第二章矿井空气流动基本理论

第二章矿井空气流动基本理论第一节空气的主要物理参数一、温度温度是描述物体冷热状态的物理量。温度是矿井表征气候条件的主要参数之一。目前温度多用两种温标：摄氏温标（实用温标）和开氏温标（绝对温标）二、压力(压强)空气的压力也称为空气的静压，用符号P表示。压强在矿井通风中习惯称为压力。它是空气分子热运动对器壁碰撞的宏观表现。其大小取决于在重力场中的位置（相对高度）、空气温度、湿度（相对湿度）和气体成分等参数。空气分子不规则热运动的的总动能的三分之二转化为能对外做功的机械能三、密度、比容空气和其它物质一样具有质量。空气的密度：单位体积空气所具有的质量，用符号表示。湿空气的密度是1m3空气中所含干空气质量和水蒸汽质量之和由气体状态方程和道尔顿分压定律可以得出湿空气的密度计算公式：P－空气的压力，Pa；t－空气的温度，℃；Ps－温度t时饱和水蒸汽的分压，Pa；－相对湿度，用小数表示空气的比容是指单位质量空气所占有的体积，用符号v(m3/kg)表示，比容和密度互为倒数四、粘性粘性：当流体层间发生相对运动时，在流体内部两个流体层的接触面上，便产生粘性阻力(内摩擦力)以阻止相对运动的性质。F－内摩擦力，N；S－流层之间的接触面积，m2；－动力粘度（或称绝对粘度），Pa.s。气体的粘性随温度升高而增大；液体随温度升高而减小五、湿度空气的湿度表示空气中所含水蒸汽量的多少或潮湿程度，表示空气湿度的方法有绝对湿度、相对湿度和含湿量三种。1.绝对湿度每立方米空气中所含水蒸汽的质量叫空气的绝对湿度2.相对湿度（）单位体积空气中实际含有的水蒸汽量（V）与其同温度下的饱和水蒸汽含量（S）之比称为空气的相对湿度3.含湿量（d，kg/kg（d.a)）)21(322mvnP)pP378.01(t+273p003484.0sdydusF.tT15.273含有1kg干空气的湿空气中所含水蒸汽的质量（kg）称为空气的含湿量六、焓第二节风流的能量与压力一、风流的能量与压力1.静压能－静压1)静压能与静压的概念静压能：由分子热运动产生的分子动能的一部分转化的能够对外作功的机械能，用EP表示（J/m3）。当空气分子撞击到器壁上时就有了力的效应，这种单位面积上力的效应称作静压力，简称静压，用P表示（N/m2，即Pa）。所以，由空气分子热运动而具有静压能是内涵，空气分子撞击器壁而有力的效应则是外在表现。静压能和静压是一个事物的两个方面，它们在数值上大小相等。2)静压的特点a.无论静止的空气还是流动的空气都具有静压力；b.风流中任一点的静压各向同值，且垂直于作用面；c.风流静压的大小（可以用仪表测量）反映了单位体积风流所具有的能够对外作功的静压能的多少。3)压力的两种测算基准根据压力的测算基准不同，压力可分为绝对压力和相对压力。a.绝对压力。以真空为测算零点（比较基准）而测得的压力称之为绝对压力，用P表示。b.相对压力。以当地当时同标高的大气压力为测算基准(零点)测得的压力称之为相对压力，即通常所说的表压力，用h表示。风流的绝对压力（P）、相对压力（h）和与其对应的大气压（P0）三者之间的关系如下式所示：h=P-P01）绝对静压只能为正，它可能大于、等于或小于该点同标高的大气压。2）相对压力则可正可负，相对压力为正称为正压，相对压力为负称为负压。设有A、B两点同标高，A点绝对压力PA大于同标高的大气压P0，hA为正值；B点的绝对压力PB小于同标高的大气压P0，hB为负值。AP0B真空hB（-）hA（+）PBPAP0PAPBP绝对压力、相对压力和大气压之间的关系2.重力位能1）重力位能的概念物体在地球重力场中因地球引力的作用，由于位置的不同而具有的一种能量叫重力位能，简称位能，用EPO表示。如果把质量为M（kg）的物体从某一基准面提高Z（m），需做功MgZ（J），物体获得同样数量的重力位能重力位能是地球吸引力产生的，是一种潜在的能量2）重力位能的计算如图2-2-2所示的井筒，求1-1、2-2间位能差。首先确定参照标准。则取2-2点为基准面（2-2断面的位能为零）。对于高差Z12较大时，密度是随着高度而变化的，密度计算公式中没有与高度有直接的联系，不可能建立密度与高度的直接表达式，无法利用上面公式直接计算。