第03章 井巷通风阻力

1、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：l 摩擦阻力(也称为沿程阻力)l 局部阻力本章学习目标本章学习目标l 了解层流、紊流的特征及其与雷诺数的关系。l 熟悉井巷断面上的风速分布特征。l 掌握摩擦阻力系数、摩擦风阻、摩擦阻力内涵及其计算方法。l 熟悉局部阻力的概念、计算方法。l 掌握井巷阻力特性，掌握矿井总风阻的计算方法。l 理解矿井等积孔的含义及其计算方法。l 掌握降低井巷摩擦阻力和局部阻力的方法。第一节 井巷断面上的风速分布一 风流流态DBAC墨水流线玻璃管雷诺实验（1）雷诺实验）雷诺

2、实验 1883年年, 英国物理学家英国物理学家Osbone Reynolds作了如下实验。作了如下实验。第一节 井巷断面上的风速分布（2）雷诺实验现象雷诺实验现象 两种稳定的流动状态：层流、湍流。两种稳定的流动状态：层流、湍流。用红墨水观察管中水的流动状态用红墨水观察管中水的流动状态(a)层流(b)过渡流(c)湍流 流体质点做直线运动；流体质点做直线运动； 流体分层流动，层间不相混合、不碰撞；流体分层流动，层间不相混合、不碰撞； 流动阻力来源于层间粘性摩擦力。流动阻力来源于层间粘性摩擦力。 不是独立流型（层流不是独立流型（层流+湍流），湍流）， 流体处于不稳定状态（易发生流型转变）。流体处于不

3、稳定状态（易发生流型转变）。主体做轴向运动，同时有径向脉动；主体做轴向运动，同时有径向脉动；特征：流体质点的脉动特征：流体质点的脉动 。第一节 井巷断面上的风速分布（3）雷诺数）雷诺数ev dReRvd平均流速管道直径运动粘性系数(读Nu)雷诺数式中：流体在流体在直圆管内直圆管内流动时，当流动时，当Re2320(下临界雷诺数下临界雷诺数)时，为时，为层流层流；当当Re4000(上临界雷诺数上临界雷诺数)时，流动状态为时，流动状态为紊流紊流；在在Re=23204000的区域内，流动状态不是固定的，只要稍有干扰的区域内，流动状态不是固定的，只要稍有干扰，流态就会发生变化，因此称为不稳定的，流态就会

4、发生变化，因此称为不稳定的过渡区过渡区。矿井空气运动粘度系数取1510-6第一节 井巷断面上的风速分布l 当量直径：当量直径：l 非圆形断面井巷雷诺数：非圆形断面井巷雷诺数：l 井巷断面形状系数井巷断面形状系数C： 梯形梯形C=4.16；三心拱；三心拱C=3.85；半圆拱；半圆拱C=3.904eSdU4evSRUSCU （4）当量直径）当量直径第一节 井巷断面上的风速分布二 井巷断面上的风速分布 在矿井通风中，空气流速简称为在矿井通风中，空气流速简称为风速风速。 井巷中风流质点的运动状态是极井巷中风流质点的运动状态是极其复杂的，运动参数随时间而变化。其复杂的，运动参数随时间而变化。 AAAvv

5、vAvvOttC点A处流体质点的速度脉动曲线示意图Av采用时均速度后，井巷风流流采用时均速度后，井巷风流流动可看作稳定流。动可看作稳定流。第一节 井巷断面上的风速分布sidSvSv1巷道断面风速分布巷道断面风速分布Re4000Re4000ururRd湍流时流体在圆管中的速度分布湍流时流体在圆管中的速度分布umax第一节 井巷断面上的风速分布l 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=0.80.86；木棚支护巷道，Kv=0.680.82；无支护巷道，Kv=0.740.81。

6、maxvvKv第二节 摩擦风阻与阻力一 摩擦阻力l 摩擦阻力(也叫沿程阻力)：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。l 计算公式：式中 无因次系数，通过实验求得； d 圆形风管直径，非圆形管用当量直径。2 2vdLhf达西达西-威斯巴赫公式威斯巴赫公式第二节 摩擦风阻与阻力（一）尼古拉兹实验尼古拉兹实验l 能量损失原因： 内因：取决于粘滞力和惯性力的比值，用雷诺数Re来衡量； 外因：是固体壁面对流体流动的阻碍作用，与管道长度、断面形状及大小、壁面粗糙度有关。壁面粗糙度的影响通过值来反映。l 绝对糙度：砂粒的直径就是管壁凸起的高度，l 相对糙度：绝对

