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1、第二章第二章 矿井风流的基本性质矿井风流的基本性质本章的重点：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、风流的点压力、风流的点压力-静压，动压，全压；抽出式和静压，动压，全压；抽出式和压入式相对静压、相对全压与动压的关系压入式相对静压、相对全压与动压的关系3 3、测定方法、测定方法 主要物理参量的测定方法及其仪器设备主要物理参量的测定方法及其仪器设备本章的难点：本章的难点：点压力之间的关系点压力之间的关系第二章第二章 矿井风流的基本性质矿井风流的基本性质 主要研究内容主要研究内容主要研究内容主要研究内容：研究矿井空气沿井巷流动过程中宏观力学参数的变研究矿井空
2、气沿井巷流动过程中宏观力学参数的变化规律；介绍空气的主要物理参数、性质，为后续章节讨论空气在流动化规律；介绍空气的主要物理参数、性质，为后续章节讨论空气在流动过程中所具有的能量（压力）及其能量的变化、能量方程在矿井通风中过程中所具有的能量（压力）及其能量的变化、能量方程在矿井通风中的应用打下基础。的应用打下基础。第一节第一节 空气的主要物理参数空气的主要物理参数一、温度一、温度 温度是描述物体冷热状态的物理量。矿井表示气候条件的主要温度是描述物体冷热状态的物理量。矿井表示气候条件的主要参数之一。热力学绝对温标的单位参数之一。热力学绝对温标的单位K K，摄式温标，摄式温标 T=273.15+tT
3、=273.15+t二、压力（压强）二、压力（压强）空气的压力也称为空气的静压，用符号空气的压力也称为空气的静压，用符号P P表示。压强在表示。压强在矿井通风中习惯称为压力。它是空气分子热运动对器壁碰撞的宏观表现。矿井通风中习惯称为压力。它是空气分子热运动对器壁碰撞的宏观表现。P=2/3n(1/2mvP=2/3n(1/2mv2 2)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 mmbar=101325 Pa
4、 1 atm=760 mmHg=1013.25 mmbar=101325 Pa (见见P396)P396)mmbar=100 Pa =10.2 mmHmmbar=100 Pa =10.2 mmH2 20,0,mmHg=13.6mmHmmHg=13.6mmH2 20=133.32 Pa0=133.32 Pa空气压力的单位空气压力的单位（1 1）Kgf/mKgf/m2 2；（；（2 2）mmHmmH2 2O O；（；（3 3）mmHgmmHg；（；（4 4）帕斯卡）帕斯卡 (Pascal)(Pascal)，PaPa（N/mN/m2 2）。）。因为因为1Kg1Kg重的水铺在重的水铺在1 m1 m2
5、2的面积上将形成的面积上将形成1mm1mm高的水柱，所以高的水柱，所以 1Kgf/m1Kgf/m2 2=1mm=1mm水柱水柱=9.8Pa=9.8Pa(水水=1000kg/m=1000kg/m3 3)通风工程中常用通风工程中常用mmmm水柱表示压力，当压力很大时，也用水柱表示压力，当压力很大时，也用mmmm水银水银柱表示。水银比重为柱表示。水银比重为13.613.6，故，故 1mm1mm水银柱水银柱=13.6mm=13.6mm水柱水柱。在我国法定计量单位在我国法定计量单位(亦即国际单位制亦即国际单位制)中以中以帕斯卡帕斯卡作为压强单作为压强单位，简称帕，以位，简称帕，以PaPa表示。它的物理意
6、义是每平方米面积所承受多表示。它的物理意义是每平方米面积所承受多少牛顿少牛顿(N)(N)的压力。的压力。工程上还常用工程上还常用标准大气压标准大气压。1 1个标准大气压个标准大气压=760mm=760mm水银柱水银柱=10336mm=10336mm水柱水柱=101.3kPa.=101.3kPa.三、湿度三、湿度表表示示空空气气中中所所含含水水蒸蒸汽汽量量的的多多少少或或潮潮湿湿程程度度。表表示示空空气气湿湿度度的的方方法法：绝绝对湿度、相对温度和饱和湿度三种对湿度、相对温度和饱和湿度三种、绝对湿度、绝对湿度 每每立立方方米米空空气气中中所所含含水水蒸蒸汽汽的的质质量量叫叫空空气气的的绝绝对对湿
