第7章风流基本定律和风量自然分配

第7章 矿井通风网络与风量自然分配
第7章 矿井通风网络中风流基本定律 和风量自然分配
Principles of Airflow
本章主要内容及重点和难点 1、风量分配基本定律----三大定律 2、网络图及网络特性 1)简单网络 2)角联及复杂网络 3、计算机解算复杂网络
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第7章 矿井通风网络与风量自然分配
R1 R2 Q2 Q1 方程两边加上1则有：
R1 R2＋1 Q2 Q1 ＋1
R1 R2＋1 Q0 Q1
Q1
Q0 R1 R2 1
Q2
Q0 R2 R1 1
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（二）并联风路等效阻力特性曲线的绘制
根据以上并联风路的特性，可以绘制并联风路等效阻力特性曲线。
等风量线，在等风量线上将1、2分支阻力h1、h2叠加，得到串联风路的等 效阻力特性曲线上的点；
３、将所有等风量线上的点联成曲线R3，即为串联风路的等效阻力特性曲线。
３ R2 ２
２
R1 １ 1
H R1+R2
R2 R1
Q
➢ 总风阻大，等积孔小，通风有困难。 ➢ 串联通风网路中各条巷道的风量是不
能调节的。
hi——通风网络i分支的通风阻力； Ri——通风网络i分支的风阻； Qi——通风网络i分支的风量； h——通风网络的通风总阻力； R——通风网络的总风阻； Q——通风网络的总风量。
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第二节 串联、并联通风网路的基本性质
一、串联通风风路
由两条或两条以上分支彼此首尾相连，中间没有风流
判别式（以简单角联为例）：
1、 分支5中无风
∵ Q5 = 0 ∴ Q1 = Q3 , Q2 = Q4
由风压平衡定律： h1 = h2 , h3 = h4
由阻力定律：R1Q12 R2Q22
R3Q32 R4Q42
两式相比得：
R1Q12
R3Q32
R2Q22 R4Q42
即
R1 R2
R3 R4
hABC h1 h2 1056.3 415.3 1471.6, Pa hABD h1 h3 1056.3 415.4 1471.7, Pa
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三、串联风路与并联风网的比较
在任何一个矿井通风网络中，都同时存在串联与并联风网。在矿井 的进、回风风路多为串联风路，而采区内部多为并联风网。 并联风网的优点： １、从提高工作地点的空气质量及安全性出发，采用并联风网具有明显的 优点。 ２、在同样的分支风阻条件下，分支并联时的总风阻小于串联时的总风阻。
H
R1 R2
R1+R2
2
1 R1
R2 2
1 Q
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例题：某个通风网络如图所示，已知各条 巷道的风阻R1=0.25, R2=0.34, R3=0.46 N s2/m8,巷道1的风量Q1=65m/s。求BC、BD风 路自然分配的风量及风路ABC、ABD的阻 力为多少？
C
R1,Q1
第一节 概述 一、通风网络
矿井通风系统是由纵横交错的井巷构成的 一个复杂系统。用图论的方法对通风系统进行 抽象描述，把通风系统变成一个由线、点及其 属性组成的系统，称为通风网络。
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二 基本术语
节点：矿井风流流经各个巷道和工作面， 构成复杂的通风网络系统。通常将风道的交 汇点称为节点。
４４
３
３
５
２
２
或写为： K R1R4 1
R2 R3
11
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２、当分支5中风向由2→3
节点②的压能高于节点③，则 hR2 ＞ hR1 即：
R2Q22 R1Q12
同理， hR3 ＞ hR4
即 R3Q32 R4Q42
R2 Q12 (Q3 Q5 )2
对于两条巷道并联时
1 11
R0
R1
R2
R0
R1R2
2
R1 R2
若R1＝R2 ＝R ，则： R0 R 4
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4. 并联风网等积孔等于各分支等积孔之和，即
R

1.42 A2
1 A2 R 1.42
1 A R 1.42
1 1 1 ... 1
3. 并联风网总风阻与各分支风阻的关系
hi RiQi2
Qi hi Ri
Q0 Q1 Q2 ... Qn
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h0 h1 h2 ... hn
R0
R1
R2
Rn
1 1 1 ... 1
R0
R1
R2
Rn
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R1
Q22
Q22
３
４４ ５３
即 R4
Q32
Q32
R3
Q42
(Q5 Q2 )2
又∵
Q3
(Q2 Q5 )
Q3 Q5 Q2
２
２
11
∴
R4
Q32
(Q3 Q5 )2 R2
R3 (Q5 Q2 )2
Q22
R1
即：
R1
R2
R3
R4
风流
或写为： K R1R4 1 R2 R3
３ R2 ２
２ R1 １
1
2
R1 1
R2 2
1
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第三节 角联通风风网
一、基本概念
角联风网：在并联巷道中间有一条联络巷道，使一侧巷道与另一侧巷道 相连构成的网络。
角联分支（对角分支）：是指位于风网的任意两条有向通路之间、且不 与两通路的公共节点相连的分支，如图。
简单角联风网：仅有一条角联分支的风网。 复杂角联风网：含有两条或两条以上角联分支的风网。
代数和为零，即：
hRi 0
如图，对回路 ２－３－４-6中有：

