第7章 风流基本定律和风量自然分配

1、第7章 矿井通风网络与风量自然分配第第7 7章章 矿井通风网络中风流基本定律矿井通风网络中风流基本定律和风量自然分配和风量自然分配Principles of Airflow本章主要内容及重点和难点本章主要内容及重点和难点1 1、风量分配基本定律、风量分配基本定律-三大定律三大定律2 2、网络图及网络特性、网络图及网络特性1)1)简单网络简单网络2)2)角联及复杂网络角联及复杂网络3 3、计算机解算复杂网络、计算机解算复杂网络第7章 矿井通风网络与风量自然分配第一节第一节 概述概述一、通风网络一、通风网络 矿井通风系统是由纵横交错的井巷构成的矿井通风系统是由纵横交错的井巷构成的一个复杂系统。用图

2、论的方法对通风系统进行一个复杂系统。用图论的方法对通风系统进行抽象描述，把通风系统变成一个由线、点及其抽象描述，把通风系统变成一个由线、点及其属性属性组成的系统，称为组成的系统，称为通风网络通风网络。第7章 矿井通风网络与风量自然分配二二 基本术语基本术语 节点：节点：矿井风流流经各个巷道和工作面，矿井风流流经各个巷道和工作面，构成复杂的通风网络系统。通常将风道的交构成复杂的通风网络系统。通常将风道的交汇点称为汇点称为节点。节点。 分支巷道：分支巷道：两节点间的风道称为两节点间的风道称为分支（巷分支（巷道）。道）。 网孔：网孔：两条或两条以上的分支形成的闭合两条或两条以上的分支形成的闭合回路称

3、为回路称为回路或网孔回路或网孔。 第7章 矿井通风网络与风量自然分配 通风网路通常由众多的分支及回路所组通风网路通常由众多的分支及回路所组成，按各分支联结形式不同，可分为成，按各分支联结形式不同，可分为串联串联、并联并联、简单角联简单角联和和复杂联结复杂联结等。等。 风流在网路中流动时遵循风流在网路中流动时遵循风量平衡定律风量平衡定律、风压平衡定律风压平衡定律和和阻力定律阻力定律。第7章 矿井通风网络与风量自然分配三、矿井通风网络图三、矿井通风网络图通风网络图：通风网络图：用直观的几何图形来表示通风网络。用直观的几何图形来表示通风网络。 特点：特点： ）通风网络图只反映风流方向及节点与分支）通

4、风网络图只反映风流方向及节点与分支间的相互关系，节点位置与分支线的形状可以任意间的相互关系，节点位置与分支线的形状可以任意改变。改变。 ）能清楚地反映风流的方向和分合关系，并）能清楚地反映风流的方向和分合关系，并且是进行各种通风计算的基础，因此是矿井通风管且是进行各种通风计算的基础，因此是矿井通风管理的一种重要图件。理的一种重要图件。第7章 矿井通风网络与风量自然分配网络图两种类型：网络图两种类型：一种是与通风系统图形状基本一致的一种是与通风系统图形状基本一致的网络图；另一种是曲线形状的网络图。但一般常用曲网络图；另一种是曲线形状的网络图。但一般常用曲线网络图。线网络图。绘制步骤：绘制步骤：(

5、1) (1) 节点编号节点编号 在通风系统图上给井巷的交汇点标上特在通风系统图上给井巷的交汇点标上特定的节点号。定的节点号。(2) (2) 绘制草图绘制草图 在图纸上画出节点符号，并用单线条在图纸上画出节点符号，并用单线条（直线或弧线）连接有风流连通的节点。（直线或弧线）连接有风流连通的节点。(3) (3) 图形整理图形整理 按照正确、美观的原则对网络图进行修按照正确、美观的原则对网络图进行修改。改。第7章 矿井通风网络与风量自然分配四、基本定律四、基本定律 1 1 风量平衡定律风量平衡定律 是指在稳态通风条件下，单位时间流入某节点是指在稳态通风条件下，单位时间流入某节点的空气质量等于流出该节

6、点的空气质量；或者说，的空气质量等于流出该节点的空气质量；或者说，流入与流出某节点的各分支的质量流量的代数和等流入与流出某节点的各分支的质量流量的代数和等于零。于零。第7章 矿井通风网络与风量自然分配 若不考虑风流密度的变化，则流入与流出某节点若不考虑风流密度的变化，则流入与流出某节点的各分支的体积流量（风量）的代数和等于零，即：的各分支的体积流量（风量）的代数和等于零，即：如图如图a a，节点，节点4 4处的风量平衡方程为：处的风量平衡方程为：0iQ06454434241QQQQQ16523图a第7章 矿井通风网络与风量自然分配 将上述节点扩展为无源回将上述节点扩展为无源回路，则上述风量平衡

