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1、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）。R = vxde 丫（1）雷诺数一
2、Re式中：平均流速V、管道直径d和流体的运动粘性系数Y。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：匕2300层流，匕2300紊流（2）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:de 二 4 U因此，非圆形断面井巷的雷诺数可用下式表示：Re =4vSVU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:u=cs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：R vKRe = l v式中：K冒落
3、带渗流系数，m2；l一滤流带粗糙度系数，m。层流，辱0.25；紊流，匕2.5；过渡流0.25匕25。例：某巷道采用工字钢支护，S=9m2，Q=240m3/min=4m3/s，判断风流流态。解：Re=Vd/v =4VS/（Uv ）=4X4X9/（15X10-6X4.16X3）=846152300,紊流巷道条件同上， Re=2300 层流临界风速：V=ReXUXv /4S=2300X4.16X3X15X10-6/（4X9）=0.012m/s0.15二、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变化。（2）时均速度瞬时速度v随时间t的变化。其值虽然不断变化，但在
4、一足够长的时间段T 内，流速 vx 总是围绕着某一平均值上下波动。（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5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。v v v口m q ymaxliidAy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。平均风速：式中：巷道通过风量Q。贝V： Q=V XS风速分布系数：断面上平均风速v与最大风速v的比值称为风速分布系数（速度max场系数），用K表示：VVmax巷壁愈光滑，K 值愈大，即断面上风速分布愈均匀。V砌碹巷
5、道，K =0.80.86；木棚支护巷道，K =0.680.82；无支护巷道，K =0.74VVV0.81。第二节 摩擦风阻与阻力一、摩擦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）。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 二九 p - f d 2久一一无因次系数，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；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）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
6、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 影响通过久值来反映。19321933年间，尼古拉兹把经过筛分、粒径为的砂粒均匀粘贴于管壁。砂粒 的直径就是管壁凸起的高度，称为绝对糙度；绝对糙度与管道半径r的比值 /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 纸上画出入与Re的关系曲线，如图所示。结论分析：I区层流区。当ReV2320(即lgReV3.36)时，不论管道粗糙度如何，其实验 结果都集
7、中分布于直线I上。这表明人与相对糙度 /r无关，只与Re有关，且入=64/Re。 与相对粗糙度无关II区过渡流区。2320WReW4000(即3.36WlgReW3.6),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。 入随Re增大而增大，与相对糙度无明显关系。皿区一水力光滑管区。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C大于管道的绝对糙度 (称为水 力光滑管)时，其实验点均集中在直线III上，表明人与仍然无关，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
8、线III，而相对糙度小 的管道要在Re较大时才偏离直线III。W区一紊流过渡区，即图中W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，A值既与Re有关，也与 /r有关。V区一水力粗糙管区。在该区段，Re值较大，管内液流的层流边层已变得极薄， 有 6，砂粒凸起高度几乎全暴露在紊流核心中，故Re对入值的影响极小，略去 不计，相对糙度成沏 的唯一影响因素。故在该区段，入与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：171.74 + 2lg_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：Re =V
9、d64ReV 2P 2可得圆管层流时的沿程阻力系数：64九=Re古拉兹实验所得到的层流时人与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，入=f （Re， /r），关系比较复杂。用当量直径de=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：乜 =2.巴Q8 S 8S3二、摩擦阻力系数与摩擦风阻1 .摩擦阻力系数a矿井中大多数通风井巷风流的Re值已进入阻力平方区，入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，贝从可视为定值；在标准状态下空气密度p =1.2
10、kg/m3。对上式， 令：a称为摩擦阻力系数，单位为kg/m3或N.s2/m4o则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式写为：h =a LUQ2fS 3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(p 0=1.2kg/m3)条件下的井巷的摩擦 阻力系数，即所谓标准值a 值，当井巷中空气密度o H1.2kg/m3时，其a值应按下式修正：a - a P0 1.2a系数影响因素对于砌碹、锚喷巷道只考虑横断面上方向相对粗糙度；对于木棚、工字钢、 U型棚等还要考虑纵口径A =l/d0aa随变化实验曲线工字钢支架在巷道中流动状态2 摩擦风阻弓对于已给定的井巷，L、U、S都为已知数，故可把上式中的a、
11、L、U、S归结LU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:kp 。 1 N.s2/m8= 9.8 kpRf=f ( p,S,U,L)。在正常条件下当某一段井巷中的空气密度p 般变化不大, 可将Rf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：h = R Q 2ff此式就是完全紊流（进入阻力平方区）下的摩擦阻力定律。3井巷摩擦阻力计算方法新建矿井：查表得a 0 a f Rf f hf生产矿井：hf f Rf f a例题3-3某设计巷道为梯形断面，S=8m2, L=1000m，采用工字钢棚支护，
12、支架截面 高度d0=14cm,纵口径4 =5,计划通过风量Q=1200m3/min,预计巷道中空气密度p =1.25kg/m3，求该段巷道的通风阻力。解 根据所给的d0、4、S值，由附录4附表4-4查得：a 0 =284.2X10-4X0.88=0.025Ns2/m4则：巷道实际摩擦阻力系数Ns2m4a=a A = 0.025 x= 0.02601.2 1.2巷道摩擦风阻巷道摩擦阻力：0.598 Ns2m8_ 0.598 Ns2/m8a LU _ a L4.6TS _ 0.026 x1000 xll.77 s 3 _S3_83h _ R Q2 _ 0.598 xX1200 I 60丿2_ 23
13、9 .2 Pa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式。一、局部阻力及其计算和摩擦阻力类似，局部阻力h/般也用动压的倍数来表示：匕 Ph = s v 2i2式中： 局部阻力系数，无因次。层流Re计算局部阻力，关键是局部阻力系数确定，因v=Q/S，当E确定后，便可用P2SQ2几种常见的局部阻力产生的类型：1、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
14、现象，在主流与边 壁之间形成涡漩区，从而增加能量损失。2、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 hvp ，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。3、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。4、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e紊流局部阻力系数e 一般主要取决于局部阻力物的形状，而边壁的粗糙程度为次 要因素。1突然扩大Q21 S 2 Pv2 P 2 P1 _ -1- I十 _ gv2 _ g S 丿212 112S 221h （S 丫 pv2. p 2 片 p Q 2h = t-1 亠=c v2 = a Q2l I S 丿 22 2 22 2S 212式中：V、v2分别为小断面和大断面的平均流速，m/s；S、S2分别为小断面和大断面的面积，m；p 空气平均密度，kg/m3。1 m。对于粗糙度较大的井巷，可进行修正(a=a i+a、0.01 丿