7、湿度度。其其单单位位与与密密度单位相同（度单位相同（g/mg/m3 3）。）。饱饱和和空空气气：在在一一定定的的温温度度和和压压力力下下，单单位位体体积积空空气气所所能能容容纳纳水水蒸蒸汽汽量量是是有有极极限限的的，超超过过这这一一极极限限值值，多多余余的的水水蒸蒸汽汽就就会会凝凝结结出出来来。这这种种含含有有极极限限值值水水蒸蒸汽汽的的湿湿空空气气叫叫饱饱和和空空气气，这这时时水水蒸蒸气气分分压压力力叫叫饱饱和水蒸分压力和水蒸分压力，P PS S，其所含的水蒸汽量叫，其所含的水蒸汽量叫饱和湿度饱和湿度 s s 。、相对湿度、相对湿度 单单位位体体积积空空气气中中实实际际含含有有的的水水蒸蒸汽
8、汽量量（V V）与与其其同同温温度度下下的的饱饱和和水水蒸汽含量（蒸汽含量（S S）之比称为空气的相对湿度）之比称为空气的相对湿度 V V S S 反映空气中所含水蒸汽量接近饱和的程度。反映空气中所含水蒸汽量接近饱和的程度。愈小愈小 空气愈干爆，空气愈干爆，为干空气；为干空气；愈大愈大 空气愈潮湿，空气愈潮湿，为饱和空气为饱和空气。温度下降，其相对湿度增大，冷却到温度下降，其相对湿度增大，冷却到=1=1时的温度称为时的温度称为露点露点例如：甲地：例如：甲地：t=18 t=18 ，V V 0.0107 Kg/m0.0107 Kg/m3,3,乙地：乙地：t=30 t=30 ，V V 0.0154
9、Kg/m0.0154 Kg/m3 3解：查附表解：查附表 当当t t为为18 18 ，s s 0.0154 Kg/m0.0154 Kg/m3,3,当当t t为为 30 30，s s 0.03037 Kg/m0.03037 Kg/m3,3,甲地：甲地：V V S S0.7 0.7 70%70%乙地：乙地：V V S S0.510.5151%51%乙地的绝对湿度大于甲地，但甲地的相对湿度大于乙地，故乙地的绝对湿度大于甲地，但甲地的相对湿度大于乙地，故乙地的空气吸湿能力强乙地的空气吸湿能力强。露点露点：将不饱和空气冷却时，随着温度逐渐下降，相对湿度：将不饱和空气冷却时，随着温度逐渐下降，相对湿度逐渐
10、增大，当达到逐渐增大，当达到100100时，此时的温度称为露点。时，此时的温度称为露点。四、四、黏性黏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，便产生粘性阻力流体层的接触面上，便产生粘性阻力(内摩擦力内摩擦力)以阻止相对运动，流以阻止相对运动，流体具有的这一性质，称作流体的体具有的这一性质，称作流体的黏性黏性。其大小主要取决于温度。其大小主要取决于温度。根据牛顿内摩擦定律有：根据牛顿内摩擦定律有：式中：式中：比例系数，代表空气粘性，称为比例系数，代表空气粘性，称为动力黏性动力黏性或或绝对黏度绝
11、对黏度。其国际单位：帕其国际单位：帕.秒，写作：秒，写作：Pa.SPa.S。运动运动黏性黏性系数为：系数为：温度是影响流体粘性主要因素，气体，随温度升高而增大，液体而降低温度是影响流体粘性主要因素，气体，随温度升高而增大，液体而降低 Vy五、密度五、密度 密度：单位体积的空气所具有的质量。密度：单位体积的空气所具有的质量。=M/V (/m3),M质量，质量，V体积；体积；干空气密度：干空气密度：=1.293T0p/p0T (/m3)，或代入具体条件后：或代入具体条件后：=3.48p/T (/m3)；不同湿度条件下空气的密度：不同湿度条件下空气的密度：=3.48(p/T)(1-0.378pb/p
12、)(/m3)p空气压力（空气压力（KPa），），T空气绝对温度（空气绝对温度（K），），空气相对湿度（），空气相对湿度（），pb饱和水蒸气压力饱和水蒸气压力(KPa)。经验公式经验公式:=3.45p/T (/m3),(湿度对密度影响湿度对密度影响小小)第二节第二节 空气的压力空气的压力一、空气的压力一、空气的压力 单单位位体体积积空空气气包包围围着着地地球球的的大大气气，受受地地心心吸吸引引力力的的作作用用，对对其其底底部部单单位位面面积积上上所所具具有有的的重重力力称称为为大大气气压压力力，也也称称为为气压。所以大气压力是一个压强的概念。气压。所以大气压力是一个压强的概念。1.1.空气静压空
