第2章 矿内风流基本性质

1、2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质第第2 2章章 矿内风流的基本性质矿内风流的基本性质Chapter2 Principles of Airflow subsurface本章的重点：本章的重点：1 1、空气的物理参数、空气的物理参数-T-T、P P、；2 2、风流的能量与点压力、风流的能量与点压力-静压，静压能；动压、动能；静压，静压能；动压、动能；位能；全压；抽出式和压入式相对静压、相对全压与动压位能；全压；抽出式和压入式相对静压、相对全压与动压的关系的关系本章的难点：本章的难点：点压力之间的关系点压力之间的关系2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质一、密度一、密度1 1 密度定义

2、密度定义: :单位体积空气所具有的质量称为空单位体积空气所具有的质量称为空气的密度气的密度. .第一节第一节 矿内空气的密度及计算矿内空气的密度及计算3/,mkgVM2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质2 干空气密度 由气体状态方程可以得出任意状态下干空气密度可由下式计算300303000,48.33 .101,273293.1,mkgTpkPapKTmkgmkgTppT则有：代入具体条件：2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质3 湿空气密度湿空气密度为干空气密度和水蒸汽密度之和，根据气体状态方程，可推出空气密度计算公式 )1 (484. 3378. 0PPTPsatBBBvadpp

3、ppppppp干干水蒸气干气压力为同温条件下饱和水蒸.2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质ppTpppppTRppRpRppTRpTRpTRppVMBBBBBBB378.0148.3622.011干蒸干干蒸干又空气密度：式中：P为大气压，B为饱和水蒸汽压，单位：Pa； 为相对湿度；为空气绝对温度，T= t + 273 , K。2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质湿空气密度经验计算公式3/,45. 3mkgTp说明：式中的压力单位都为kPa2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质二 比容单位质量空气所占的体积：1MV2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质三、空气粘滞系数 为流速

4、梯度。为面积，为内摩擦力，为粘滞系数，dydusFdydusF2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质四、空气运动粘性系数说明:运动粘性系数随压力增加而减小，当压力不变时，则温度升高系数增大。e2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质五、气体状态方程KkgJRmRTPV287. 02022-5-7第2章 矿内风流的基本性质第二节第二节 矿内空气的压力及测定矿内空气的压力及测定一、静压一、静压(static pressures)(static pressures)1 1 静压的概念静压的概念 空气的分子无时无刻不在作无秩序的热运动。这种由分子热运动空气的分子无时无刻不在作无秩序的热运动。这种

5、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叫静压能，产生的分子动能的一部分转化的能够对外作功的机械能叫静压能，J Jm m3 3，2 2 静压特点静压特点 a.a.无论静止的空气还是流动的空气都具有静压力；无论静止的空气还是流动的空气都具有静压力； b.b.风流中任一点的静压各向同值，且垂直于作用面；风流中任一点的静压各向同值，且垂直于作用面； c.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。如说风流的压力为具有的能够对外作功的静压能的多少。如说风流的压力为1000Pa1000P

6、a，则指风流则指风流1m1m3 3具有具有1000J1000J的静压能。的静压能。 2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质d.d.空间某一点空气静压的大小，与该点在大气中所空间某一点空气静压的大小，与该点在大气中所处的位置和受扇风机所造成的人工压力有关。处的位置和受扇风机所造成的人工压力有关。3 3 矿井常用压强单位：矿井常用压强单位：Pa Mpa mmHg mmHPa Mpa mmHg mmH2 20 mmbar bar atm 0 mmbar bar atm 等。等。 换算关系：换算关系：1 atm = 760 mmHg = 1013.25 1 atm = 760 mmHg = 101

7、3.25 mmbar = 101325 Pa mmbar = 101325 Pa mmbar = 100 Pa = 10.2 mmHmmbar = 100 Pa = 10.2 mmH2 20,0, mmHg = 13.6mmHmmHg = 13.6mmH2 20 = 133.32 Pa0 = 133.32 Pa2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质4 大气压力大气压力 大气压力是指地面静止空气的静压力，大气压力是指地面静止空气的静压力，他等于单位面积上空气柱的重力。他等于单位面积上空气柱的重力。海拔高（米）010020030050010002000大气压（kPa）101.3100.198.