7、糙度与管道半径r的比值/r 第二节 摩擦风阻与阻力 lg 1000lg Re115r130.6r160r1126r1256r1507r2lg274.11r区区层流区层流区当当Re2320 (即即lgRe3.36)时时,只与只与Re有关，且有关，且=64/Re。与与/r无关无关区区过渡流区过渡流区。23202320ReRe4000 4000 ( (即即3.36lg3.36lgReRe3.6)3.6)，不同的管内，不同的管内流体由层流转变为紊流。流体由层流转变为紊流。随随ReRe增大增大而增大，与而增大，与/ /r r无明显关系。无明显关系。区区水力光滑管区水力光滑管区。紊。紊流状态流状态( (R

8、eRe4000) 4000) 与与仍然无关，只与仍然无关，只与ReRe有关有关区区紊流过渡区紊流过渡区，各，各种不同相对糙度的实验种不同相对糙度的实验点各自分散呈一波状曲点各自分散呈一波状曲线，线，值既与值既与ReRe有关，有关，也与也与/ /r r有关有关。区区- -水力粗糙管区水力粗糙管区第二节 摩擦风阻与阻力（二）层流摩擦阻力根据尼古拉兹实验，当流体处于层流状态时：根据尼古拉兹实验，当流体处于层流状态时：则，则，232fLhvd64ReevdR2642fLvhRe dl层流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比，即两者之间满足层流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比，即两者之间满足线性关系线性关系

9、。由于由于 ，则则2 2vdLhf第二节 摩擦风阻与阻力（三）紊流摩擦阻力l 对于紊流运动，=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：22388fLULUhvQSS 第二节 摩擦风阻与阻力二 摩擦阻力系数l 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。l =1.2kg/m3时l 1.2kg/m3时l 称为摩擦阻力系数，单位为 kg/m3 或N.s2/m48 01.2第二节 摩擦风阻与阻力l 标准摩擦阻力系数在标准状态（0=1.2kg/

10、m3）条件下，通过大量实验和实测所得的井巷的摩擦阻力系数，即所谓标准值0值，井巷中空气密度1.2kg/m3时，值应修正。l 紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式为：23fLUhQS第二节 摩擦风阻与阻力摩擦阻力系数的影响因素l 对于砌碹、锚喷巷道只考虑横断面上方向相对粗糙度；l 对于木棚、工字钢、U型棚等还要考虑纵口径=l/d0ld0随变化实验曲线工字钢支架在巷道中流动状态工字钢支架在巷道中流动状态第二节 摩擦风阻与阻力三 巷道的摩擦风阻Rf l 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：l 单位：kg/m7 或 N.s2/m8。l 在正常条件下当某一段

11、井巷中的空气密度一般变化不大时，可将Rf 看作是反映井巷几何特征的参数。3fLURS第二节 摩擦风阻与阻力四 完全紊流下摩擦阻力l 计算公式：l Rf与hf区别： Rf是风流流动的阻抗参数 hf是流动过程能量损失2ffhR Q第二节 摩擦风阻与阻力五 井巷摩擦阻力计算方法（新建矿井）查表得查表得0计算摩擦阻力系数计算摩擦阻力系数计算井巷摩擦风阻计算井巷摩擦风阻Rf计算井巷摩擦阻力计算井巷摩擦阻力hf第二节 摩擦风阻与阻力五 井巷摩擦阻力计算方法（生产矿井）测得井巷摩擦阻力测得井巷摩擦阻力hf计算井巷摩擦风阻计算井巷摩擦风阻Rf计算摩擦阻力系数计算摩擦阻力系数计算标准阻力计算标准阻力0第三节 局

12、部风阻和阻力一 局部阻力的概念l 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，造成风流能量损失，这种阻力称为局部阻力。 l 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。第三节 局部风阻和阻力二 局部阻力的计算l 局部阻力的表示： 式中：局部阻力系数，无因次。l 对于层流而言：l 式中：B因局部阻力物形式不同而异的常数。BRe22lhv222lhQS或第三节 局部风阻和阻力三 几种常见的局部阻力产生的类型l 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

13、边壁之间形成涡漩区，从而增加能量损失。第三节 局部风阻和阻力l 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。第三节 局部风阻和阻力l 转弯：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。第三节 局部风阻和阻力l 分岔与会合：l 上述的综合。l 因此，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。第三节 局部风阻和阻力四 局部阻力系数l 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

