礦內空氣動力學基礎

1、礦井通風與安全礦井通風與安全中國礦業(yè)大學中國礦業(yè)大學2.1 流體的概念n流體是一種受任何微小剪切力作用時都能連續(xù)變形的物質。流體可分為液體和氣體。n氣體的分子距很大，分子間的吸引力很小，因而，氣體極易變形和流動，總是充滿它所能夠達到的全部空間。n液體的分子距較小，分子間的吸引力較大，因此流動性不如氣體。一定質量的液體具有一定的體積，并取容器的形狀，但不能夠充滿全部空間。n流體具有流動性，兩層流體以一定速度作相對運動時，在兩層的交界面上就要產生內摩擦力，又叫粘滯力。n一般來說，流體是可以壓縮的，當壓力改變時其體積就要改變，因而密度也隨之必變。n既沒有內摩擦又沒有壓縮性的流體，叫做理想流體。理想流

2、體一、壓力一、壓力 壓力壓力（N/m2，Pa ，J/m3 ） 壓頭壓頭：如果將密度為 的某液體注入到一個斷面為A的垂直的管中，當液體的高度為 h時，液體的體積為： V = hA m32.2 風流壓力與能量根據密度的定義，這時液體的質量為： mass=V =hA kg液體的重力為：F=hAg N根據壓力的定義, 有 P=F/A=gh N/m2 or Pa 因此，如果液體的密度已知，h就可代表壓力點壓力：靜壓、全壓、速壓相對壓力、絕對壓力、大氣壓力絕對壓力相對壓力大氣壓力二 、風流能量風流任一斷面上能量（機械能）由三部分組成:熱能位能動能在通風測量中以壓力的形式出現，這三部分能量分別表示為靜壓，位

3、壓和動壓。n1、靜壓能（流動功、靜壓能（流動功 ） 如圖所示，有一兩端開口的水平管道，斷面為A，在其中放入一其體積為v質量為m的單元流體，即使不考慮磨擦阻力，由于管道中存在壓力P，流體的運動受阻，因此必須施加一個力F克服阻力。當力F使流體移動一段距離后，就做了功。n2、動能、動能 對一個質量為m靜止的物體，施加一個恒定的力F，在t時間內加速到u，由于是勻加速，其平均速度為： (0+u)/2=u/2 m/s移動的距離為：L=(u/2) t m加速度為：a=u/ t =u/t m/s2n施加的力為： F=ma=mu/t Nn從靜止到速度為u，F做功為： Wd =Ev =FL =(mu/t)(u/2

4、)t =mu2/2 J nEv就是質量為 m 的流體所具有的動能.n 3、位能(勢能)任何標高都可用作位能的基點。在礦井中，不同的地點標高不同，則位能不一樣。質量為m的物體位于基點上，其勢能為0。當對其施加一個能克服重力向上的力F，使其向上移動到高于基點Zm，力F做的功為： Wd=FZ=Ep=mgZ J Ep為物體在Z高度上的勢能。2.3 能量方程（伯努力方程）)()22()2(22211222211212122222221111121gZgZVVPPhVgZPVgZPhff（）（21222221112122hPgZuPgZu截面1能量U1截面2能量U2+損失h1-2n若認為流體不可壓縮，則密

5、度不變，那么單位質量流體的伯努利方程表達式為：)()(2)2122212121fZZgVVPPh（2.4 壓力坡度線n通風壓力坡度線通風壓力坡度線是對能量方程的圖形描述，反映空氣在流動過程中壓力沿程的變化規(guī)律、通風壓力呵通風阻力之間的相互關系和相互轉換。n通風壓力坡度線是通風管理和均壓防滅火的有力工具。如圖所示的壓入式通風系統(tǒng)，能量方程為：式中 Hs=P1-P2通風機在風硐中所造成的相對靜壓； Hn自然風壓，Pa 2)2(22221211vhHvH、ns壓入式通風的壓力分布 由于通風機入口外P0，風速等于0，忽略這段巷道的阻力不計時，其能量方程式為：Hf通風機全壓，Pa。n能量方程為：此式表明

6、，通風機全壓與自然風壓共同作用，克服了礦井阻力，并在出風井口造成動壓損失。2211vHHsf222221vhHH、nf壓入式通風的壓力坡度線壓入式通風系統(tǒng)壓力坡度圖P0為地表大氣壓，Pa；222221vhHH、ns如圖所示的抽出式通風系統(tǒng)，能量方程為：通風機入口2到擴散塔出口3的能量方程式： 抽出式通風的壓力分布22222233vvHHsf因此能量方程為：當不考慮自然風壓時，在通風機的全壓中，用于克服礦井阻力h1、2那一部分，常稱為通風機有效靜壓，以Hs表示： 上式說明，在抽出式通風時，通風機的有效靜壓，等于通風機在風硐中所造成的靜壓與風硐中風流動壓之差，或者等于通風機的全壓與擴散塔出口動壓之

7、差。223321vhHH、nf2233vHHfs抽出式通風的壓力坡度線抽出式通風系統(tǒng)壓力坡度圖 如圖所示輔助通風機安裝在井下，在輔助通風機前后都有一段風路，前段為抽出式，出口端為壓入式。通風機安裝在井下時壓力分布22211222vvHHsf 斷面1、2的能量方程式： 入風井口斷面a到通風機吸風口 斷面1之間的能量方程式:21011 1()/2aaahppgzv0021zzva0pppba通風機出風口斷面2到排風井口斷面b之間的能量方程式(1)、(2)相加有： 其中，222202 2/2bb bbbhppvvgz22bbba、nfvhHH)(礦井自然風壓gzgzHbbaan)(21礦井通風阻力、

8、ba、ba、hhh21011 1()/2aaahppgzv通風機安裝在井下時壓力坡度線抽壓結合式通風系統(tǒng)壓力坡度圖n 由推導過程可知：無論壓入式、抽出式或通風機安裝在井下，用于克服礦井通風阻力和造成出風井口動壓損失的通風動力，均為通風機的全壓與自然風壓之總和。n 無論何種通風方式或安裝地點有何不同，都有必要降低出風井口風流的動壓損失以節(jié)省通風機能量。復習思考題2-1 何謂空氣的靜壓，它是怎樣產生的？說明其物理意義和單位。2-2 何謂空氣的重力位能？說明其物理意義和單位。2-3 簡述絕對壓力和相對壓力的概念。為什么在正壓通風中斷面上某點的相對全壓大于相對靜壓，而在負壓通風中斷面某點的相對全壓小于相對靜壓？2-4 試述能量方程中各項的物理意義。2-5 分別敘述在單位質量和單位體積流體能量方程中，風流的狀態(tài)變化過程是怎樣反映的？2-6 在壓入式通風的風筒中，測得風流中某點i 的相對靜壓hsi 600 Pa，速壓 hvi100 Pa，已知風筒外與 i 點同標高處的壓力為 100kPa。求：（1） i 點的相對全壓、絕對全壓和絕對靜壓；（2） 將上述壓力之間的關系作圖表示（壓力為縱坐標軸，真空為 0 點）。2-7 在抽出式通風風筒中，測得風流中某點i的相對靜壓1000 Pa，速壓150 Pa，風筒外與i點同標高的氣壓p101332.32 Pa，求：（1