第3章通风阻力解析

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第三章 井巷通风阻力
风流流动时,必须具有一定的能量 ( 通风压 力 ) ,用以克服井巷及空气分子之间的摩擦对风 流所产生的阻力。通风压力克服通风阻力,两者 因次相同,数值相等,方向相反。知道通风阻力 的大小就能确定所需通风压力的大小。在矿井通 风中,存在着摩擦阻力和局部阻力,必须分析研 究它们的特性、测定方法以及降低措施等,从而 作为选择通风设备,进行通风管理与设计的依据。 这在通风设计中尤其重要。
尼古拉兹在壁面分别胶结各种粗细砂粒的圆 管中,实验得出了流态不同的水流 λ 系数同管壁 的粗糙程度、雷诺数的关系。管壁的粗糙程度用 管道的直径 d (m)和管壁平均突起的高度(即砂粒 的平均直径) k (m)之比来表示。并用阀门不断改 变管内水流的速度,实验结果如图所示。
试验结果可分以下几种情况: 1) 在 lgRe≤3.3(Re≤2320) 时,即当液体作层流流 动,由左边斜线可以看出,所有试验点都分布于 其上, λ 随 Re 的增加而减小,且与管道的相对粗 糙度无关,这时λ与Re的关系式为: λ=64/Re
her 1hv1 2hv 2 1
V12
2
2
V22
2
, Pa
ξ1 、 ξ2—— 局部阻力系数,无因次, 分别对应于hv1、hv2。可选用其中 一个系数和相应的速压计算;
若通过局部地点的风量是 Q(m3/s) ,前后两个 断面积是S1和S2(m2),则两个断面上的平均风速为: Vl=Q/S1;V2=Q/S2,m/s
h
h 1440 2 8 R 2 0 . 4 N s m Q 602
前人实验得出水流在圆管中的沿程阻力公式 (达西公式)是:
式中 λ——实验比例系数,无因次; ρ——水流的密 度,kg/m3 ;L——圆管的长度,m; d——圆管的直 径,m;V——管内水流的平均速度,m/s;
上式是矿井风流摩擦阻力计算式的基础,它对 于不同流态的风流都能应用,只是流态不同时,式 中λ的实验式不同。
V 4S 4 2.5 0.19m / s ReU 10000 6.58 14.4 106 V 0.95m / s 4S 4 2.5
由于煤矿中大部分巷道的断面均大于 2.5m2 ,井 下巷道中的最低风速均在0.25米/秒以上,所以说 井巷中的风流大部为紊流,很少为层流。
根据hfr=(αLU/S3)Q2的关系式可以看出,保证 一定风量,降低摩擦阻力的方法就是降低摩擦风阻, 根据影响 Rfr 的各因素,降低摩擦阻力的主要措施 有:
1.降低α Rfr与α成正比,而α主要决定于巷道粗糙度, 因此降低 α ,就应尽量使巷道光滑。当采用棚子支护巷 道时,要很好地刹帮背顶,在无支护的巷道,要注意尽 可能把顶底板及两帮修整好;对于井下的主要巷道,在 采用料石或混凝土砌璇,特别是采用锚杆支护技术时, 更能有效地使α系数减小。 2.扩大巷道断面S 因Rfr与S3成反比,所以扩大巷道 断面有时成为降低摩擦阻力的主要措施。由于摩擦阻力 又与风量的平方成正比,因此在采用这种措施时,应抓 主要矛盾,即首先应考虑风量大、断面小的总回风道的 扩大,其次再考虑其它巷道的扩大。
