第03章井巷通風(fēng)阻力

1、當(dāng)空氣沿井巷運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于風(fēng)流的粘滯性和慣性以及井巷壁面等對(duì)風(fēng)流的阻滯、擾動(dòng)作用而形成通風(fēng)阻力，它是造成風(fēng)流能量損失的原因。井巷通風(fēng)阻力可分為兩類(lèi)：l 摩擦阻力(也稱(chēng)為沿程阻力)l 局部阻力本章學(xué)習(xí)目標(biāo)本章學(xué)習(xí)目標(biāo)l 了解層流、紊流的特征及其與雷諾數(shù)的關(guān)系。l 熟悉井巷斷面上的風(fēng)速分布特征。l 掌握摩擦阻力系數(shù)、摩擦風(fēng)阻、摩擦阻力內(nèi)涵及其計(jì)算方法。l 熟悉局部阻力的概念、計(jì)算方法。l 掌握井巷阻力特性，掌握礦井總風(fēng)阻的計(jì)算方法。l 理解礦井等積孔的含義及其計(jì)算方法。l 掌握降低井巷摩擦阻力和局部阻力的方法。第一節(jié) 井巷斷面上的風(fēng)速分布一 風(fēng)流流態(tài)DBAC墨水流線(xiàn)玻璃管雷諾實(shí)驗(yàn)（1）雷諾實(shí)驗(yàn)）雷諾

2、實(shí)驗(yàn) 1883年年, 英國(guó)物理學(xué)家英國(guó)物理學(xué)家Osbone Reynolds作了如下實(shí)驗(yàn)。作了如下實(shí)驗(yàn)。第一節(jié) 井巷斷面上的風(fēng)速分布（2）雷諾實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象雷諾實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 兩種穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)：層流、湍流。兩種穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)：層流、湍流。用紅墨水觀察管中水的流動(dòng)狀態(tài)用紅墨水觀察管中水的流動(dòng)狀態(tài)(a)層流(b)過(guò)渡流(c)湍流 流體質(zhì)點(diǎn)做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；流體質(zhì)點(diǎn)做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)； 流體分層流動(dòng)，層間不相混合、不碰撞；流體分層流動(dòng)，層間不相混合、不碰撞； 流動(dòng)阻力來(lái)源于層間粘性摩擦力。流動(dòng)阻力來(lái)源于層間粘性摩擦力。 不是獨(dú)立流型（層流不是獨(dú)立流型（層流+湍流），湍流）， 流體處于不穩(wěn)定狀態(tài)（易發(fā)生流型轉(zhuǎn)變）。流體處于不

3、穩(wěn)定狀態(tài)（易發(fā)生流型轉(zhuǎn)變）。主體做軸向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)有徑向脈動(dòng)；主體做軸向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)有徑向脈動(dòng)；特征：流體質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng)特征：流體質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng) 。第一節(jié) 井巷斷面上的風(fēng)速分布（3）雷諾數(shù)）雷諾數(shù)ev dReRvd平均流速管道直徑運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)(讀Nu)雷諾數(shù)式中：流體在流體在直圓管內(nèi)直圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，當(dāng)流動(dòng)時(shí)，當(dāng)Re2320(下臨界雷諾數(shù)下臨界雷諾數(shù))時(shí)，為時(shí)，為層流層流；當(dāng)當(dāng)Re4000(上臨界雷諾數(shù)上臨界雷諾數(shù))時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)為時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)為紊流紊流；在在Re=23204000的區(qū)域內(nèi)，流動(dòng)狀態(tài)不是固定的，只要稍有干擾的區(qū)域內(nèi)，流動(dòng)狀態(tài)不是固定的，只要稍有干擾，流態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，因此稱(chēng)為不穩(wěn)定的，流態(tài)就會(huì)