8、997.795.489.879.72022-5-7第2章 矿内风流的基本性质5 5 压力的两种测算基准（表示方法）压力的两种测算基准（表示方法） 根据压力的测算基准不同，压力可分为：绝对压力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。和相对压力。 A A、绝对压力：以真空为测算零点（比较基准）而测得、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，用的压力称之为绝对压力，用 P P 表示。表示。 B B、相对压力：、相对压力： 以当时当地同标高的大气压力为测算以当时当地同标高的大气压力为测算基准基准( (零点零点) )测得的压力称之为相对压力，即通常所说测得的压力

9、称之为相对压力，即通常所说的表压力，用的表压力，用 h h 表示。表示。2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质 C 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 P0Pi 与 hi 比较：I、绝对静压总是为正，而相对静压有正负之分；II、同一断面上各点风流的绝对静压随高度的变化而变化，而相对静压与高度无关。III、 Pi 可能大于、等于或小于与该点同标高的大气压(P0i)。abPa真空P0Pbha(+)hb(-)P02022-5-7第2章 矿内风流的基本性质二、重力位能(elevation head)1 重力位能的概念 物体在地球重力场

10、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），就要对物体克服重力作功M.g.Z（J），物体因而获得同样数量（M.g.Z）的重力位能。即： EPO=M.g.Z 重力位能是一种潜在的能量，它只有通过计算得其大小，而且是一个相对值。实际工作中一般计算位能差。2 位能计算 重力位能的计算应有一个参照基准面。 Ep012= i gdzi如下图 1两断面之间的位能差：dzi2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质3 3 位能与静压的关系位能与静压的关系 当空气静止时（当空气静止时（v=0v=0），由空气静

11、力学可知：各断面的机械能相等。），由空气静力学可知：各断面的机械能相等。设以设以2-22-2断面为基准面：断面为基准面： 1-11-1断面的总机械能断面的总机械能 E E1 1=E=EPO1PO1+P+P1 1 2-2 2-2断面的总机械能断面的总机械能 E E2 2=E=EPO2PO2+P+P2 2 由由E E1 1=E=E2 2得：得： E EPO1PO1+P+P1 1=E=EPO2PO2+P+P2 2 由于由于E EPO2PO2=0=0（2-22-2断面为基准面），断面为基准面），E EPO1PO1= = 1212.g.Z.g.Z1212， 所以：所以：P P2 2=E=EPO1PO1+

12、P+P1 1= = 1212.g.Z.g.Z1212+P+P1 1 说明：、位能与静压能之间可以互相转化。说明：、位能与静压能之间可以互相转化。 IIII、在矿井通风中把某点的静压和位能之和称之为势能。、在矿井通风中把某点的静压和位能之和称之为势能。 dzi2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质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。但位能差为定值。 b.位能是一种潜在的能量，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。 c.位能和静压可以相互转化，在进行能量转化时遵循能量守恒定律2022-5-7第2章 矿内风流的基本

13、性质三、动压(velocity pressures)（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 单位体积空气所具有的动能为： Evi 0.5 iV2 式中： i I点的空气密度，Kg/m3； vI点的空气流速，m/s。 Evi对外所呈现的动压hvi，其值相同。2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质（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）；

14、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。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。2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质四、全压(Total pressures) 1 全压概念 风道中任一点风流，在其流动方向上同时存在静压和动压，两者之和称之为该点风流的全压，即：全压静压动压。 由于静压有绝对和相对之分，故全压也有绝对和相对之分。A、绝对全压（Pti） PtiPihviB、相对全压（hti） htihihviPtiPoi 说明：A、相对全压有正负之分； B、无论正压通还是负压通风，PtiPi

15、 hti hi。2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质2 风流的点压力之间相互关系 风流的点压力是指测点的单位体积(1m3)空气所具有的压力。通风管道中流动的风流的点压力可分为：静压、动压和全压。 风流中任一点i的动压、绝对静压和绝对全压的关系为：hvi=Pti-Pi hvi、hI和hti三者之间的关系为：hti=hi+hvi 。2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质 压入式通风（正压通风）：风流中任一点的相对全压恒为正。 Pti and Pi Po i hi ， hti 0 且 hti hi ， hti = hi +hvi 压入式通风的实质是使风机出口风流的能量增加，即出口风流的绝对

16、压力大于风机进口的压力。2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质 抽出式通风（负压通风）：风流中任一点的相对全压恒为负，对于抽出式通风由于hti 和 hi 为负，实际计算时取其绝对值进行计算。 Pti and Pi Po i hti 0 且 hti hi ，但|hti| |hi| 实际应用中，因为负通风风流的相对全压和相对静压均为负值，故在计算过程中取其绝对值进行计算。 即：| hti | = |hi| hvi 抽出式通风的实质是使风机入口风流的能量降低，即入口风流的绝对压力小于风机出口的压力。2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质风流点压力间的关系风流点压力间的关系abPa真空真空P0

17、Pbha(+)hb(-)P0Pathvhat(+)hvhbt(-)Pbt抽出式通风抽出式通风压入式通风压入式通风压入式通风压入式通风抽出式通风抽出式通风2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质例题 如图压入式通风风筒中某点i的hi=1000Pa，hvi=150Pa，风筒外与i点同标高的P0i=101332Pa，求： (1) i点的绝对静压Pi； (2) i点的相对全压hti； (3) i点的绝对静压Pti。 解：(1) Pi=P0i+hi=101332+1000=102332Pa (2) hti=hi+hvi=1000+150=1150Pa (3 Pti=P0i+hti=Pi+hvi=101

