华北理工矿井通风与安全教案第5章 风网中风流基本规律和风量自然分配

课程名称：《矿井通风与安全》摘要授课题目（章、节）第五章风网中风流基本规律和风量自然分配第一节风网的基本术语和形式第二节风网中风流的普遍规律第三节简单风网中风流的特殊规律第四节复杂风网中风流的稳定性第五节复杂风网中自然分配风量计算本讲目的要求及重点难点：【目的要求】通过本章的学习，要求学生了解和掌握矿井通风网路及网路解算。【重点】串并联网路、角联网路解算。【难点】角联网路解算和自然分配风量计算。内容【本讲课程的引入】矿井井下多条巷道相互交错，落实到采掘工程平面图上便构成了通风网路，怎样来计算矿井总的通风阻力和总风阻呢？怎样计算不同采区的通风阻力和总风阻呢？这一章就是教我们解决这个问题的。【本讲课程内容】第五章风网中风流基本规律和风量自然分配由若干风道和交汇点构成的通风网格叫风网。在全矿井的风网中，风量分配有两种，一种是按需分配，一种是自然分配。按需分配――根据井下各个用风地点的实际需要进行分配的方法，为了保证这种分配，必须采取一系列的控制措施，井下大部分风路中的风量用这种方法分配。自然分配――取决于风网中各风路的风阻比例关系，不加控制，任风量自然的进行分配的方法，多用于矿井的进风和回风风网中，但必须保证井下各个用风地点实现按需风配量。第一节风网的基本术语和形式一、基本术语1、节点：三条或三条以上风道的交点，断面和支护方式不同的两条风道，其分界点有时也可称为节点，如图b-e-d-c.2、分支：两节点间的联线也叫风道，用单线表示分支。其风流的方向用箭头表示。3、路：有若个方向相同的分支首位相接而成的线路，计谋一分支的末节点是下一分支的始节点a-b-c-e-f4、回路与网孔：是由若干方向并不都相同的分支首位相接而成的线路，其中有分支的叫回路，无分支的叫网孔。如b-c-e-d-b回路，b-c-d-b网孔。5、生成树：包括风网中全部节点何不构成回路或网孔的一部分分支。6、假分支：风阻为零的虚拟分支7、弦：在任意风网中的每棵树中，每增加一个分支就构成一个独立回路或网孔，这种分支就叫做弦。因此风路中独立的回路和弦相等。风路中的树枝数，J-1加上弦数M，等于风网中的分支数N。N=J-1+M.M=N-J+1（5-1），上式对任意形式的风网都使用。二、风网的形式1、串联风路：有两条或两条与上的分支彼此首尾相连，中间没有分支的线路。2、并联风路：两条或两条以上的分支自空气能量相同的节点分开到能量相同的节点汇合，形成一个或几个网孔的总回路。简单并联风网只有一个网孔，复杂并联风网则由2个或2个以上网孔。3、角联风网：在简单并联风网的始节点和末节点之间有一条或几条风路贯穿得风网叫角联风网，贯穿的分支叫对角分支，单角联风网只有一条对角分支，多角联风网只有两条或两条以上的对角分支。4、复杂联风网比上述几种形势更复杂的风网.三、风网图的绘制首先在通风系统图上，沿着风流方向对每个节点依次编号，作为确定风网图上每个节点顺序号的根据。有时可把空气能量相近的几个节点合成一个节点，以简化风网图，风网途中的分支事物尺寸的单线条，有时要在每条分支上分别注明风阻、风量、风压值，用不同的箭头去分开按需分配和自然分配的风流，需要时还可把某个局部地点的若干分支并为一条合成分支，而且合成分支上注明该地区的总风压、总风阻和总风量。规程规定，矿井必须绘制全矿井得风网图和图板。第二节风网中风流的普遍规律风流在风网中流动时，遵守质量守恒定律和能量守恒定律。这些规律对于任何形式的风网都能适用，因此叫普遍规律。一、风流平衡定律流入回路的风量等于流出回路的风量，一般取流入的风量为正，流出的为负，二、风压平衡定律任一回路或网孔中得风流遵守能量守恒定律，回路或网空中不同方向的风流，其风压或阻力必须平衡或相等。如上图：h2-4+h4-5+h5-7=h2-7即：h2-7-h2-4-h4-5-h5-7=0表明；回路或网空中，不同方向的风流，他们的风压或阻力的代数和等于零，去顺时针方向风流的的风压为正，逆时针方向的风流的风压位负。例：平峒口1，进风口2，在2-3风道上安装一台辅扇，P0=P0’+zρ根据风流的能量方程式中p3，hv3—分别是3点的绝对静压和速压。