13、气静压（1 1）静压的概念）静压的概念 空气的静压是气体分子间的压力或气体分子对容器壁所施空气的静压是气体分子间的压力或气体分子对容器壁所施加的压力。加的压力。井下空间某一点空气静压的大小与该点在大气井下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中所处的位置和受扇风机所造成的人工压力有关。空气静。空气静压根据量度时所选择的基准不同，可分为压根据量度时所选择的基准不同，可分为绝对静压绝对静压和和相对相对静压静压。（）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；无论静止的空气还是流动的空气都具有静压；b.b.由由于于空空气气分分子子向向
14、器器壁壁撞撞击击的的机机率率是是相相同同的的，所所以以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.风风流流静静压压的的大大小小（可可以以用用仪仪表表测测量量）反反映映了了单单位位体体积积风风流流所所具具有有的的能能够够对对外外作作功功的的静静压压能能的的多多少少。比比如如 说说 风风 流流 的的 压压 力力 为为 101332Pa101332Pa，则则 指指 1m1m3 3风风 流流 具具 有有101332J101332J的静压能。的静压能。（）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）根根据据压压力力的的测测算算基基准准
15、不不同同，压压力力可可分分为为：绝绝对对压压力力和和相相对对压力压力。A A、绝绝对对压压力力：以以真真空空为为测测算算零零点点（比比较较基基准准）而而测测得得的的压力称之为绝对压力，用压力称之为绝对压力，用 P Ps s 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以当时当地同标高的大气压力(P Pa a)为测算基准为测算基准(零点零点)测得的压力称之为相对压力，即通常所说的表压力，用测得的压力称之为相对压力，即通常所说的表压力，用 H HS S 表示。表示。某点的相对静压大于大气压，则称为某点的相对静压大于大气压，则称为正压正压，反之为，反之为负压负压。风流的绝对压力
16、（风流的绝对压力（P Ps s ）、相对压力（）、相对压力（H HS S ）和与其对应的大气压（）和与其对应的大气压（P Pa a ）三者之间的关系如下式所示：）三者之间的关系如下式所示：H HS S=P Ps s P Pa a 绝对压力、相对压力和大气压力的关系绝对压力、相对压力和大气压力的关系abPs(a)真空真空PaPs(b)Hs(a)(+)Hs(b)(-)Pa2.2.空气动压空气动压（1)1)动压的概念动压的概念 当当空空气气流流动动时时，具具有有一一定定的的动动能能，因因此此，风风流流中中任任一一点点除除有有静静压压Hs外外，还还有有动压动压Hv。动压因空气运动而产生，恒为正值且具有
17、方向。动压因空气运动而产生，恒为正值且具有方向。单位单位PaPa。（2)2)动压的计算动压的计算 单位体积空气所具有的动能为：单位体积空气所具有的动能为：E Evi vi i iV V2 20.50.5 式中：式中：i i I I点的空气密度，点的空气密度，Kg/mKg/m3 3；v vI I点的空气流速，点的空气流速，m/sm/s。E Evivi对外所呈现的动压对外所呈现的动压h hvivi，其值相同。，其值相同。（3)3)动压的特点动压的特点 a.a.只有作定向流动的空气才具有动压。只有作定向流动的空气才具有动压。b.b.动动压压具具有有方方向向性性。垂垂直直流流动动方方向向的的作作用用面
