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1、1,王德明 秦波涛能源与安全工程学院,矿井通风与安全 Mine Ventilation and Safety,中国矿业大学教学多媒体课件,2,第二章 矿内空气动力学基础,3,21 流体的概念,流体是一种受任何微小剪切力作用时都能连续变形的物质。流体可分为液体和气体。气体的分子分布比液体分子相距大约103倍。气体的分子间距很大，分子间的吸引力很小，因而，气体分子可以自由运动，故气体极易变形和流动，而且总是充满它所能够达到的全部空间。液体的分子间距较小，分子间的吸引力较大，在周围分子的作用下，液体分子能够在其他分子间移动，但不能像气体分子那样自由运动，所以，液体的流动性不如气体。此外，一定质量的液
2、体具有一定的体积，但不像气体那样能够充满全部空间。,4,流体具有流动性，两层流体以一定速度作相对运动时，在两层的交界面上就要产生内摩擦力，这种内摩擦力阻碍各层的流动。流体中的内摩擦力又叫粘滞力，决定它的因素很复杂，因此就造成了研究液体运动时的很大困难，为了简化问题，假定在流体运动中并无内摩擦力的存在。一般来说，流体是可以压缩的，当压力改变时其体积就要改变，因而密度也随之必变。这也增加了研究问题时的复杂性，为此，又假定流体是不可压缩的。这种既没有内摩擦又没有压缩性的流体，叫做理想流体。,理想流体,5,2.2 矿井风流的能量方程1.连续性方程 矿井风流可以看作是一种连续的介质作不可压缩的稳定流，矿
3、井巷道的特征是细长的，其横断面上各点的参数变化不大，可以看作是一维流动，即矿井风流的各个参数仅限于x轴变化。当风流从A-A断面流向B-B断面时，设A-A断面的风速为V1，断面积为S1，B-B断面的风速为V2，断面积为S2。当两断面间并无分支巷道和不漏风时，则有：Q=S1V1S2V2常数，m3/min 或G1G2，kg/min,6,2.理想流体的能量方程所谓理想流体是指粘性系数为零的流体，即这种流体在流动过程中没有内摩擦力的影响。在粗细不匀和高低不等的管道中，取一段正在沿箭头A作稳定流动的理想流体，断面积分别为S1、S2，流速分别为V1，V2，压强分别为P1、P2，总压力分别为Fl，F2，距基准
4、面的高度分别为Z1、Z2。,因此在t时间里，外力对这段液体所作的总功为： WF1V1tF2V2t P1SV1t P2S2V2t按流体的连续性方程S1V1S2V2Q，代入上式得： W(P1P2)S1Vlt (P1P2)Qt (P1P2) v式中 v管道Sl、S1 间或S2、S2间流体的体积。,7,按功能定理，外力对这段流体所作的功等于这段流体机械能的增量。但这段液体在经过时间t后，机械能的增量就相当于管道S1、S1间的液体移动到S2、S2间所增加的机械能。 设这一小段液体的质量为m，其位能的增加量为： E位mgZ2mgZ1mg(Z2Z1) 动能的增加量为：,8,于是按功能定理可以列出：,由于断面
5、S1、S2是在同一管道中任意选取的，所以对于任何断面来说，均有：,9,3.实际风流的能量方程实际风流与理想流体的区别在于实际风流具有粘性，在流动过程中要受到巷道帮壁限制导致的内摩擦的作用，这种作用与风流的方向相反。其结果是消耗一部分能量，使风流从一个断面流向另一断面时，总的能量逐渐减少。设风流由S1、S1 移动到S2、S2的过程中由巷道帮壁产生的阻力所做的功为H阻1-2，这也是一种外力所做的功，是阻碍风流向前运动的。这时外力对风流所做的功为：,10,同样，根据功能定理：外力对这段流体所作的功等于这段流体机械能的增量。可得：,或：,这就是实际流体的能量方程。它表明：在同一巷道的风流流动过程中，各
