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1、矿井通风与安全第三章 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。第一节 井巷断面上风速分布 一、风流流态 1、管道流 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)。 （）雷诺数Re式中：平均
2、流速v、管道直径d和流体的运动粘性系数。 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： Re2300 层流， Re2300 紊流 （）当量直径 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： 因此，非圆形断面井巷的雷诺数可用下式表示： 对于不同形状的井巷断面，其周长U与断面积S的关系，可用下式表示： 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。（举例见P38） 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： 式中：K冒落带渗流系数，m2； l滤流带粗糙度系数，m。 层流，Re
3、0.25； 紊流，Re2.5； 过渡流 0.25Re，砂粒凸起高度几乎全暴露在紊流核心中，故Re对值的影响极小，略去不计，相对糙度成为的唯一影响因素。故在该区段，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： 2层流摩擦阻力 当流体在圆形管道中作层流流动时，从理论上可以导出摩擦阻力计算式：, = 可得圆管层流时的沿程阻力系数： 古拉兹实验所得到的层流时与Re的关系，与理论分析得到的关系完全相同，理论与实验的正确性得到相互的验证。 层流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比。 3、紊流摩擦阻力 对于紊流运动，=f (Re，/r)，关系比较复杂。用当量直径de
4、=4S/U代替d，代入阻力通式，则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式： 二、摩擦阻力系数与摩擦风阻 1摩擦阻力系数 矿井中大多数通风井巷风流的Re值已进入阻力平方区，值只与相对糙度有关，对于几何尺寸和支护已定型的井巷，相对糙度一定，则可视为定值；在标准状态下空气密度=1.2kg/m3。 对上式， 令： 称为摩擦阻力系数，单位为 kg/m3 或 N.s2/m4。 则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式写为： 标准摩擦阻力系数： 通过大量实验和实测所得的、在标准状态（0=1.2kg/m3）条件下的井巷的摩擦阻力系数，即所谓标准值0值，当井巷中空气密度1.2kg/m3时，其值应按下式修正： 2摩擦风阻
5、Rf 对于已给定的井巷，L、U、S都为已知数，故可把上式中的、L、U、S 归结为一个参数Rf： Rf 称为巷道的摩擦风阻，其单位为：kg/m7 或 N.s2/m8。 工程单位：kgf .s2/m8 ，或写成：k。1 N.s2/m8= 9.8 k Rff ( ,S,U,L) 。在正常条件下当某一段井巷中的空气密度一般变化不大时，可将R f 看作是反映井巷几何特征的参数。 则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式写为： 此式就是完全紊流(进入阻力平方区)下的摩擦阻力定律。 三、井巷摩擦阻力计算方法 新建矿井：查表得0 Rf hf 生产矿井：hf Rf 0 四、生产矿井一段巷道阻力测定 1、压差计法 用
6、压差计法测定通风阻力的实质是测量风流两点间的势能差和动压差，计算出两测点间的通阻力。 其中：右侧的第二项为动压差，通过测定1、2两断面的风速、大气压、干湿球温度，即可计算出它们的值。第一项和第三项之和称为势能差，需通过实际测定。1） 布置方式及连接方法 ）阻力计算 压差计“”感受的压力： 压差计“”感受的压力： 故压差计所示测值： 设 且与1、2断面间巷道中空气平均密度相等，则： 式中：Z12为1、2断面高差，h 值即为1、2两断面压能与位能和的差值。根据能量方程，则1、2巷道段的通风阻力hR12为： 把压差计放在1、2断面之间，测值是否变化？ 、气压计法（原理、方法）由能量方程：hR12=(
7、P1-P2)+(r1v12/2- r2v22/2)+ rm12gZ12用精密气压计分另测得1，2断面的静压P1，P2用干湿球温度计测得t1,t2,t1,t2,和j1， j2，进而计算r1， r2用风表测定1，2断面的风速v1,v2。rm12为1，2断面的平均密度，若高差不大，就用算术平均值，若高差大，则有加权平均值；Z121，2断面高差，从采掘工程平面图查得。可用逐点测定法，一台仪器在井底车场监视大气压变化，然后对上式进行修正。hR12=(P1-P2)+DP12（+(r1v12/2- r2v22/2)+ rm12gZ12例题3-3某设计巷道为梯形断面，S=8m2，L=1000m，采用工字钢棚支
8、护，支架截面高度d0=14cm，纵口径=5，计划通过风量Q=1200m3/min，预计巷道中空气密度=1.25kg/m3，求该段巷道的通风阻力。解 根据所给的d0、S值，由附录4附表4-4查得：0 =284.21040.88=0.025Ns2/m4则：巷道实际摩擦阻力系数 Ns2m4巷道摩擦风阻 0.598 Ns2m8巷道摩擦阻力第三节 局部风阻与阻力 由于井巷断面、方向变化以及分岔或汇合等原因，使均匀流动在局部地区受到影响而破坏，从而引起风流速度场分布变化和产生涡流等，造成风流的能量损失，这种阻力称为局部阻力。 由于局部阻力所产生风流速度场分布的变化比较复杂性，对局部阻力的计算一般采用经验公
9、式。 一、局部阻力及其计算 和摩擦阻力类似，局部阻力hl一般也用动压的倍数来表示： 式中：局部阻力系数，无因次。层流 计算局部阻力，关键是局部阻力系数确定，因v=Q/S,当确定后，便可用几种常见的局部阻力产生的类型： 、突变 紊流通过突变部分时，由于惯性作用，出现主流与边壁脱离的现象，在主流与边壁之间形成涡漩区，从而增加能量损失。 、渐变 主要是由于沿流动方向出现减速增压现象，在边壁附近产生涡漩。因为 V hv p ，压差的作用方向与流动方向相反，使边壁附近，流速本来就小，趋于0, 在这些地方主流与边壁面脱离，出现与主流相反的流动，面涡漩。 、转弯处 流体质点在转弯处受到离心力作用，在外侧出现减速增压，出现涡漩。 、分岔与会合 上述的综合。 局部阻力的产生主要是与涡漩区有关，涡漩区愈大，能量损失愈多，局部阻力愈大。 二、局部阻力系数和局部风阻 (一) 局部阻力系数 紊流局部阻力系数一般主要取决于局部阻力物的形状，而边壁的粗糙程度