18、面所所承承受受的的动动压压最最大大（即即流流动动方方向向上上的的动动压压真真值值）；当当作作用用面面与与流流动动方方向向有有夹夹角角时时，其其感感受受到到的的动动压压值值将将小小于于动动压真值。压真值。c.c.在在同同一一流流动动断断面面上上，由由于于风风速速分分布布的的不不均均匀匀性性，各各点点的的风风速速不不相相等等，所所以以其其动压值不等。动压值不等。d.d.动压无绝对压力与相对压力之分，总是大于零。动压无绝对压力与相对压力之分，总是大于零。3.3.全压全压 某点风流的某点风流的全压全压,即该点的即该点的静压静压和和动压的叠加动压的叠加。当静压用绝对静压当静压用绝对静压Ps表示时，则表示
19、时，则Ps与动压与动压Hv叠加叠加后的压力称为后的压力称为绝对全压绝对全压,Pt，即，即Pt=Ps+Hv。若静压用相对压力若静压用相对压力Hs表示时，则表示时，则Hs与动压与动压Hv叠叠加所得的压力称为相对全压加所得的压力称为相对全压Ht。相对全压等于相相对全压等于相对静压与动压的代数和：对静压与动压的代数和：Ht=Hs+Hv 由于前面提到由于前面提到Hs可正可负，故可正可负，故Ht也可正可负，则也可正可负，则我们说我们说相对全压为相对静压和动压的代数和相对全压为相对静压和动压的代数和。压入式与抽出式通风的全压表达式是不同的。压入式与抽出式通风的全压表达式是不同的。压入式及抽出式通风压入式及抽
20、出式通风 压入式压入式，扇风机安装在入风井，压入新风，井下巷道，扇风机安装在入风井，压入新风，井下巷道内的风流都处于正压状态（即高于大气压）。内的风流都处于正压状态（即高于大气压）。在压入通风风流中在压入通风风流中,相对全压相对全压Ht为：为：Ht=Hs+Hv，Ht Hs,Ht 均为正值均为正值，Hs可正可负；可正可负；抽出式抽出式，扇风机安装在回风井，抽出污风，井下巷道，扇风机安装在回风井，抽出污风，井下巷道内的风流均处于负压状态（低于大气压）。内的风流均处于负压状态（低于大气压）。在抽出式通风中，在抽出式通风中，Ht、Hs为负值，相对全压为负值，相对全压Ht为：为：Ht(负值负值)=Hs(
21、负值负值)+Hv 在实际应用中习惯取绝对值，则在实际应用中习惯取绝对值，则|Ht|=|Hs|-Hv风流点压力测定示意图风流点压力测定示意图 H Ht t H Hv v+H Hs sH Ht tH Hv v HHs s+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抽出式通风抽出式通风H Hs s=p=ps s-p-pa a,H,Ht t=p=pt t-p-pa a,H,Hv v=p=pt t-p-ps s H Hs s=p=pa a-p-ps s,H,Ht t=p=pa a-p-pt t,H,Hv v=p=pt t-p-ps s 风流点压力间的关系风流点压力间的关系abPa真空
22、真空P0Pbha(+)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 第三节第三节 主要参量测定方法及其仪器设备主要参量测定方法及其仪器设备1.矿内空气压力的测定矿内空气压力的测定A绝对静压的测定通常使用水银气压计和空盒气压计测定矿内外空气绝对静压。（1）水银气压计。如图所示，它主要由一个水银盛槽与一根玻璃管构成。如图所示，它主要由一个水银盛槽与一根玻璃管构成。玻璃管上端封闭，下端插入水银盛槽中，管内上端形玻璃管上端封闭，下端插入水银盛槽中，管内上端形成绝对真空，下部充满水银。当盛器里的水银表面受成绝对
23、真空，下部充满水银。当盛器里的水银表面受到空气压力时，管内水银柱高度随着空气压力而变化。到空气压力时，管内水银柱高度随着空气压力而变化。此管中水银面与盛器里的水银面的高差就是所测空气此管中水银面与盛器里的水银面的高差就是所测空气的绝对静压。该仪器测定数值比较准但携带不方便，的绝对静压。该仪器测定数值比较准但携带不方便，主要固定在室内使用。一般置于机房或硐室壁上以测主要固定在室内使用。一般置于机房或硐室壁上以测量大气压力或用以校对其它压力计。量大气压力或用以校对其它压力计。水银气压计1水银柱表面；2指针；3玻璃管；4螺钉；5水银池；6游标旋钮(2)空盒气压计如图所示，它由一个皱纹状金属空盒与联接
