变为水力粗糙管区的过渡区, 与 Re。/r 都有关系。区:水力粗糙管区, 远大于 。故 Re对 值影响较小,略去不计,/r成为 的唯一影响因素。在此区段内,对于 /r 一定的管道, 为定值,摩擦阻力与流速平方成正比,故此区又称为阻力平方区。此区内 12 r( .74 lg)此式,应用较为普遍,称为尼古拉兹公式。(三
6、)层流摩擦阻力, , , 。2flvhd6Re vd4esu则: 。层流摩擦阻力与平均流速的一次22264Reflllvs方成正比。(四)紊流摩擦阻力对于紊流运动, 关系比较复杂。(Re,/)fr用 代入 得, 。4sdeu2flvhd2238flulhvss二、摩擦阻力系数(一)摩擦阻力系数对于矿井中大多数通风井巷,Re 值已进入阻力平方区,/r 一定时则 为定值。在标准状态下空气密度 1.2kg/m 3,令: 8其中 便称为摩擦阻力系数,单位为:kg/m 3或 Ns2/m4。则: , 值一段是通过实验测得的,称为标准 o。23fluhs当空气密度 1.2kg/m 3时,可进行修正1.(二)
7、摩擦阻力 Rf对于给定的巷道,L、U、S 为定值时,故可把 、L、U、S 归为一个系数Rf 3f便称为巷道的摩擦风阻。单位为:kg/m 7,或 NS2/m8,将 代入f 3fLRS中,则: 此式即为紊流状态下的摩擦阻力定律。3fLUhSffhR三、井巷摩擦阻力计算方法例:某巷道为梯形断面,S8m 2,L=1000m,工字钢支护,支架截面高度=14cm,纵口径5,计划通过风量为 Q=1200m3/min,预计巷道中空气密度1.25kg/m 3,求该段巷道的通风阻力。解:根据 do、S 查出 24284. S/m则由 ,得:1. 241.50.0.6S/ 则: 28334.8R26.9/fLUS则
8、 20.598.2ffhQPa4.课堂小结4.1本节课所讲的主要内容风速在井巷断面上的分布,摩擦阻力定律即摩擦阻力的计算,摩擦阻力系数,摩擦风阻,尼古拉兹实验。4.2重点摩擦阻力定律即摩擦阻力的计算,尼古拉兹实验。4.3难点尼古拉兹实验即摩擦阻力定律。4.4能解决的实际问题(1)判断井巷风流状态;(2)摩擦阻力系数及摩擦风阻值的计算;(3)摩擦阻力的计算。4.5下次课将要讨论的内容局部风阻与阻力、矿井总风阻及等积孔。及降低矿井通风阻力的措施。5、作业31,32,33,34,37,38,39第三章 井巷通风阻力第三节 局部风阻与阻力 第四节 矿井总风阻与等积孔第五节 降低矿井通风阻力的措施 (三
9、学时)1. 上次课内容回顾(510min)11、所讲主要内容井巷断面上风速分布,尼古拉兹实验,摩擦阻力定律及计算。12、能解决的实际问题(1) 判断井巷中风流流动状态;(2) 摩擦阻力系数与摩擦风阻的计算;(3) 摩擦阻力的计算。2、本节课内容的引入(5min)2.1本节课所讲内容与上此课内容的关联。2.2所讨论的主要内容局部风阻与阻力,矿井总风阻与等积孔及降低矿井通风阻力的措施。2.3思考题(1)局部阻力是如何产生?(2)目前所用等积孔的计算方法分级标准有什么不足之处?(3)结合矿井实际,如何降低矿井通风阻力?3、内容讲述与课堂讨论(100110min) 。第三节 局部风阻与阻力局部阻力:在
10、风流流动过程中,由于井巷断面、方向变化以及分岔或汇合等原因,使均匀流动在局部地区受到影响而破坏,从而引起风流速度场分布变化和产生涡流等造成风流的能量损失,这种阻力称为局部阻力。边壁变化的形式很多,加上系统的复杂性,对局部阻力的计算一般多采用经验公式。一、局部阻力及其计算和摩擦阻力类似,局部阻力 一般也用动压的倍数来表示,lh,若 ,则 ,式中, 局部阻力系数,无因次。2lhvs2Sl实验表明:在层流条件下,流体经过局部阻力物后,仍保持层流,局部阻力仍是由流层之间的粘性切应力引起的,只是由于边壁变化;使流速在重新分布,加强了相邻流层间的相对运动,而增加了局部能量损失。此时,局部阻力系数 与 Re