利用函数逼近思想，将计算区域（在高度上）划分多个区间，此时利用其平均密度代替该区间的密度，上式积分可转化为求和形式11abdZipiZ1222重力位能计算图ZgMEP012iipo12dZEgEPO12=1agZ1a+abgZab+b2gZb2=ijgZij3）位能与静压的关系当空气静止时（v=0），由空气静力学可知：各断面的机械能相等。设以2-2断面为基准面：1-1断面的总机械能E1=EPO1+P12-2断面的总机械能E2=EPO2+P2由E1=E2得：EPO1+P1=EPO2+P2由于EPO2=0（2-2断面为基准面），EPO1=12.g.Z12，所以：P2=EPO1+P1=12.g.Z12+P1它说明2-2断面静压大于1-1断面静压是1-2断面位能差转化而来的。4)位能的特点a.位能是相对某一基准面而具有的能量，它随所选基准面的变化而变化。在讨论位能时，必须首先选定基准面。一般应将基准面选在所研究系统风流流经的最低水平。b.位能是一种潜在的能量，常说某处的位能是对某一基准面而言，它在本处对外无力的效应，即不呈现压力，故不能象静压那样用仪表进行直接测量。只能通过测定高差及空气柱的平均密度来计算。c.位能和静压可以相互转化，当空气由标高高的断面流至标高低的断面时位能转化为静压；反之，当空气由标高低的断面流至标高高的断面时部分静压转化为位能。在进行能量转化时遵循能量守恒定律。3.动能－动压1）动能与动压的概念当空气流动时，除了位能和静压能外，还有空气定向运动的动能，用Ev表示，J/m3；其动能所转化显现的压力叫动压或称速压，用符号hv表示，单位Pa。2）动压的计算设某点i的空气密度为i（kg/m3），其定向运动的流速亦即风速为vi（m/s），则单位体积空气所具有的动能为Evi：Evi对外所呈现的动压hvi为：由此可见，动压是单位体积空气在作宏观定向运动时所具有的能够对外作功的动能的多少。3)动压的特点a.只有作定向流动的空气才具有动压，因此动压具有方向性。b.动压总是大于零。垂直流动方向的作用面所承受的动压最大（即流动方向上的动压真值）；当作用面与流动方向有夹角时，其感受到的动压值将小于动压真值；当作用面平行流动方向时，其感受的动压为零。因此在测量动压时，应使感压孔垂直于运动方向。c.在同一流动断面上，由于风速分布的不均匀性，各点的风速不相等，所以其动压值不等。d.某断面动压即为该断面平均风速计算值二、风流的点压力及其相互关系1.风流的点压力风流的点压力是指测点的单位体积(1m3)空气所具有的压力。2iiviv21h2iiviv21h就其形成的特征来说，可分为静压、动压和全压(风流中某一点的静压和动压之和称为全压)。根据压力的两种计算基准，静压又分为绝对静压(P)和相对静压(h)；同理，全压也可分绝对全压（Pt）和相对全压（ht）。压入式通风（正压通风）在风筒中，断面上的风速分布是不均匀的，一般中心风速大，随距中心距离增大而减小。因此，在断面上相对全压hti是变化的抽出式通风（负压通风）iP0-+-+iviitihPP0vhitiPP0oititiPPhviitihPP0vhitiPP0oititiPPh由此可见，风流中任一点的相对全压有正负之分，它与通风方式有关。而对于风流中任一点的相对静压，其正负不仅与通风方式有关，还与风流流经的管道断面变化有关。在抽出式通风中其相对静压总是小于零（负值）；在压入式通风中，一般情况下，其相对静压是大于零（正值），但在一些特殊的地点其相对静压可能出现小于零（负值）的情况，如在通风机出口的扩散器中的相对静压一般应为负值。2.风流点压力的测定1）绝对压力测量：空盒气压计、精密气压计、水银气压计等。2）压差及相对压力测量：“Ｕ”水柱计、补偿式微压计、倾斜单管压差计。3）感压仪器：皮托管，承受和传递压力三、风流点压力的相互关系绝对压力的相互关系相对压力的相互关系抽出式通风习惯取绝对值，则可得：abPa真空P0Pbha(+)hb(-)P0Pathvhat(+)hvhbt(-)Pbt抽出式通风压入式通风压入式通风抽出式通风itiviPPhviitihhhviitihhh)()(负负viitihhhitihh