7、定律依路，则上述风量平衡定律依然成立。如图然成立。如图b b所示，回路所示，回路2-2-4-5-7-24-5-7-2的各邻接分支的风量的各邻接分支的风量满足如下关系：满足如下关系：087654321QQQQ2178356图b第7章 矿井通风网络与风量自然分配2 2 风压平衡定律风压平衡定律 假设：假设：一般地，回路中分支风流方向为顺时针时，一般地，回路中分支风流方向为顺时针时， 其阻力其阻力取取“”，逆时针时，其阻力取，逆时针时，其阻力取“”。 （1 1）无动力源（）无动力源（H Hn n=0 =0 ， H Hf f=0=0） 通风网路图的任一回路中，无动力源时，各分支阻力的通风网路图的任一回

8、路中，无动力源时，各分支阻力的代数和为零，即：代数和为零，即： 如图，对回路如图，对回路 -6-6中有：中有：234560Rih02436RRRRhhhh第7章 矿井通风网络与风量自然分配（2 2）有动力源）有动力源 设风机风压设风机风压H Hf f ，自然风压，自然风压H HN N 。 如图，对回路如图，对回路 2 23 34-5-14-5-1中有：中有：一般表达式为：一般表达式为： 即：即：能量平衡定律是指能量平衡定律是指“在任一闭合回路在任一闭合回路中，各分支的通风阻力代数和等于该回路中，各分支的通风阻力代数和等于该回路中自然风压与通风机风压的代数和。中自然风压与通风机风压的代数和。”2

9、345654321RRRRRNfhhhhhHHRiNfhHH第7章 矿井通风网络与风量自然分配3 阻力定律阻力定律 风流在任一分支或整个网路系统中流动均遵风流在任一分支或整个网路系统中流动均遵循阻力定律循阻力定律hi通风网络通风网络i分支的通风阻力；分支的通风阻力；Ri通风网络通风网络i分支的风阻；分支的风阻；Qi通风网络通风网络i分支的风量；分支的风量；h通风网络的通风总阻力；通风网络的通风总阻力；R通风网络的总风阻；通风网络的总风阻；Q通风网络的总风量。通风网络的总风量。2RQh 2iiiQRh 第7章 矿井通风网络与风量自然分配第二节第二节 串联、并联通风网路的基本性质串联、并联通风网路

10、的基本性质一、串联通风风路一、串联通风风路 由两条或两条以上分支彼此首尾相连，中间没有风流由两条或两条以上分支彼此首尾相连，中间没有风流分汇点的线路称为分汇点的线路称为串联风路串联风路。如图所示。如图所示第7章 矿井通风网络与风量自然分配（一）（一） 串联风路特性串联风路特性 1. 1. 总风量等于各分支的风量，即总风量等于各分支的风量，即 M M0 0 = M= M1 1 = M= M2 2 = = M Mn n 当各分支的空气密度相等时，当各分支的空气密度相等时， Q Q0 0 = Q= Q1 1 = Q= Q2 2 = = Q Qn n第7章 矿井通风网络与风量自然分配2. 2. 总风压

11、（阻力）等于各分支总风压（阻力）等于各分支 风压（阻力）之和，即风压（阻力）之和，即: : niinhhhhh1210第7章 矿井通风网络与风量自然分配3. 3. 总风阻等于各分支风阻之和，即：总风阻等于各分支风阻之和，即： 4. 4. 串联风路等积孔与各分支等积孔间的关系串联风路等积孔与各分支等积孔间的关系 将等积孔公式 带入上式，得出： niinnRRRRQhhhQhR12120212000.2222101111nAAAA 242.1iAiR 第7章 矿井通风网络与风量自然分配 （二）串联风路等效阻力特性曲线的绘制（二）串联风路等效阻力特性曲线的绘制 根据以上串联风路的特性，可以绘制串联风