6、断面风流的能量是逐渐减少的，其减少的量等于这两断面间巷道帮壁对风流所作的阻力消耗功。,11,将上式两端同除以v，则得到：,上式表示的是单位体积实际风流的能量方程。在这种能量方程表达式中，各项的单位是压力，第一项是静压，第二项是位压，第三项是速压，因此这三项之和称为通风压力。 h阻1-2是表示1米3风流的能量损失。它们的单位常用Pa，或mmH2O来表示；故h阻1-2也称为通风阻力。,12,上式的实质是表示矿井通风系统的任一风流中两断面间1米3空气各种能量的转变关系，1断面与2断面上压能、位能和动能可以互相转化，其总能量不断地降低，降低值就为h阻l-2。将上式改为：,它表示了压力的变化与阻力损失的
7、关系，也就是1与2断面的通风阻力等于此两断面的静压差、位压差与速压差之和。 上式还表明，风流是由总能量大的断面向总能量小的断面流动。仅根据某一项或两项能量的大小则不足以判别风流的流动方向。,13,例：某巷道的1、2断面上的各参数如下：S1：P1100000Pa，Z10m，112N/m3，V14m/s; S2：P299898Pa，Z2100m，212N/m3。V24m/s。试判断该巷道中风流方向。解：设巷道的风流方向由12。两点的静压差为：P1P2100000-99898=102 Pa0,但是(1000000V12/(2g)） (99898+10012V22/(2g)1098Pa这表明总能量是2
8、断面大于1断面，风流由21.,14,2.3 矿井风流能量(机械能)与压力,风流任一断面上的能量（机械能）由三部分组成，压能，位能及动能。但在通风测量中，他们并不以能量的形式出现，而是以压力的形式出现，这三部分能量分别表示为静压，位压和动压。,15,一、压能 力（N）、压能（J/m3）、压力（N/m2，Pa ） 压头（Pressure head) ：如果将密度为 的某液体注入到一个断面为A的垂直的管中，当液体的高度为 h时，液体的体积为： V = hA m3,16,根据密度的定义，这时液体的质量为： m=V =hA kg液体的重力为：F=hAg N根据压力的定义， P=F/A, 有 P=F/A=
9、gh N/m2 or Pa 因此，如果液体的密度已知，h就可代表压力,17,相对压力、绝对压力、大气压力,18,U型管水柱计一种简单并灵敏的测压计。分垂直与倾斜两种，但不管哪一种都是由一根内径相同的玻璃管弯成U形管，并在其中装入蒸馏水(或酒精)，在U形管中间置一刻度尺所组成。当将它与测点和大气相连时，压力大的一侧液面将下降。,19,在实际测定时，还需借助于能够接受压力的接受管与能够传递压力的传压管。传压管多采用橡皮管或特制塑料管。接受管则多用金属制成。 接受管最常用的有两种，一为皮托管，一为静压管。前者可以接受风流的点静压或点静压与点速压之和，后者则只用以接受风流的点静压。,静压管没有中心管，
10、仅在其前部管壁上开有4个孔径不大于0.5毫米的小孔，故当管咀平行风流时，只能接受其点静压。,20,皮托管如图所示，系由内外两小管组成。内管前端有中心孔与标有“十”号的管脚相通，外管前端不通，在其管壁上开有46个小孔与标有“”号的管脚相通。内外管之间互不通连。操作时使管咀与风流平行，中心孔正对风流，此时，中心孔将接受风流的点静压与点速压，而管壁上的小孔则只接受风流的点静压。,21,二.位能（ Potential energy）任何标高都可用作位能的基点。在矿井中，不同的地点标高不同，则位能不一样。质量为 m 的物体位于基点上，其势能为0。当我们施加其一个能克服重力向上的力，F, F=mg N 当