4、發(fā)生變化，因此稱(chēng)為不穩(wěn)定的過(guò)渡區(qū)過(guò)渡區(qū)。礦井空氣運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)取1510-6第一節(jié) 井巷斷面上的風(fēng)速分布l 當(dāng)量直徑：當(dāng)量直徑：l 非圓形斷面井巷雷諾數(shù)：非圓形斷面井巷雷諾數(shù)：l 井巷斷面形狀系數(shù)井巷斷面形狀系數(shù)C： 梯形梯形C=4.16；三心拱；三心拱C=3.85；半圓拱；半圓拱C=3.904eSdU4evSRUSCU （4）當(dāng)量直徑）當(dāng)量直徑第一節(jié) 井巷斷面上的風(fēng)速分布二 井巷斷面上的風(fēng)速分布 在礦井通風(fēng)中，空氣流速簡(jiǎn)稱(chēng)為在礦井通風(fēng)中，空氣流速簡(jiǎn)稱(chēng)為風(fēng)速風(fēng)速。 井巷中風(fēng)流質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是極井巷中風(fēng)流質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是極其復(fù)雜的，運(yùn)動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間而變化。其復(fù)雜的，運(yùn)動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間而變化。 AAAvv

5、vAvvOttC點(diǎn)A處流體質(zhì)點(diǎn)的速度脈動(dòng)曲線(xiàn)示意圖Av采用時(shí)均速度后，井巷風(fēng)流流采用時(shí)均速度后，井巷風(fēng)流流動(dòng)可看作穩(wěn)定流。動(dòng)可看作穩(wěn)定流。第一節(jié) 井巷斷面上的風(fēng)速分布sidSvSv1巷道斷面風(fēng)速分布巷道斷面風(fēng)速分布Re4000Re4000ururRd湍流時(shí)流體在圓管中的速度分布湍流時(shí)流體在圓管中的速度分布umax第一節(jié) 井巷斷面上的風(fēng)速分布l 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(chēng)為風(fēng)速分布系數(shù)(速度場(chǎng)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=0.80.86；木棚支護(hù)巷道，Kv=0.680.82；無(wú)支護(hù)巷道，Kv=0.740.81。

6、maxvvKv第二節(jié) 摩擦風(fēng)阻與阻力一 摩擦阻力l 摩擦阻力(也叫沿程阻力)：風(fēng)流在井巷中作沿程流動(dòng)時(shí)，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。l 計(jì)算公式：式中 無(wú)因次系數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)求得； d 圓形風(fēng)管直徑，非圓形管用當(dāng)量直徑。2 2vdLhf達(dá)西達(dá)西-威斯巴赫公式威斯巴赫公式第二節(jié) 摩擦風(fēng)阻與阻力（一）尼古拉茲實(shí)驗(yàn)?zāi)峁爬潓?shí)驗(yàn)l 能量損失原因： 內(nèi)因：取決于粘滯力和慣性力的比值，用雷諾數(shù)Re來(lái)衡量； 外因：是固體壁面對(duì)流體流動(dòng)的阻礙作用，與管道長(zhǎng)度、斷面形狀及大小、壁面粗糙度有關(guān)。壁面粗糙度的影響通過(guò)值來(lái)反映。l 絕對(duì)糙度：砂粒的直徑就是管壁凸起的高度，l 相對(duì)糙度：絕對(duì)

7、糙度與管道半徑r的比值/r 第二節(jié) 摩擦風(fēng)阻與阻力 lg 1000lg Re115r130.6r160r1126r1256r1507r2lg274.11r區(qū)區(qū)層流區(qū)層流區(qū)當(dāng)當(dāng)Re2320 (即即lgRe3.36)時(shí)時(shí),只與只與Re有關(guān)，且有關(guān)，且=64/Re。與與/r無(wú)關(guān)無(wú)關(guān)區(qū)區(qū)過(guò)渡流區(qū)過(guò)渡流區(qū)。23202320ReRe4000 4000 ( (即即3.36lg3.36lgReRe3.6)3.6)，不同的管內(nèi)，不同的管內(nèi)流體由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳌Ａ黧w由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪?。隨隨ReRe增大增大而增大，與而增大，與/ /r r無(wú)明顯關(guān)系。無(wú)明顯關(guān)系。區(qū)區(qū)水力光滑管區(qū)水力光滑管區(qū)。紊。紊流狀態(tài)流狀態(tài)( (R