风路2-3段的风压式风道2-2’，和3’-3段的风压之和。式中：p2’和p3’—分别是辅扇进风口2’和出风口3’的绝对静压hv2’和hv3’—分别是辅扇进风口和出风口的速压。因则因风到2-3于1-3构成敞开并联风网，敞开并联风网内的自然风压为所以有或此即在网孔或回路中有机械风压和自然风压时的风压平衡定律，上式表明：只要把敞开并联中的机械风压和自然风压加入计算，便可把两个能量不同的进风点用虚线联起来，形成概念上的网孔或回路。三、通风阻力定律如前所述，风网中得风流，绝大多数属于完全紊流状态，故其阻力定律遵守平方关系。即：（5-2）式中—风网中某条风路的风压或阻力—该条风路的风阻。—该条风路的风量。第三节简单风网中风流的特殊规律一、串联风路1、风量关系式：m3/s（5-3）即：串联风路的总风量等于各条分支的风量。2、风阻关系式：N·S2/m8（5-4）3、风压关系式：（5-5）即，串联风路的总风压等于其中各条分支的风压之和.二、并联风网1、风量关系式：m3/s（5-6）并联风网的总风量等于各条分支的风量之和。2、风压关系式：（5-7）即并联风网的总风压等于各条分支的分压3、风阻关系式由可推出或N·S2/m8（5-8）式中m—为1到n条风路中的某一条风路。表明，并联风网的总风组合各分支的风组成复杂的繁分数关系，对于简单并联风网（5-9）4、自然分配风量的计算因h=hm有代入（5-8）得：（5-10）即，如已知并联风网的总风量Q和各条分支的风阻Ri，即可用上式算出某一分支的自然分配风量Qm。在简单并联风网中，Q2=Q-Q1三、串联风路和并联风路的比较1、经济性比较如图所时，有两条分支分别构成并联风网和串联风路设R1=R2，则并联时N·S2/m8即，并联风网的总风阻是串联风路的总风阻的1/8倍，当通过并联风网和串联风路的总风量相等时，并联风网的总风压hp和串联风路的总风压hs具有下列关系表明：在上述条件下，并联风网的总风压是串联风路的总风压的1/8。因此可以充分说明，并联风网比串联风路的通风经济性要优越得多。2、安全性（1）并联风网中各风路都有独立的新鲜风流，而串联风路的后一工作面则要吃前一工作面的污风和炮烟。（2）并联风网有利于风流的控制和风量的调节，容易做到按需分配分量，串连风路则无法做到。（3）并联风网在某分支万一发生事故时，易于隔绝，不致影响其它风路，串连风路则必然互相影响。因此，《规程》强调要用分区通风（即并联通风）而严格限制串连通风。第四节复杂网络中风流的稳定流由于矿井开采和运输的需求，井下复杂风网常常出现，其对角分支中风流的方向和风量有时出现不稳定的现象，必须注意预防。一、单角联风网中风流的稳定性二、如图所示：在单角联风网中，对角分支5的风流方向，随着其它两条分支中风阻值R1，R2，R3，R4在大于零，小于无穷大范围内变化而变化。即有以下三种变化：1、当Q5向上流动时，风压：。风量：则。（5-11）（5-12）（5-11）和（5-12）式相比，得，或（5-13）（5-13）此式即是。2、同理可推出，Q5向下流的判别式为：（5-14）3、Q5等于零的判别式为：判别式中不包括本风路的风阻R5，说明R5在大于零，小于无穷大的范围内变化时，风流的方向不变，只可能使本风路的风量变化。这是因为本风流的方向只取决于本风路起末两点风流的能量之差，而这一能量之差与R5无关.作用：（1）就是用来判别不稳定风流的方向.例如，上图中1，5，4都是工作面，为保证Q5稳定的向上流。不允许Q5向下流或Q5须始终满足而且k值越大，Q5向上流就越稳定。2）可以利用判别式制定事故时期局部反风的急救措施。例如如图a所示某一采区稳定的串并联通风（图b）3-4-6-9是经过综采工作面的风路。为了事故时期能实现局部反风，以救人灭火，在8处建一风桥，掘一风道8-10（图a）并在风道3-4和9-10中各准备一个调节风门，平时都不使用，万一在风道3-4或4-6-9中发生火灾时，可迅速打开风道4-7-8-10中的风门，时采区风网变成单角联风网（图c）同时迅速使用两个调节风门；加大风阻以满足使4-6-9风路中的风流迅速反向，引导火灾气体流经风路4-7-8-10而排出地表，同时使4-6-9中的人员迅速撤到风路3-5-9中，在经进风大巷，立井升到地面。