井巷通风阻力(精)

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第一节
一、风流流态
1、管道流
井巷断面上风速分布
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，沿着与管轴
平行的方向作层状运动，称为层流(或滞流)。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)。
高度，称为绝对糙度；绝对糙度ε与管道半径r的比值 ε/r 称为相对糙度。以水作为流动介质、对相对糙
度分别为1/15、1/30.6、1/60、1/126、1/256、1/507
六种不同的管道进行试验研究。对实验数据进行分析 整理，在对数坐标纸上画出λ与 Re 的关系曲线，如图 3-2-1所示。 结论分析：
第三章
井巷通风阻力

本章重点和难点： 摩擦阻力和局部阻力产生的原因和测算
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第三章

井巷通风阻力
当空气沿井巷运动时，由于风流的粘滞性和惯性以及 井巷壁面等对风流的阻滞、扰动作用而形成通风阻力， 它是造成风流能量损失的原因。井巷通风阻力可分为 两类：摩擦阻力(也称为沿程阻力)和局部阻力。
（１）雷诺数－Re 数 。
Re vd

式中：平均流速v、管道直径d 和流体的运动粘性系
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在实际工程计算中，为简便起见，通常以Re=2300作为管道流
动流态的判定准数，即：
Re≤2300
（２）当量直径
层流，
Re＞2300
紊流
对于非圆形断面的井巷，Re数中的管道直径d应以井巷断面 的当量直径de来表示：
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在层流边层以外，从巷壁向巷道轴心方向，风速逐渐增大，
呈抛物线分布。
v
δ
vmax
vmax
平均风速：
1 v vi dS 式中： S S Q＝V ×S vi dS
S
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巷道通过风量Q。则：
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风速分布系数：断面上平均风速v与最大风速vmax的比值 称为风速分布系数(速度场系数)，用Kv表示：
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Ⅲ区——水力光滑管区。在此区段内，管内流动虽然
都已处于紊流状态(Re＞4000)，但在一定的雷诺数
下，当层流边层的厚度δ大于管道的绝对糙度ε （称为水力光滑管）时，其实验点均集中在直线Ⅲ
上，表明λ与ε仍然无关，而只与Re有关。随着Re
的增大，相对糙度大的管道，实验点在较低Re时就 偏离直线Ⅲ，而相对糙度小的管道要在Re较大时才 偏离直线Ⅲ。 Ⅳ区——紊流过渡区，即图中Ⅳ所示区段。在这个区 段内，各种不同相对糙度的实验点各自分散呈一波 状曲线，λ值既与Re有关，也与ε/r有关。 δ
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2、孔隙介质流 在采空区和煤层等多孔介质中风流的流态判别准数为：
Re vK l
式中： K— 冒落带渗流系数， m2 ； l— 滤流带粗糙度系 数，m。 层流， Re≤0.25 ； 紊流，Re ＞ 2.5； 0.25<Re<2.5 过渡流
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二、井巷断面上风速分布
（１）紊流脉动 风流中各点的流速、压力等物理参数随时间作不规则 （２）时均速度 瞬时速度 vx 随时间τ的变化。其值虽然不断变化，但在
取决于粘滞力和惯性力的比值，用雷诺数 Re来衡量；另一 方面（外因）是固体壁面对流体流动的阻碍作用，故沿程
能量损失又与管道长度、断面形状及大小、壁面粗糙度有
关。其中壁面粗糙度的影响通过λ值来反映。
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1932～1933年间，尼古拉兹把经过筛分、粒径为ε的
砂粒均匀粘贴于管壁。砂粒的直径ε就是管壁凸起的
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ε
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Ⅴ区——水力粗糙管区。在该区段，Re值较大，管内液流 的层流边层已变得极薄，有ε>>δ，砂粒凸起高度几 乎全暴露在紊流核心中，故Re对λ值的影响极小，略 去不计，相对糙度成为λ的唯一影响因素。故在该区 段，λ与Re无关，而只与相对糙度有关。摩擦阻力与
流速平方成正比，故称为阻力平方区，尼古拉兹公式：
由流体力学可知，无论层流还是紊流，以风流压能损失来
反映的摩擦阻力可用下式来计算: Pa
L v2 h f · d 2
λ－无因次系数，即摩擦阻力系数，通过实验求得。 d—圆形风管直径，非圆形管用当量直径；
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1．尼古拉兹实验
实际流体在流动过程中，沿程能量损失一方面（内因）
Kv v vmax
巷壁愈光滑，Kv值愈大，即断面上风速分布愈均匀。 砌碹巷道，Kv=0.8～0.86；木棚支护巷道，Kv=0.68～
0.82；
无支护巷道，Kv=0.74～0.81。
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第二节
一、摩擦阻力
摩擦风阻与阻力
风流在井巷中作沿程流动时，由于流体层间的摩擦和流体
与井巷壁面之间的摩擦所形成的阻力称为摩擦阻力(也叫沿 程阻力)。
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Ⅰ区 —— 层流区。当 Re ＜ 2320( 即 lgRe ＜ 3.36) 时，不论
管道粗糙度如何，其实验结果都集中分布于直线Ⅰ上。
这 表 明 λ 与 相 对 糙 度 ε/r 无 关 ， 只 与 Re 有 关 ， 且 λ=64/Re。与相对粗糙度无关。 Ⅱ区——过渡流区。2320≤Re≤4000(即 3.36≤lgRe≤3.6)，在此区间内，不同相对糙度的管 内流体的流态由层流转变为紊流。所有的实验点几乎 都集中在线段Ⅱ上。λ随Re增大而增大，与相对糙度 无明显关系。

1 r 1.7 4 2 lg
S de 4 U
因此，非圆形断面井巷的雷诺数可用下式表示：
4vS Re U
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对于不同形状的井巷断面，其周长U与断面积S的关
U C S 式中：C—断面形状系数：梯形C=4.16；三心拱 C=3.85；半圆拱C=3.90。
系，可用下式表示： （举例见P38）
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一足够长的时间段 T
值上下波动。
内，流速 vx 总是围绕着某一平均
vx T vx t
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(３）巷道风速分布
由于空气的粘性和井巷壁面摩擦影响，井巷断面 上风速分布是不均匀的。 层流边层：在贴近壁面处仍存在层流运动薄层，即层 流边层。其厚度δ随Re增加而变薄，它的存在对流动
阻力、传热和传质过程有较大影响。