8、eRe4000) 4000) 與與仍然無(wú)關(guān)，只與仍然無(wú)關(guān)，只與ReRe有關(guān)有關(guān)區(qū)區(qū)紊流過(guò)渡區(qū)紊流過(guò)渡區(qū)，各，各種不同相對(duì)糙度的實(shí)驗(yàn)種不同相對(duì)糙度的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)各自分散呈一波狀曲點(diǎn)各自分散呈一波狀曲線(xiàn)，線(xiàn)，值既與值既與ReRe有關(guān)，有關(guān)，也與也與/ /r r有關(guān)有關(guān)。區(qū)區(qū)- -水力粗糙管區(qū)水力粗糙管區(qū)第二節(jié) 摩擦風(fēng)阻與阻力（二）層流摩擦阻力根據(jù)尼古拉茲實(shí)驗(yàn)，當(dāng)流體處于層流狀態(tài)時(shí)：根據(jù)尼古拉茲實(shí)驗(yàn)，當(dāng)流體處于層流狀態(tài)時(shí)：則，則，232fLhvd64ReevdR2642fLvhRe dl層流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比，即兩者之間滿(mǎn)足層流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比，即兩者之間滿(mǎn)足線(xiàn)性關(guān)系線(xiàn)性關(guān)系

9、。由于由于 ，則則2 2vdLhf第二節(jié) 摩擦風(fēng)阻與阻力（三）紊流摩擦阻力l 對(duì)于紊流運(yùn)動(dòng)，=f (Re，/r)，關(guān)系比較復(fù)雜。用當(dāng)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(jì)算式：22388fLULUhvQSS 第二節(jié) 摩擦風(fēng)阻與阻力二 摩擦阻力系數(shù)l 大多數(shù)通風(fēng)井巷風(fēng)流的Re值已進(jìn)入阻力平方區(qū)，值只與相對(duì)糙度有關(guān)，對(duì)于幾何尺寸和支護(hù)已定型的井巷，相對(duì)糙度一定，則可視為定值。l =1.2kg/m3時(shí)l 1.2kg/m3時(shí)l 稱(chēng)為摩擦阻力系數(shù)，單位為 kg/m3 或N.s2/m48 01.2第二節(jié) 摩擦風(fēng)阻與阻力l 標(biāo)準(zhǔn)摩擦阻力系數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（0=1.2kg/

10、m3）條件下，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和實(shí)測(cè)所得的井巷的摩擦阻力系數(shù)，即所謂標(biāo)準(zhǔn)值0值，井巷中空氣密度1.2kg/m3時(shí)，值應(yīng)修正。l 紊流狀態(tài)下井巷的摩擦阻力計(jì)算式為：23fLUhQS第二節(jié) 摩擦風(fēng)阻與阻力摩擦阻力系數(shù)的影響因素l 對(duì)于砌碹、錨噴巷道只考慮橫斷面上方向相對(duì)粗糙度；l 對(duì)于木棚、工字鋼、U型棚等還要考慮縱口徑=l/d0ld0隨變化實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)工字鋼支架在巷道中流動(dòng)狀態(tài)工字鋼支架在巷道中流動(dòng)狀態(tài)第二節(jié) 摩擦風(fēng)阻與阻力三 巷道的摩擦風(fēng)阻Rf l 對(duì)于已給定的井巷，L、U、S都為已知數(shù)，故可把上式中的、L、U、S 歸結(jié)為一個(gè)參數(shù)Rf：l 單位：kg/m7 或 N.s2/m8。l 在正常條件下當(dāng)某一段