12、路等效阻力特性曲线。根据以上串联风路的特性，可以绘制串联风路等效阻力特性曲线。方法：方法： 、首先在、首先在h hQ Q坐标图上分别作出串联风路坐标图上分别作出串联风路1 1、2 2的阻力特性曲线的阻力特性曲线R R1 1、R R2 2； 、根据串联风路、根据串联风路“风量相等，阻力叠加风量相等，阻力叠加”的原则，作平行于的原则，作平行于h h轴的若干条轴的若干条等风量线，在等风量线上将等风量线，在等风量线上将1 1、2 2分支阻力分支阻力h h1 1、h h2 2叠加，得到串联风路的等叠加，得到串联风路的等效阻力特性曲线上的点；效阻力特性曲线上的点； 、将所有等风量线上的点联成曲线、将所有等

13、风量线上的点联成曲线R R3 3，即为串联风路的等效阻力特性曲线。，即为串联风路的等效阻力特性曲线。1R1R2R1R2R1+R2QH金属非金属矿山安全规程金属非金属矿山安全规程GBl64232006 6.4.2.6各采掘工作面之间，不应采用不符合各采掘工作面之间，不应采用不符合6.4.1要求要求的风流进行串联通风。的风流进行串联通风。 总风阻大，等积孔小，通风有困难。总风阻大，等积孔小，通风有困难。 串联通风网路中各条巷道的风量是不串联通风网路中各条巷道的风量是不能调节的。能调节的。 前面工作面进行作业所产生的炮烟和粉尘前面工作面进行作业所产生的炮烟和粉尘直接影响后面的工作面。发生火灾时，影响

14、后直接影响后面的工作面。发生火灾时，影响后面巷道，且不易控制。面巷道，且不易控制。第7章 矿井通风网络与风量自然分配二、并联通风风网二、并联通风风网 由两条或两条以上具有相同始节点和末节由两条或两条以上具有相同始节点和末节点的分支所组成的通风网络，称为点的分支所组成的通风网络，称为并联风网并联风网。如图所示并联风网由如图所示并联风网由3 3条分支并联。条分支并联。第7章 矿井通风网络与风量自然分配（一）并联风路特性：（一）并联风路特性：1. 1. 总风量等于各分支的风量之和，即总风量等于各分支的风量之和，即 Mi单位时间流过的气体的质量。单位时间流过的气体的质量。 当不考虑风流密度的变化，即各

15、分支的空气密度相等时：当不考虑风流密度的变化，即各分支的空气密度相等时： niinMMMMM1210 niinQQQQQ1210第7章 矿井通风网络与风量自然分配2. 2. 总风压等于各分支风压，即总风压等于各分支风压，即3. 3. 并联风网总风阻与各分支风阻的关系并联风网总风阻与各分支风阻的关系 nhhhh 2102iiiQRh iiiRhQ nQQQQ.210第7章 矿井通风网络与风量自然分配 nRRRR1111.210nnRhRhRhRh.221100第7章 矿井通风网络与风量自然分配对于两条巷道并联时若R1R2 R ，则：221210210111RRRRRRRR4RR0第7章 矿井通风

16、网络与风量自然分配4. 4. 并联风网等积孔等于各分支等积孔之和，即并联风网等积孔等于各分支等积孔之和，即 nAAAA 210242. 1AR 42. 112AR42. 11ARnRRRR1111.210第7章 矿井通风网络与风量自然分配5. 5. 并联风网的风量分配并联风网的风量分配 若已知并联风网的总风量，在不考虑其它通风动力及风流密度变若已知并联风网的总风量，在不考虑其它通风动力及风流密度变化时，可由下式计算出分支化时，可由下式计算出分支i i的风量。的风量。 即即第7章 矿井通风网络与风量自然分配特例：对于两条巷道并联风量自然分配第7章 矿井通风网络与风量自然分配11111112022

17、101102112211221RRQQRRQQQQRRQQRRQQRR则有：方程两边加上第7章 矿井通风网络与风量自然分配（二）并联风路等效阻力特性曲线的绘制（二）并联风路等效阻力特性曲线的绘制 根据以上并联风路的特性，可以绘制并联风路等效阻力特性曲线。根据以上并联风路的特性，可以绘制并联风路等效阻力特性曲线。方法：方法：、首先在、首先在h hQ Q坐标图上分别作出并联风路坐标图上分别作出并联风路1 1、2 2的阻力特性曲线的阻力特性曲线R R1 1、R R2 2；、根据并联风路、根据并联风路“风压（阻力）相等，风量叠加风压（阻力）相等，风量叠加”的原则，作平行于的原则，作平行于Q Q轴轴的若