11、向上移动到高于基点 Z m, 做的功为 W=forcedistance=mgZ J 这就给出了物体在Z高度上的势能。,22,位压 位能表现形式为位压，也是一种潜在的压力，因而也就不象静压与速压那样，可以直接用气压计及压差计测得其数值。在假设空气重率不变的条件下，欲确定风流某点的位压值，只能根据前章所给的重率测算式，测算出空气重率，再测出该点至基准面的垂高Zi，然后相乘，即可求得该点的位压值heiZi。 由于所定基准面不同，位压的绝对值亦不同，但在矿井通风中通常是比较两断面上的位压差，这时1、2断面的位压差等于这段空气柱在单位面积上的重量(hei(Z1Z2) Z1-2Pa）。,23,值得指出的是
12、：由于在推导能量方程的过程中矿井空气均按不可压缩流体来考虑的，即重率不变。这样推导出来的公式便于应用，比较简单。而实际上的矿井空气受矿井垂深的影响，空气重率还是有些变化，为了弥补这种由空气重率带来的误差，常把能量方程写成如下形式：,24,式中其它各项不变。对于和”有如下规定：当1、2两点处于矿井同一侧时：当1、2两点处于矿井进、出风井时，和”应分别为1点和2点到井底水平之间空气柱的平均重率。Z1和Z2分别为测点距井底的高度。将矿井空气柱的重量差反映出来。,25,三.动能（ Kinetic energy）如将一个质量为m静止的物体,施加一个恒定的力F, 在t时间内加速到u, 由于是匀加速，其平均
13、速度为： (0+u)/2=u/2 m/s 移动的距离为： L=mean velocitytime=(u/2) t m 加速度为：a=u/time=u/t m/s2,26,施加的力为： F=massacceleration=mu/t N 从静止到速度为u,其做的功为： WD=forcedistance Nm =(mu/t)(u/2)t=mu2/2 J 这就是质量为 m 的流体所具有的动能.,27,动压 任一断面上单位体积风流由于运动而具有的动能叫做动压，又名速压。它是风流流动产生的能量，其作用方向与风流流动的方向一致。在实际风道的任一断面上，各点的风速并不相同。在帮壁处，受风流粘性的影响，风速较
14、低，存在着附面层；断面的中心点风速最大。故其中心点速压最大，四周最小，其平均速压hvi可用下式表示，即：,ii断面上风流的动能修正系数，一般可取引i 1，必要时可实测。Vi为平均风速m/s。,28,通风管道中的速压可以采用皮托管测定。测量时，选择风流比较规整的任一断面i，使皮托管的管咀放置在管道的中心，正对风流，与风流方向平行；用两段胶皮管把皮托管的“+”、“”号端分别与压差计形管两端相连。则管咀的中心孔接受该断面上风流的静压和最大速压，外管壁上的小眼只接受静压，因而压差计两液面的高差就是i断面上风流的最大速压hvimax值，再用下式计算i断面上的最大风速Vimax。,29,若预先测出该断面上
15、平均Vi与Vimax的比值b，则用下式计算平均风速Vi： VibVimax，m/s这时，i断面上风流的平均速压为：,如果知道了通风管道的断面积，则由下式可以计算出通过的风量：,30,b值的测定要在规整的断面上进行，先把皮托管的管嘴置于管道的中心点，测出最大速压hvimax，计算出最大风速Vimax；再沿着管道半径，逐渐向边上移动，再分别测出，n点的风速V1，V2，V3，Vn，然后用下式算出b值：,每个测点距中心点的距离可用下式确定：,31,测量巷道中任一断面上风流平均速压，常常是人在该断面上用风表测出平均风速，并用仪表测算空气密度或重率，然后计算出该断面的速压。 常用的风表有叶式风表，用来测量中速(0.5l0m/s)和低速(0.30.5m/s)。杯式风表常用来测量高速(10m/s)。打开开关时，长短指针随叶片或杯转动，关闭开关时，指针不动，只叶片或杯转动。长针读小数，短针读大数,上有回零装置。,32,常用的测法是人背向巷道壁，伸直持风表的手臂，与风流方向垂直，并使风表的背面正对风流方向，在测量断面上，按一定的路线，均匀移动风表一分钟，即关闭开关，读取表读数Va(m/s)，据Va值查所用风表的校正线，得出真风速Vt(m/s)。,