4 SV Re U
U c S
半圆拱:S ( H 0.173B) B
三心拱:S ( H 0.0867B) B
式中 U——巷道周界长度,m。 c—断面形状系数,梯形断面 c=4.16 ;三心拱 c=3.85;半圆拱c=3.90;圆断面,c=3.54。
例:某巷道的断面S=2.5m2,周界U=6.58m,风 流的ν=14.4×10-6m2/s,试计算出风流开始出现 紊流时的平均风速? 解:当风流开始出现紊流时,则其Re=2000,当 完全紊流时, Re=10000,因此: ReU 2000 6.58 14.4 106
雷诺数
试验证明,层流与紊流彼此间的转变关系 决定于液体的密度 ρ、绝对粘性系数 μ,流体的 平均速度V与管道水力直径d,这些因素的综合 影响可以用雷诺数来表示为:
Vd Vd Re
式中 ν——运动粘性系数,m2/s。
当 Re≤2000 时,流体呈层流流动;当 Re > 2000 时,液流开始向紊流流动过渡,当 Re > 10000时,流体完全呈现为紊流。 矿井巷道很少为圆形,对于非圆形通风巷道, 以4S/U(水力直径)代替上式中的d,即:
矿井巷道中的风流,其性质与上面完全一样, 所不同的是矿井巷道的粗糙度较大,在较小的 Re 时,便开始由层流变为紊流;此外,由于大多数矿 井巷道风流的Re均大于100000,故λ值仅决定于井 巷壁的相对粗糙度,而与 Re 无关。在一定时期内, 各井巷壁的相对粗糙度可认为不变,因之λ值即为 常量。
二、井巷摩擦阻力计算公式
在矿井巷道中,任何井巷的通 风阻力,不管它是摩擦阻力、局部 阻力或系两者同时具有的阻力,其 阻力公式均可写成通式:
h=RQ2
二、井巷等积孔
当研究井巷通风阻力时,为了在概念上更形 象化,有时采用井巷等积孔来代替井巷风阻。等 积孔就是用一个与井巷风阻值相当的理想孔的面 积值来衡量井巷通风的难易程度。设想将一个矿 井的入风口到出风口,沿着井下主要巷道进行均 匀压缩,最后形成一个薄片,在这个薄片上将形 成一个孔口,这个孔口面 积 A 使得薄片的两端作用 有矿井的风压差 P 时,通 过孔口的风量正好为该矿 井的风量 Q ,这时,该孔 口面积即为矿井的等积孔。
3.减少周界长U Rfr与U成正比,在断面积相等 的条件下,选用周长较小的拱形断面比周长较大的 梯形断面好。
4. 减少巷道长L Rfr与L成正比,进行开拓设计时, 就应在满足开采需要的条件下,尽可能缩短风路的 长度。例如,当采用中央并列式通风系统,如阻力 过大时,即可将其改为两翼式通风系统以缩短回风 路线。 降低摩擦阻力,还应同时结合井巷的其它用途 与经济等因素进行综合考虑。如断面过大,不但不 经济,而且也不好维护,反而不如选用双巷。
由于矿井巷道极少为圆形,可用当量直径d= 4S/U代入沿程阻力公式得:
令: α是巷道的摩擦阻力系数,与巷道帮壁的粗糙程 度有关。则:
h fr
LUV 2
S