一、双角联风网中风流的稳定性如图所示。在双角联风网中；共用八条分支，其中3和6两条对角分支中的风流方向随着其它7条分支的风阻值在大于0小于无穷大k范围内变化而变化。每个不稳定风流的方向各有三种变化，根据单角联风网中不稳定风流的方向判别式推理，可得出双角联风网中两股不稳定风流的方向判别式。如表5-2所示。使用时先计算条件式，选定相应的判别式，再据算出的判别分别判定Q3，Q6的方向。例如：已知R1＝10，R2＝10，R3＝30，R4＝20，R5＝30，R6＝90，R7＝62.5，R8＝10N.S2/M81、先判别Q3的方向因为，须用表5-2中的A`和B`式计算，即：；＝0，即3分支中没有风流。2、再判别Q6的方向。因须用表5-2中的C和D式计算，即：所以Q6向下流。对于其它形状的风网，其风向判别式绝大多数有待探讨，仅小部分已基本了解。第五节复杂风网中的分配风量的计算矿井通风的基本任务就是根据井下各个用风地点的需要，供给它的一定的新鲜风量，这个风量是未知的，需要通过计算来确定。目的：是为了掌握复杂风网的通风总阻力和总风阻，若不先求出风网中各分支的自然分配风量，就无法计算复杂风网的通风阻力和总风阻和总风阻；其次是为了验算各风道的风速是否符合《规程》规定。计算方法分为：手算法；图解法；电算法。一、手算方法二、复杂风网中自然分配风量的手算方法较多，都是用普遍规律建立数学方程，然后用不同的手段进行计算，常用的是斯考德-亨斯雷法。其实质是预先在风网中选择几个网孔或回路，拟定其中各分支的初始风量，然后求解其校正值以较正拟定的初始风量，经过几次迭代计算，使风量接近真值。一个有N条分支的风网，必须列出N个线性无关的独立方程。以求解N条分支中的N个风量。其主要依据是：风量平衡定律；风压平衡定律；通风阻力定律：再经过风量校正值公式：N—网孔或回路中的分支数或顺时针作用方向的hF和hn为负值，计算出后再用下式进行第一次校正。取风流顺时针方向流动的为正值，然后再用上述三式进行迭代，一般要迭代2-3次计算。手算法只要求网孔或回路中两股不同方向的风流累计风压之差不超过较小的累计风压5%，便停止迭代计算。通常用最小树的概念来选择网孔或回路，即可在风网中选择风阻值较小的（3-1）条分支为树枝，选择风阻值较大的M条分支为弦这样构成的树就叫最小树。由最小树的树枝和弦所构成的的网孔或回路就是所选定的网孔或回路。例如：如图所示，各分支的风阻分别为R1＝0.38，R2＝0.5，R3＝0.2，R4＝0.085，R5＝0.65N.S2／M8，风网总风量Q＝30M3／S，无附加的机械风压和自然风压，求各分支的自然分配风量和该风网的总阻力，总风阻。解：1、判别对角分支的风向，因为所以对角分支中的风流是自b至c。对于其他风网若事先无法判别其中不稳定风流可先假定。若计算出该假定风向的风量是负值时，则假定的风向不正确，改过来再计算。2、确立独立网孔或回路的树目因为分支数N＝5，节点数J＝4，根据M＝N-J＋1＝23、选择独立网孔或回路因为该风网的树枝数为J-1＝4-1＝3，故选用风阻较小的三条分支c-d；b-d；a-b为树枝，构成实践所示的最小树c-d-b-a又因为弦数M=2，故选用风阻较大的两条分支a-c，b-c为弦。最后选择1个独立回路a-b-d-c-a和1个独立网孔b-d-c-b来进行计算。4、拟定各分支得初始风量5、进行迭代计算对上述选定的一个回路和一个网空中各分支的风量校正值⊿Qi进行几次迭代计算，为了便捷，应把有关的已知数和计算值列入表中进行计算，见p149表5-3。然后用校正该回路中各分支的风量。风流顺时针方向流动时，其风压为正值，反之为负值。例如，1、分支第一次校正后的风量为2、分支第二次校正后的风量为其他各式的计算结果见表5-3，表中代括号得风量值式上一次校正过的风量值，这样可以加快收敛.6、检验计算结果将分支最后一次校正的风量值和算出的风压值均填入表5-4中，经过验算，知一个回路和两个网空中不同方向的累计风压很接近，误差均小于5%，即所列各值，各分支的自然分配风量和风压.7、计算总阻力