5
6
hR6 hR3 hR4 hR2 0
2
4
3
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（2）有动力源
设风机风压Hf ，自然风压HN 。
如图，对回路 １－2－3－4-5-1中有：
H f H N hR1 hR2 hR3 hR4 hR5
４４ ３
３ ５
２
２
11
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３、分支5中的风向由3→2
同理可得：
R1
R2
分支巷道：两节点间的风道称为分支（巷 道）。
网孔：两条或两条以上的分支形成的闭合 回路称为回路或网孔。
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通风网路通常由众多的分支及回路所组 成，按各分支联结形式不同，可分为串联、 并联、简单角联和复杂联结等。
风流在网路中流动时遵循风量平衡定律、 风压平衡定律和阻力定律。
点的分支所组成的通风网络，称为并联风网。
如图所示并联风网由3条分支并联。
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（一）并联风路特性：
1. 总风量等于各分支的风量之和，即
Mi—单位时间流过的气体的质量。
当不考虑风流密度的变化，即各分支的空气密度相等时：
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2. 总风压等于各分支风压，即
1
1 A12

1 A22

1 An2
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（二）串联风路等效阻力特性曲线的绘制
根据以上串联风路的特性，可以绘制串联风路等效阻力特性曲线。
方法：
１、首先在h—Q坐标图上分别作出串联风路1、2的阻力特性曲线R1、R2； ２、根据串联风路“风量相等，阻力叠加”的原则，作平行于h轴的若干条
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三、矿井通风网络图 通风网络图：用直观的几何图形来表示通风网络。
特点： １）通风网络图只反映风流方向及节点与分支
间的相互关系，节点位置与分支线的形状可以任意 改变。
２）能清楚地反映风流的方向和分合关系，并 且是进行各种通风计算的基础，因此是矿井通风管 理的一种重要图件。
４４ ３５３
２
２
１1
2
6
5
3
4
1
简单角联风网
复杂角联风网
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二、角联分支风向判别 原则：分支的风向取决于其始、末节点间的
压能值。风流由能位高的节点流向能位低的节点； 当两点能位相同时，风流停滞；当始节点能位低于 末节点时，风流反向。
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Qi 0
1
2
5
图a
４
3
6
如图a，节点4处的风量平衡方程为：
Q14 Q24 Q34 Q45 Q46 0
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将上述节点扩展为无源回 路，则上述风量平衡定律依 然成立。如图b所示，回路24-5-7-2的各邻接分支的风量 满足如下关系：
1
3
R0
R1 R2
Rn
A0 A1 A2 An
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5. 并联风网的风量分配 若已知并联风网的总风量，在不考虑其它通风动力及风流密度变 化时，可由下式计算出分支i的风量。 ∵ 即
∴
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特例：对于两条巷道并联风量自然分配
４
图b 2 5
7
6
8
Q12 Q34 Q56 Q78 0
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2 风压平衡定律
假设：一般地，回路中分支风流方向为顺时针时， 其阻力 取“＋”，逆时针时，其阻力取“－”。
（1）无动力源（Hn=0 ， Hf=0） 通风网路图的任一回路中，无动力源时，各分支阻力的
一般表达式为：
H f HN hRi

5
6
即：能量平衡定律是指“在任一闭合回路 2
4
中，各分支的通风阻力代数和等于该回路
3
中自然风压与通风机风压的代数和。”
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3 阻力定律
风流在任一分支或整个网路系统中流动均遵 循阻力定律
hi RiQi2 h RQ 2
方法：
１、首先在h—Q坐标图上分别作出并联风路1、2的阻力特性曲线R1、R2； ２、根据并联风路“风压（阻力）相等，风量叠加”的原则，作平行于Q轴
的若干条等风压线，在等风压线上将1、2分支阻力h1、h2叠加，得到并 联风路的等效阻力特性曲线上的点；
３、将所有等风压线上的点联成曲线R3，即为并联风路的等效阻力特性曲 线。
• 前面工作面进行作业所产生的炮烟和粉尘 直接影响后面的工作面。发生火灾时，影响后 面巷道，且不易控制。
《金属非金属矿山安全规程》GBl6423—2006
6.4.2.6各采掘工作面之间，不应采用不符合6.4.1要求
的风流进行串联通风。
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二、并联通风风网
由两条或两条以上具有相同始节点和末节
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网络图两种类型：一种是与通风系统图形状基本一致的 网络图；另一种是曲线形状的网络图。但一般常用曲 线网络图。
绘制步骤： (1) 节点编号 在通风系统图上给井巷的交汇点标上特
定的节点号。 (2) 绘制草图 在图纸上画出节点符号，并用单线条
（直线或弧线）连接有风流连通的节点。 (3) 图形整理 按照正确、美观的原则对网络图进行修
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3. 总风阻等于各分支风阻之和，即：
R0 h0
Q02

h1 h2 ... hn Q02
R1 R2
Rn

n i 1
Ri
4. 串联风路等积孔与各分支等积孔间的关系
R 将等积孔公式
1.42 带入上式பைடு நூலகம்得出：
i
Ai2
A0
改。
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四、基本定律
1 风量平衡定律
是指在稳态通风条件下，单位时间流入某节点 的空气质量等于流出该节点的空气质量；或者说， 流入与流出某节点的各分支的质量流量的代数和等 于零。
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若不考虑风流密度的变化，则流入与流出某节点 的各分支的体积流量（风量）的代数和等于零，即：
分汇点的线路称为串联风路。如图所示
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（一） 串联风路特性
1. 总风量等于各分支的风量，即 M0 = M1 = M2 =…= Mn
当各分支的空气密度相等时， Q0 = Q1 = Q2 =…= Qn
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2. 总风压（阻力）等于各分支 风压（阻力）之和，即:
R2,Q2
A
B
R3,Q3
D
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解：BC和BD风路为并联网路，自然分配的风量为
Q Q1
2
1 R2
R3
1
65 0.34
34.95 m3
s
0.46
Q3 Q1 Q2 65 34.95 30.05 m3 s 计算各巷道阻力
h1 R1Q12 0.25 652 1056.3, Pa h2 R2Q22 0.34 34.952 415.3, Pa h3 R3Q332 0.46 30.052 415.4, Pa 各条风路的阻力为