11、井巷中的空氣密度一般變化不大時(shí)，可將Rf 看作是反映井巷幾何特征的參數(shù)。3fLURS第二節(jié) 摩擦風(fēng)阻與阻力四 完全紊流下摩擦阻力l 計(jì)算公式：l Rf與hf區(qū)別： Rf是風(fēng)流流動(dòng)的阻抗參數(shù) hf是流動(dòng)過(guò)程能量損失2ffhR Q第二節(jié) 摩擦風(fēng)阻與阻力五 井巷摩擦阻力計(jì)算方法（新建礦井）查表得查表得0計(jì)算摩擦阻力系數(shù)計(jì)算摩擦阻力系數(shù)計(jì)算井巷摩擦風(fēng)阻計(jì)算井巷摩擦風(fēng)阻Rf計(jì)算井巷摩擦阻力計(jì)算井巷摩擦阻力hf第二節(jié) 摩擦風(fēng)阻與阻力五 井巷摩擦阻力計(jì)算方法（生產(chǎn)礦井）測(cè)得井巷摩擦阻力測(cè)得井巷摩擦阻力hf計(jì)算井巷摩擦風(fēng)阻計(jì)算井巷摩擦風(fēng)阻Rf計(jì)算摩擦阻力系數(shù)計(jì)算摩擦阻力系數(shù)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)阻力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)阻力0第三節(jié) 局

12、部風(fēng)阻和阻力一 局部阻力的概念l 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(dòng)在局部地區(qū)受到影響而破壞，從而引起風(fēng)流速度場(chǎng)分布變化和產(chǎn)生渦流等，造成風(fēng)流能量損失，這種阻力稱(chēng)為局部阻力。 l 由于局部阻力所產(chǎn)生風(fēng)流速度場(chǎng)分布的變化比較復(fù)雜性，對(duì)局部阻力的計(jì)算一般采用經(jīng)驗(yàn)公式。第三節(jié) 局部風(fēng)阻和阻力二 局部阻力的計(jì)算l 局部阻力的表示： 式中：局部阻力系數(shù)，無(wú)因次。l 對(duì)于層流而言：l 式中：B因局部阻力物形式不同而異的常數(shù)。BRe22lhv222lhQS或第三節(jié) 局部風(fēng)阻和阻力三 幾種常見(jiàn)的局部阻力產(chǎn)生的類(lèi)型l 突變：紊流通過(guò)突變部分時(shí)，由于慣性作用，出現(xiàn)主流與邊壁脫離的現(xiàn)象，在主流與

13、邊壁之間形成渦漩區(qū)，從而增加能量損失。第三節(jié) 局部風(fēng)阻和阻力l 漸變：主要是由于沿流動(dòng)方向出現(xiàn)減速增壓現(xiàn)象，在邊壁附近產(chǎn)生渦漩。因?yàn)?V hv p ，壓差的作用方向與流動(dòng)方向相反，使邊壁附近，流速本來(lái)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(dòng)，面渦漩。第三節(jié) 局部風(fēng)阻和阻力l 轉(zhuǎn)彎：流體質(zhì)點(diǎn)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。第三節(jié) 局部風(fēng)阻和阻力l 分岔與會(huì)合：l 上述的綜合。l 因此，局部阻力的產(chǎn)生主要是與渦漩區(qū)有關(guān)，渦漩區(qū)愈大，能量損失愈多，局部阻力愈大。第三節(jié) 局部風(fēng)阻和阻力四 局部阻力系數(shù)l 紊流局部阻力系數(shù)一般主要取決于局部阻力物的形狀而邊壁

14、的粗糙程度為次要因素第三節(jié) 局部風(fēng)阻和阻力l 突然擴(kuò)大：或1222211112211222lvShvQSS2222222222121222lSvhvQSSv1、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；對(duì)于粗糙度較大的井巷，可進(jìn)行修正： 10.01 第三節(jié) 局部風(fēng)阻和阻力l 突然縮?。簩?duì)應(yīng)于小斷面的動(dòng)壓，和值可按下式計(jì)算： 210.5 1SS10.013 第三節(jié) 局部風(fēng)阻和阻力l 逐漸擴(kuò)大：逐漸擴(kuò)大的局部阻力比突然擴(kuò)大小得多，其能量損失可認(rèn)為由摩擦損失和擴(kuò)張損失兩部分組成。 當(dāng)20時(shí)，漸擴(kuò)段的局部阻力系數(shù)可用下式求算：22111sin1sin2nn

