3矿井通风阻力

必修课程矿井通风VentilationofMines1第三章矿井通风阻力黑龙江科技大学2012.3VentilationofMines2温故而知新3矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用上一章我们已经解决的问题：1.描述空气流动用到哪些参数？2.空气流动的内在原因是什么？3.如何描述空气流动的基本规律？4.这些基本规律如何指导矿井通风？本章需要解决的问题：1.空气在井巷中流动的阻力是如何产生的？2.如何评价矿井通风系统的通风状况？3.如何改善矿井通风系统的通风状况？VentilationofMines3本章主要内容1、井巷断面上风速分布--风流流态--井巷断面风速分布2、摩擦风阻与阻力--摩擦阻力--摩擦阻力系数--摩擦风阻--阻力计算--阻力测定3、局部风阻与阻力--局部阻力及计算--阻力系数--局部风阻4、矿井总风阻与矿井等积孔--阻力特性--矿井总风阻--矿井等积孔5、降低矿井通风阻力措施6、通风阻力的测量7、流体相似理论与应用3矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用VentilationofMines43.1风流的流动状态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。一、风流流态1、管道流当流速较低时，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)。3矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用VentilationofMines5（１）雷诺数－Re式中：平均流速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=2000作为管道流动流态的判定准数，即：Re≤2000层流，2000Re100000紊流过度Re100000完全紊流。VdRe3矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.1风流的流动状态VentilationofMines6雷诺实验实验装置实验方法通过调节阀门调节管内流速，观察和测定不同流速下管内流体流动形态及速度流量和阻力损失换用不同管径的管道重复上述实验换用不同流体介质重复上述实验水箱红墨水测压管阀门测试观察管段针型管VentilationofMines7（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：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=3.90USde4UVSRe4SCU3矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.1风流的流动状态VentilationofMines82、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≤0.25；紊流，Re＞2.5；过渡流0.25Re2.5lVKRe3矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.1风流的流动状态VentilationofMines9二、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脉动（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。Tvxvxt3矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.1风流的流动状态VentilationofMines10(３）巷道风速分布层流边层：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。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。则：Q＝V×SSiSvSvd1SiSvdδvvmax3矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.1风流的流动状态VentilationofMines11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：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。maxvvKv3矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.1风流的流动状态VentilationofMines123.2摩擦阻力一、摩擦阻力风流在井巷中作均匀流动时，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：λ－无因次系数，即沿程阻力系数，通过实验求得。d—圆形风管直径，非圆形管用当量直径；2·,Pa2fLvhd3矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用VentilationofMines131．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。1932～1933年间，尼古拉兹把经过筛分、粒径为k的砂粒均匀粘贴于管壁。砂粒的直径k就是管壁凸起的高度，称为绝对糙度；绝对糙度k与管道半径r的比值k/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。3矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.2摩擦阻力VentilationofMines14尼古拉兹实验结果Lg（100λ）lgRe层流时,64Re水力光滑壁面,称为紊流光滑区(Re)f水力粗糙壁面,称为紊流粗糙区又称为阻力平方区过渡粗糙壁面,称为紊流过渡粗糙区0333.0dK01633.0dK00833.0dK00397.0dK001985.0dK000985.0dKdKfRe,dKf紊流结构图示3.2摩擦阻力VentilationofMines15结论分析：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k/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。3矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.2摩擦阻力VentilationofMines16Ⅲ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k（称为水力光滑管）时，其实验点均集中在直线Ⅲ上，表明λ与k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。δε3矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.2摩擦阻力VentilationofMines173.2摩擦阻力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k/r有关。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kδ，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：3矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用2lg74.11kdVentilationofMines182．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：∵μ=ρ·ν∴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λ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。vdLhf232VdRe2··642vdLRehfRe643矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.2摩擦阻力VentilationofMines193、紊流摩擦阻力对于紊流运动，λ=f(Re，k/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：23288QSLUvSLUhf3矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.2摩擦阻力VentilationofMines20二、摩擦阻力系数与摩擦风阻1．摩擦阻力系数α矿井中大多数通风井巷风流的Re值已进入阻力平方区，λ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λ可视为定值；在标准状态下空气密度ρ=1.2kg/m3。对上式，令：α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：823QSLUhf3矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.2摩擦阻力VentilationofMines21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（ρ0=1.2kg/m3）条件下的井巷的摩擦阻力系数，即所谓标准值α0值，当井巷中空气密度ρ≠1.2kg/m3时，其α值应按下式修正：2.103矿井通风阻力3.1风流的流动状态3.2摩擦阻力3.3局部阻力3.4通风阻力定律和特性3.5通风阻力测量3.6流体的相似理论与应用3.2摩擦阻力VentilationofMines222．摩擦风阻Rf对于已给定的井巷，L、U、S都为已知数，故可把上式中的α、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。