LU Q 2
S S2

LU
S3
Q2
由于矿井中巷道的长度,周界及摩擦阻力系数 在巷道形成后一般变化较小,可看作常数。再 令: LU 2 8
2.尽量减少产生局部阻力的条件,如不用或少 用直径很小的铁筒风桥,避免在主要巷道内任意停 放矿车、堆积木材、器材等; 3.局部阻力与 V2成正比,故应特别注意降低总 回风道和风峒的局部阻力,及时清扫风峒内的堆积 物,在井筒与风峒的转弯处做成圆滑的壁面。
第四节 井巷风阻与等积孔
一、井巷风阻及其阻力特性
代入上式:

her 1hv1 1
Rer 1
v1Байду номын сангаас
2
2
2
1



2S1
2 Q 2 2

2S 2
2 Q , Pa 2
2 S12 2 S2 式中Rer叫做局部风阻。由此得到:
2 8 , N s m 2
her=RerQ2,Pa 上式表示完全紊流状态下的局部阻力定律,和 完全紊流状态下的摩擦阻力定律一样,当 Rer 一定 时,her和Q的平方成正比。
第一节 风流的流态
流体产生的阻力与流体 流动过程中的状态有关。流 体流动时有两种状态;一种 是流体呈层状流动,各层间 流体互不混合,流体质点流 动的轨迹为直线或有规则的 平滑曲线,这一状态称为层流。在流速很小,管 径很小,或粘性较大的流体流动时会发生层流。
另一种是流体流动时,各部分流体强烈地互 相混合,流体质点的流动轨迹是极不规则的。 除了有沿流体总方向的位移外,还有垂直于液 流总方向的位移,流体内部存在着时而产生时 而消灭的漩涡,这种状态称为紊流。研究层流 与紊流的主要意义在于两种流态有着不同的阻 力定律。
三、局部阻力的计算方法
计算局部阻力时,先要根据井巷局部地点的特 征,对照前人实验查出局部阻力系数ξ,然后用其 指定的相应风速V进行计算。
her 1hv1 2hv 2 1
V12
2
2
V22
2
, Pa
三、降低局部阻力的措施
由于局部阻力是风流在局部阻力地点发生剧烈 的冲击而产生的,故降低局部阻力的措施主要是: 1.在容易发生局部阻力的地点,应尽量减少局 部风阻值 ξ值。如采用斜线形或圆弧形连接断面不 同的巷道。巷道转弯时,转角β愈小愈好。
设当空气自左向右流经此孔时,无阻力,无能 量损失,并设当空气从此孔流出后,在其流线断面 最小处(虚线位置)的流速为V(m/s),则这个理想孔 左、右两侧的静压差可全部变为速压 ( 静压能全部 转化为动能),由此可得:
V h , Pa 2
2
实验证明,在出口流线断面最小处的面积一般 为0.65A(m2) ,再当流量为 Q(m3/s) 时, V =Q/0.65A , 以此V值与ρ=1.2 kg/m3代入上式,即得:
R fr S
3
,N s m
Rfr——为巷道的摩擦风阻。
这时:
h fr R frQ , Pa
2
这就是完全紊流情况下的摩擦阻力定律。当巷 道风阻一定时,摩擦阻力与风量的平方成正比。
三、井巷摩擦阻力的计算
[例1] 某梯形木支架煤巷,长200米,断面积为4m2, 沿断面的周长为 8.3m,巷道摩擦阻力系数 α通过查 表得到的标准值为0.018N·s2/m4,若通过巷通的风 量为960m3/min,试求其摩擦阻力?
2) 在3.3<1gRe<5.0(2320<Re≤100000)的范围内, 流体由层流向紊流过渡, λ 系数既和 Re 有关,也 和管壁的粗糙度有关。
3) 当Re≥100000时,流体成为紊流流动。λ与Re无 关,只和管壁的粗糙度有关。管壁的粗糙度越大, λ系数就越大。其试验式为: 1 d 2 (1.74 lg ) k
第二节 摩 擦 阻 力
一、摩擦阻力及影响因素 风流在井巷中作均匀流动时,沿程受到井 巷固定壁面的限制,引起内外摩擦,因而产生阻 力,这种阻力,叫做摩擦阻力。所谓均匀流动是 指风流沿程的速度和方向都不变,而且各断面上 的速度分布相同。流态不同的风流,摩擦阻力hfr 的产生情况和大小也不同。一般情况下,摩擦阻 力要占能量方程中通风阻力的80~90%,它是矿 井通风设计,选择扇风机的主要参数,也是生产 中分析与改善矿井通风工作的主要对象。
解: h fr
LU
S3 0.018 200 8.3 960 2 Q ( ) 119 .5Pa 3 4 60
2
答:该巷道的摩擦阻力为119.5Pa。 应当注意,巷道的α值随ρ的改变而改变,在高 原地区,空气稀薄,当地的α值需进行校正。校正 式如下:
四、降低井巷摩擦阻力的措施 井巷通风阻力是引起风压损失的主要根源,因 此降低井巷通风阻力,特别是降低摩擦阻力就能用 较少的风压消耗而通过较多的风量。许多原来是阻 力大,通风困难的矿井,经降低阻力后即变为阻力 小、通风容易的矿井。
1.2 1.42 2 2 h Q 2 Q , Pa 2 2 (0.65 A) A
由此得到:
Q A 1.1917 , m 2 h
这就是计算矿井等积孔常用的公式。计算 出矿井的风阻和等积孔后,就可以对该矿井的 通风难易程度进行评价,评价的标准如下表:
[例] 已知矿井总阻力为1440Pa,风量为60m3/s,试 求该矿井的风阻与等积孔 ?如生产上要求将风量提 高到70m3/s ,问风阻与等积孔之值是否改变?阻力 增加到多少? 解: A 1.1917 Q 1.1917 60
第三节 局部阻力
一、局部阻力的产生
风流流经井巷的某些局部地点 —— 突然 扩大或缩小、转弯、交岔以及堆积物或矿车 等,由于速度或方向发生突然的变化,导致 风流本身产生剧烈的冲击,形成极为紊乱的 涡流,从而损失能量。造成这种冲击与涡流 的阻力即称为局部阻力。
二、局部阻力定律
实验证明,在完全紊流状态下,不论井巷局 部地点的断面、形状和拐弯如何变化,所产生的 局部阻力her,都和局部地点的前面或后面断面上 的hv1或hv2成正比:
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