15、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S2S1；擴(kuò)張角。 第三節(jié) 局部風(fēng)阻和阻力l 轉(zhuǎn)彎： 當(dāng)巷高與巷寬之比 H/b=0.21.0 時(shí)， 當(dāng)H/b=12.5 時(shí) 01280.350.65H b 028bH 上式中： 0假定邊壁完全光滑時(shí)，90轉(zhuǎn)彎的局部阻力系數(shù) 巷道的摩擦阻力系數(shù)，N.s2/m4 巷道轉(zhuǎn)彎角度影響系數(shù)第三節(jié) 局部風(fēng)阻和阻力l 風(fēng)流分叉：典型的分叉巷道如圖所示，12段的局部阻力hl2和13段的局部阻力hl3分別用下式計(jì)算：221211 2222cos2lhKvv vv221313322lhKvvv23123第三節(jié) 局部風(fēng)阻和阻力l 風(fēng)流匯合：如圖所示，13段

16、和23段的局部阻力hl3、hl23分別按下式計(jì)算：221311 3332cos2lhKvv vv222323322lhKvvv12112223coscosQQvvQQ12第三節(jié) 局部風(fēng)阻和阻力五 局部風(fēng)阻令則有：式中Rl稱(chēng)為局部風(fēng)阻，其單位為N.s2/m8或kg/m7。l 此式表明，在紊流條件下局部阻力也與風(fēng)量的平方成正比22lRS2llhRQ第三節(jié) 局部風(fēng)阻和阻力l 局部阻力在礦井通風(fēng)總阻力中一般不占很大比重l 對(duì)于有些形式的局部阻力物,如巷道拐彎等,能把測(cè)段的摩擦力與局部阻力分開(kāi)l 對(duì)于如突然擴(kuò)大等形式的局部阻力, 常把這局部區(qū)段的阻力視為局部阻力Rflhhh第四節(jié) 礦井總風(fēng)阻與礦井等積孔

17、一 井巷阻力特性l 在紊流條件下，摩擦阻力和局部阻力均與風(fēng)量的平方成正比。故可寫(xiě)成一般形式：hRQ2 Pa 。l 對(duì)于特定井巷，R為定值。l 根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)（Qi,hi）即可畫(huà)出一條拋物線(xiàn)。這條曲線(xiàn)就叫該井巷的阻力特性曲線(xiàn)。l 風(fēng)阻R越大，曲線(xiàn)越陡。第四節(jié) 礦井總風(fēng)阻與礦井等積孔井巷阻力特性曲線(xiàn)0QhR第四節(jié) 礦井總風(fēng)阻與礦井等積孔 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 l Rm是反映礦井通風(fēng)難易程度的一個(gè)指標(biāo)。Rm越大，礦井通風(fēng)越困難；2RmmhRQ第四節(jié) 礦井總風(fēng)阻與礦井等積孔二 礦井總風(fēng)阻 從入風(fēng)井口到主要通風(fēng)機(jī)入口，把順序連接的各段井巷的通風(fēng)阻力累加

18、起來(lái)，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。第四節(jié) 礦井總風(fēng)阻與礦井等積孔三 礦井等積孔l礦井等積孔作為衡量礦井通風(fēng)難易程度的指標(biāo)。l假定在無(wú)限空間有一薄壁，在薄壁上開(kāi)一面積為A(m2)的孔口。當(dāng)孔口通過(guò)的風(fēng)量等于礦井風(fēng)量，且孔口兩側(cè)的風(fēng)壓差等于礦井通風(fēng)阻力時(shí)，則孔口面積A稱(chēng)為該礦井的等積孔。AIIIP2,v2P2,v2第四節(jié) 礦井總風(fēng)阻與礦井等積孔l 設(shè)風(fēng)流從I II，且無(wú)能量損失， 則有：22112222PvPv2122222/RmRmPPvhvh風(fēng)流收縮處斷面面積風(fēng)流收縮處斷面面積A2與孔口面積與孔口面積A之比稱(chēng)為之比稱(chēng)為收縮系數(shù)收縮系數(shù)，由水力學(xué)可知，一般，由水力學(xué)可知，一般=0.65，故故A2=0.65A。則。則v2Q/A2=Q/0.65A，代，代入上式后并整理得：入上式后并整理得：RmhQA/265. 0取取=1.2kg/m3，則，則RmhQA19.1因因Rm=hm2，故有，故有 mRA19.1可見(jiàn)，可見(jiàn)，A是是Rm