11、成反比,即 式中:B因局部阻力物形式不同而异的 Re常数。局部阻力物影响而仍能保持层流者,只有在 Re-v则: 212-Pv()0.65RmhA所以: 取 ;20.65(/)RmAh312/kg则: , m 2,1.9R又因为: 则: , m 2,2h1.9AR由此可见,A 是 Rm的函数,故可以表示矿井通风的难易程度,且单位简单,又形象。根据矿井等积孔的大小,将其分为三级,详见下表;矿井通风难易程度 矿井总风阻 R m /NS2/m8 等积孔 A/m2容易 2中等 0.3551.420 12困难 1.420 150万 t/a的矿井,必须满足 A5m2;矿井产量 T在 60150 万 t/a的
12、矿井,必须满足 A在 45m 2;矿井产量 T2m2,通风容易,起标准偏低。从广义上来说,判断一个矿井通风困难与否,应该从全矿和井下各用风区域是否容易达到所需风量来衡量,具体是: 矿井总风量是否足够; 全矿总 1 2风阻是否过大; 井下各用风地点的风量调配是否容易。 3等积孔虽有其片面性,但到目前为止还找不到比等积孔更直观地来评价矿井通风难易程度的单项指标,要想用等积孔来评价矿井通风难易程度应该根据矿井通风调风难度程度、主要通风机能力、矿井供风量大小、矿井漏风状况来判定。一般来说,如果矿井等积孔较大,如果矿井调风困难,应属通风困难矿井。虽然矿井等积孔较小,若主要通风机能量大、矿井供风量足,且调
13、风容易,也属通风容易矿井。对调风难易状况相同的矿井,一般来讲,矿井等积孔大的矿井比等积孔小的矿井通风容易。对等积孔接近的不同矿井,一般来讲,调风容易的矿井比调风困难的矿井通风容易。第五节 降低矿井通风阻力的措施降低矿井通风阻力,对保证矿井安全生产和提高经济效益都是有重要意义。由于矿井通风系统的阻力等于该系统最大阻力路线上的各分支的摩擦阻力之和。因此应从这两个方面来降阻。一、降低井巷摩擦阻力措施1、减小摩擦阻力系数 8 与(r/)有关系,因此施工时尽可能使井巷壁面光滑。2、保持足够大的断面S增大,则 Rf越小。3fLUR3、选用周长较小的巷道当 S一定时, U越小 R f越小。C4、减小巷道长度
14、L减小,R f减小。3fR5、避免风量过于集中减小, 减小。2fhRQfh二、降低局部阻力措施 2Svv局部阻力与 值成正比,与断面平方成反比。因此,1、尽量避免井巷断面突然扩大或减小。2、尽量避免巷道直角转弯3、主要通风巷道内不得随意停放车辆,堆积杂物等。例:某矿总风道全长 L=2000m,梯形巷道断面 S=8m2,用工字钢棚支护,巷道 o=181.110-4kg/s3(标准状况下);通过风量 Q=50m3/s,空气的平均密度为 m=1.25kg/m3。求: 该巷道的通风阻力; 1设主要通风机的总效率为 =0.6,为克服这段巷道的通风阻力,一年耗 2电多少度?巷道用砼砌碹支护,断面为半圆拱形
15、,求巷道通风阻力及电耗; 3( o=0.004kg/m3) 。解: , 1 .2/kgm则 431.218.008/5kgm4.6.7vS28304/fLURNm1ffhPa 2 80fkw436215.WNh 3 3.07/kgm.84.8.9vS23fLUhPa6.9rNkw43021.0Wh4、课堂小结。4.1本节课的主要内容。矿井局部阻力系数的计算方法。矿井风阻特性曲线及画法,总风阻与等积孔的计算及降低矿井通风阻力的措施。4.2重点矿井局部阻力的计算,风阻特性曲线的画法,总风阻与等积孔的计算。4.3难点本节课内容相对容易。4.4下次课所要讲的主要内容自然风压,通风机类型构造,主要通风机的附属装置。6、作业3-11,3-12,3-13,3-15