14、的粗糙程度为次要因素第三节 局部风阻和阻力l 突然扩大：或1222211112211222lvShvQSS2222222222121222lSvhvQSSv1、v2分别为小断面和大断面的平均流速，m/s；S1、S2分别为小断面和大断面的面积，m；对于粗糙度较大的井巷，可进行修正： 10.01 第三节 局部风阻和阻力l 突然缩小：对应于小断面的动压，和值可按下式计算： 210.5 1SS10.013 第三节 局部风阻和阻力l 逐渐扩大：逐渐扩大的局部阻力比突然扩大小得多，其能量损失可认为由摩擦损失和扩张损失两部分组成。 当20时，渐扩段的局部阻力系数可用下式求算：22111sin1sin2nn

15、风道的摩擦阻力系数，Ns2/m4；n风道大、小断面积之比，即S2S1；扩张角。 第三节 局部风阻和阻力l 转弯： 当巷高与巷宽之比 H/b=0.21.0 时， 当H/b=12.5 时 01280.350.65H b 028bH 上式中： 0假定边壁完全光滑时，90转弯的局部阻力系数 巷道的摩擦阻力系数，N.s2/m4 巷道转弯角度影响系数第三节 局部风阻和阻力l 风流分叉：典型的分叉巷道如图所示，12段的局部阻力hl2和13段的局部阻力hl3分别用下式计算：221211 2222cos2lhKvv vv221313322lhKvvv23123第三节 局部风阻和阻力l 风流汇合：如图所示，13段

16、和23段的局部阻力hl3、hl23分别按下式计算：221311 3332cos2lhKvv vv222323322lhKvvv12112223coscosQQvvQQ12第三节 局部风阻和阻力五 局部风阻令则有：式中Rl称为局部风阻，其单位为N.s2/m8或kg/m7。l 此式表明，在紊流条件下局部阻力也与风量的平方成正比22lRS2llhRQ第三节 局部风阻和阻力l 局部阻力在矿井通风总阻力中一般不占很大比重l 对于有些形式的局部阻力物,如巷道拐弯等,能把测段的摩擦力与局部阻力分开l 对于如突然扩大等形式的局部阻力, 常把这局部区段的阻力视为局部阻力Rflhhh第四节 矿井总风阻与矿井等积孔

17、一 井巷阻力特性l 在紊流条件下，摩擦阻力和局部阻力均与风量的平方成正比。故可写成一般形式：hRQ2 Pa 。l 对于特定井巷，R为定值。l 根据坐标点（Qi,hi）即可画出一条抛物线。这条曲线就叫该井巷的阻力特性曲线。l 风阻R越大，曲线越陡。第四节 矿井总风阻与矿井等积孔井巷阻力特性曲线0QhR第四节 矿井总风阻与矿井等积孔 已知矿井通风总阻力hRm和矿井总风量Q，即可求得矿井总风阻： N.s2/m8 l Rm是反映矿井通风难易程度的一个指标。Rm越大，矿井通风越困难；2RmmhRQ第四节 矿井总风阻与矿井等积孔二 矿井总风阻 从入风井口到主要通风机入口，把顺序连接的各段井巷的通风阻力累加

18、起来，就得到矿井通风总阻力hRm，这就是井巷通风阻力的叠加原则。第四节 矿井总风阻与矿井等积孔三 矿井等积孔l矿井等积孔作为衡量矿井通风难易程度的指标。l假定在无限空间有一薄壁，在薄壁上开一面积为A(m2)的孔口。当孔口通过的风量等于矿井风量，且孔口两侧的风压差等于矿井通风阻力时，则孔口面积A称为该矿井的等积孔。AIIIP2,v2P2,v2第四节 矿井总风阻与矿井等积孔l 设风流从I II，且无能量损失， 则有：22112222PvPv2122222/RmRmPPvhvh风流收缩处断面面积风流收缩处断面面积A2与孔口面积与孔口面积A之比称为之比称为收缩系数收缩系数，由水力学可知，一般，由水力学可知，一般=0.65，故故A2=0.65A。则。则v2Q/A2=Q/0.65A，代，代入上式后并整理得：入上式后并整理得：RmhQA/265. 0取取=1.2kg/m3，则，则RmhQA19.1因因Rm=hm2，故有，故有 mRA19.1可见，可见，A是是Rm