18、332.32+1150=102482Paa压入式通风2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质例题 如图抽出式通风风筒中某点i的hi=1000Pa，hvi=150Pa，风筒外与i点同标高的P0i=101332Pa，求： (1) i点的绝对静压Pi； (2) i点的相对全压hti； (3) i点的绝对全压Pti。 解：(1) Pi=P0i+hi=101332.5-1000=100332Pa (2) | hti | = | hi | hvi 1000-150=850Pa hti 850 Pa (3) Pti=P0i+hti=101332.5-850=100482PabP02022-5-7第2章 矿

19、内风流的基本性质五、矿内空气压力测定、矿井主要压力测定仪器仪表 （）绝对压力测量：空盒气压计、精密气压计、水银气压计等。 （）压差及相对压力测量：恒温气压计、“”水柱计、补偿式微压计、倾斜单管压差计。 （）感压仪器：皮托管，承受和传递压力，+ - 测压2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质2022-5

20、-7第2章 矿内风流的基本性质风流点压力的定风流点压力的定风点压力的定风点压力的定、压力测定 （）绝对压力直接测量读数。 （）相对静压(以如图正压通风为例) （注意连接方法）：hP0izP0 i2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质推导如图 h = hi ? 以水柱计的等压面0 0 为基准面， 设: i点至基准面的高度为 Z ，胶皮管内的空气平均密度为m，胶皮管外的空气平均密度为m；与i点同标高的大气压P0i。 则水柱计等压面 0 0两侧的受力分别为： 水柱计左边等压面上受到的力： P左 P+ 水gh P0i + mg(z-h)+ 水gh 水柱计右边等压面上受到的力： P右 Pi+mgz

21、由等压面的定义有： P左 P右 ，即： P0i+mg(z-h)+ 水gh Pi+mgz 2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质 若若 m m m m 有：有： 水水 m m （PaPa） （mmHmmH2 20 0） 对于负压通风的情况请自行推导（注意连接方法）：对于负压通风的情况请自行推导（注意连接方法）：ghmiipp水0iiiiiihghgppghpp)(00水z zP P0 i0 ih h0 00 02022-5-7第2章 矿内风流的基本性质说明：（I）水柱计上下移动时，hi 保持不变； （II）在风筒同一断面上、下移动皮托管，水柱计读数不变，说明同一断面上 hi 相同。（）相对全

22、压、动压测量 测定连接如图（说明连接方法及水柱高度变化）z zP P0 i0 ih ht th hi ih hv v2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质一、流体的粘性 流体抵抗剪切力的性质。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，流体具有的这一性质，称作流体的粘性。其大小主要取决于温度。 V y第三节 矿内风流的流动状态2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质根据牛顿内摩擦定律有： 式中：比例系数，代表空气粘性，称为动力粘性或绝对粘度。其国际单位：帕.秒，写作：Pa.S。 运动粘度为： 温度是影响流体粘性主要因素，气体，随温度

23、升高而增大，液体而降低。dydvsF2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质二、层流和紊流利用雷若数判断流体的运动状态是层流还是紊流。 临界雷若数值为2300，反算一个4m2的巷道里，当风速大于0.018m/s时属于紊流风流。smmdsmvvd2;Re为流体运动粘性系数，为管道直径，为平均速度，式中：2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质第四节 矿内风流的流速及测定 一、矿内风流的速度分布与平均风速Vmax ydsui2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质巷道平均风速 巷道横断面上任意一点的风速以vi表示，则巷道的平均风速为：smSQvsmSdSsvv,1或2022-5-7第2章 矿

24、内风流的基本性质 巷道横断面的平均风速 u与最大风速umax之比随着巷道粗糙度而变化，一般为0.75-0.85。2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质二、风速测定1 用风表测定风速，风表有杯式和翼式风表如图所示：2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质用风表测定断面平均风速线路2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质2 热球风速仪和皮托管压差计测量仪表见下图2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质2022-5-7第2章

25、 矿内风流的基本性质2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质测点布置niiRR212 2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质皮托管压差计测量风速计算公式vHv22022-5-7第2章 矿内风流的基本性质3 风速校正风表校正曲线实际风速指示风速2022-5-7第2章 矿内风流的基本性质风速校正2迎面法：侧身法：svv14. 1svSSv4 . 02022-5-7第2章 矿内风流的基本性质三、风表校正 实验室风表校正设备有悬臂式校正装置和空气动力管等类型：图2-14 空气动力管式风表校正装置 1集流器；2 阻尼器；3 稳流管；4 收缩管；5 工作管；6 风表；7 皮托管；8 直线管；9 文丘利喷嘴及压差计；10 直线管；11 调节阀；12 接头；13 风扇2022-5-7第2