18、干条等风压线，在等风压线上将的若干条等风压线，在等风压线上将1 1、2 2分支阻力分支阻力h h1 1、h h2 2叠加，得到并叠加，得到并联风路的等效阻力特性曲线上的点；联风路的等效阻力特性曲线上的点； 、将所有等风压线上的点联成曲线、将所有等风压线上的点联成曲线R R3 3，即为并联风路的等效阻力特性曲，即为并联风路的等效阻力特性曲线。线。2112R1R2R1R2R1+R2QH第7章 矿井通风网络与风量自然分配例题：某个通风网络如图所示，已知各条巷道的风阻R1=0.25, R2=0.34, R3=0.46 N s2/m8,巷道1的风量Q1=65m/s。求BC、BD风路自然分配的风量及风路A

19、BC、ABD的阻力为多少？R R1 1,Q,Q1 1R R2 2,Q,Q2 2R R3 3,Q,Q3 3A AB BC CD D第7章 矿井通风网络与风量自然分配PahhhPahhhPaQRhPaQRhPaQRhsmQQQsmQBDBCABDABCRRQ, 7 .14714 .4153 .1056, 6 .14713 .4153 .1056, 4 .41505.3046. 03, 3 .41595.3434. 0, 3 .10566525. 005.3095.346595.3446. 034. 016531212233322222221113213312321各条风路的阻力为计算各巷道阻力分配

20、的风量为风路为并联网路，自然和解：第7章 矿井通风网络与风量自然分配三、串联风路与并联风网的比较三、串联风路与并联风网的比较 在任何一个矿井通风网络中，都同时存在串联与并联风网。在矿井在任何一个矿井通风网络中，都同时存在串联与并联风网。在矿井的进、回风风路多为串联风路，而采区内部多为并联风网。的进、回风风路多为串联风路，而采区内部多为并联风网。并联风网的优点：并联风网的优点：、从提高工作地点的空气质量及安全性出发，采用并联风网具有明显的、从提高工作地点的空气质量及安全性出发，采用并联风网具有明显的优点。优点。、在同样的分支风阻条件下，分支并联时的总风阻小于串联时的总风阻。、在同样的分支风阻条件

21、下，分支并联时的总风阻小于串联时的总风阻。1R1R22112R1R2第7章 矿井通风网络与风量自然分配 第三节第三节 角联通风风网角联通风风网一、基本概念一、基本概念 角联风网：角联风网：在并联巷道中间有一条联络巷道，使一侧巷道与另一侧巷道在并联巷道中间有一条联络巷道，使一侧巷道与另一侧巷道相连构成的网络。相连构成的网络。 角联分支（对角分支）：角联分支（对角分支）：是指位于风网的任意两条有向通路之间、且不是指位于风网的任意两条有向通路之间、且不与两通路的公共节点相连的分支，如图。与两通路的公共节点相连的分支，如图。 简单角联风网：简单角联风网：仅有一条角联分支的风网。仅有一条角联分支的风网。

22、 复杂角联风网：复杂角联风网：含有两条或两条以上角联分支的风网。含有两条或两条以上角联分支的风网。213456复杂角联风网复杂角联风网简单角联风网简单角联风网1第7章 矿井通风网络与风量自然分配二、角联分支风向判别二、角联分支风向判别 原则：原则：分支的风向取决于其始、末节点间的分支的风向取决于其始、末节点间的压能值。风流由能位高的节点流向能位低的节点；压能值。风流由能位高的节点流向能位低的节点；当两点能位相同时，风流停滞；当始节点能位低于当两点能位相同时，风流停滞；当始节点能位低于末节点时，风流反向。末节点时，风流反向。 第7章 矿井通风网络与风量自然分配 判别式（以简单角联为例）：判别式（

23、以简单角联为例）： 1 1、 分支分支5 5中无风中无风 Q Q5 5 = 0 = 0 Q Q1 1 = Q = Q3 , 3 , Q Q2 2 = Q = Q4 4 由风压平衡定律：由风压平衡定律： h h1 1 = h = h2 , 2 , h h3 3 = h = h4 4 由阻力定律：由阻力定律： 两式相比得：两式相比得： 即即 或写为或写为：222211QRQR244233QRQR244222233211QRQRQRQR4231RRRR13241RRRRK11第7章 矿井通风网络与风量自然分配、当分支、当分支5 5中风向由中风向由2323 节点的压能高于节点，则节点的压能高于节点，则

24、 h hR2R2 h hR1 R1 即：即： 同理，同理， h hR3R3 h hR4R4即即即即又又211222QRQR244233QRQR22253222112)(QQQQQRR22523242334)(QQQQQRR253523)(QQQQQQ12222532252334)()(RRQQQQQQRR11 即：即： 或写为：或写为：4231RRRR风流13241RRRRK11第7章 矿井通风网络与风量自然分配、分支、分支5 5中的风向由中的风向由3232 同理可得：同理可得： 或写为：或写为： 改变角联分支两侧的边缘分支的风阻就可以改变角联分支的风向。改变角联分支两侧的边缘分支的风阻就可以

25、改变角联分支的风向。对图示简单角联风网，可推导出如下角联分支风流方向判别式：对图示简单角联风网，可推导出如下角联分支风流方向判别式：114231RRRR13241RRRRK风流。中风向由，分支中风流停滞；，分支；中风向由，分支32515123513241RRRRK第7章 矿井通风网络与风量自然分配三、角联利弊 由于边缘巷道风阻发生变化不会导致工作面风流方由于边缘巷道风阻发生变化不会导致工作面风流方向发生改变的角联巷道称为无害角联。向发生改变的角联巷道称为无害角联。 由于边缘巷道风阻发生变化而导致工作面风流方向由于边缘巷道风阻发生变化而导致工作面风流方向发生改变的角联巷道称为有害角联。发生改变的

26、角联巷道称为有害角联。 1.切断对角巷道风流；切断对角巷道风流； 2.改变边缘巷道风阻比；改变边缘巷道风阻比； 3.利用辅扇扭转风流方向；利用辅扇扭转风流方向； 4.改变网络结构，变角联为并联。改变网络结构，变角联为并联。第7章 矿井通风网络与风量自然分配自然分配的风量。求通风网络中各巷道总风量，已知巷道风阻有一通风网路如图所示例题：smQmsNRRRRR30825432130, 0 . 7, 0 . 3, 1 . 0, 5 . 0, 0 . 4132CBQ0第7章 矿井通风网络与风量自然分配.,033. 031 . 0, 85 . 0443214321BCRRRRRRRRBC则对角巷道风流方

27、向为而的风流方向首先判断对角巷道132CBQ0第7章 矿井通风网络与风量自然分配525122541525432511252552512244255254321125453111RQQRQQRRQQRQQRQQRQQRQRQRQQRQRhhhhhh，得到：将上式除以132CBQ0又：巷道风流方向为 CB则有：0541QQQQ132CBQ0联立上述联立上述3 3个方程，即可求解个方程，即可求解 Q Q1 1、Q Q4 4、Q Q5 5 。可借助计算机可借助计算机进行通风网络解算进行通风网络解算。第7章 矿井通风网络与风量自然分配。可得：做图由两直线的交点等于，求出代入方程设设；，等于，求出代入方程

28、设。用图解法计算，联立方程代入上两式并整理可得设：81. 1,41. 108. 2 ,96. 1 ,74. 1 ,58. 163 , 2 , 1 , 043. 141. 136. 133. 153 , 2 , 1 , 065)6( ,1)5( ,1,452215235451yxMyxxyRRxRyRRyRxQQYQQx第7章 矿井通风网络与风量自然分配.,352,500,40,145,4002010301 .179 .12301041. 11 . 79 .1281. 11 . 71 . 7181. 141. 1301154321231033402351354305505541PahhhhhRQ

29、hsmQQQsmQQQsmxQQsmyQQsmyxQQQQQQQQyx可以求得各巷道阻力：则因第7章 矿井通风网络与风量自然分配第四节第四节 应用计算机解算复杂通风网络应用计算机解算复杂通风网络 目的：目的：已知风网各分支风阻和主通风机的特性，求算主要通已知风网各分支风阻和主通风机的特性，求算主要通风机的工况点，各分支的风量和风向，以便验算各用风地点风机的工况点，各分支的风量和风向，以便验算各用风地点的风量和风速是否符合规程要求。的风量和风速是否符合规程要求。 原理：原理：依据风量平衡定律、风压平衡定律、阻力定律依据风量平衡定律、风压平衡定律、阻力定律 方法：方法： 回路法回路法 假设风网中每一回路内各分支的风向和风量开始，假设风网中每一回路内各分支的风向和风量开始，逐渐修正风量，使之满足风压平衡定律。逐渐修正风量，使之满足风压平衡定律。 节点法节点法 假设风网中每一回路内各分支节点压力值开始，假设风网中每一回路内各分支节点压力值开始，逐渐修正压力分布，使之满足风量平衡定律。逐渐修正压力分布，使之满