24、在盒上带指针的传动机构所构成。其测压原理是，由于盒内抽成真空（实其测压原理是，由于盒内抽成真空（实际上还有少许余压），当大气压力作用际上还有少许余压），当大气压力作用于盒面上时，盒面被压缩，并带动传动于盒面上时，盒面被压缩，并带动传动杠杆使指针转动，根据指针转动的幅度杠杆使指针转动，根据指针转动的幅度即可获得大气压力数值。即可获得大气压力数值。空盒气压计是一种便携式仪表，空盒气压计是一种便携式仪表，一般在矿井内、外非固定地点测一般在矿井内、外非固定地点测量大气压力。测量时将盒面水平量大气压力。测量时将盒面水平放置在被测地点，停留放置在被测地点，停留10-20min待指针稳定后再读数。读数时视待
25、指针稳定后再读数。读数时视线应垂直于盒面。线应垂直于盒面。B相对压力的测量通常用U形压差计、单管倾斜压差计或补偿式微压计与皮托管配合测量风流的静压、动压和全压。（1）U形压差计。亦称U形水柱计，有垂直和倾斜两种类型;它们都是由一内径相同、装有蒸馏水或酒精的U形玻璃管1与刻度尺2所构成。（2）单管倾斜压差计它由一个较大断面的容器A与一个小断面的倾斜管B相互连通而构成，A与B断面积的比例一般为250300，其中充有适量的酒精。为便于读数，酒精中注入微量的硫酸和甲基橙使之染色。主要组成部分单管倾斜压差计的主要部分有盛液容器A、倾斜管B、控制阀门、使容器内液面至零位的调节锤、带密闭盖的酒精注入口以及一
26、个确定倾斜管角度或K值的弧形架。它的测压原理基本上同于U形压差计。（3）补偿式微压计它由盛水容器A和B以胶管连通而成（图所示）。容器B固定不动，B中装有水准头。容器A可以上下移动。测压原理测压原理这种仪器的测压原理是，较大的压力这种仪器的测压原理是，较大的压力P 连接到连接到“+”接头与接头与B相通，小压力相通，小压力P 连到连到“-”接头与接头与A相通，相通，B中水面下降，水准头露出，同时中水面下降，水准头露出，同时A内内液面上升。测定时，旋转螺杆以提高容器液面上升。测定时，旋转螺杆以提高容器A，则则B中水面上升，直至中水面上升，直至B中水面回到水准头所在中水面回到水准头所在水平为止。即通过
27、提高容器水平为止。即通过提高容器A的位置，用水柱的位置，用水柱高度来衡量（补偿）压力差造成的高度来衡量（补偿）压力差造成的B中水面下中水面下降，使它恢复到原来的位置。此时降，使它恢复到原来的位置。此时A所上提的所上提的高度恰是压力差高度恰是压力差P P 造成的水柱高度造成的水柱高度H。(4)皮托管测量压差时，常用到皮托管，它与压差计相配合使用，测量压差时，常用到皮托管，它与压差计相配合使用，主要作用是接收和传递风流压力。主要作用是接收和传递风流压力。如图所示，它由两根金属小圆管如图所示，它由两根金属小圆管1和和2构成，内管构成，内管1和外和外管管2同心套结成一整体，但互不相通。内管前端开一小同
28、心套结成一整体，但互不相通。内管前端开一小孔孔4与标有与标有“+”的脚管相通，前孔的脚管相通，前孔4正对风流，内管就正对风流，内管就能接受测点的全压。外管前端不通，在前端不远处的能接受测点的全压。外管前端不通，在前端不远处的管壁上开有管壁上开有4-6个小孔个小孔3，侧孔，侧孔3与标有与标有“一一”的脚管相的脚管相通。当前孔通。当前孔4正对风流时，外管上的侧孔正对风流时，外管上的侧孔3垂直于风流垂直于风流不受动压作用，只能接受静压，实现将压力传递到测不受动压作用，只能接受静压，实现将压力传递到测压设备，从而配合测压计实现压力测定。压设备，从而配合测压计实现压力测定。2.空气湿度的测定测算空气湿度
29、时，先用仪表测出相测算空气湿度时，先用仪表测出相对湿度，再算出绝对湿度。构造简对湿度，再算出绝对湿度。构造简单的常用仪表是手摇湿度计单的常用仪表是手摇湿度计(见图见图2-8)和风扇湿度计和风扇湿度计(见图见图2-9)，二者都，二者都是由干球温度计和湿球温度计是由干球温度计和湿球温度计(水银水银球包着几层湿纱布球包着几层湿纱布)组成，前者要用组成，前者要用手摇，后者用自带的发条转动小风手摇，后者用自带的发条转动小风扇。扇。测量方法用前者测量时，手握住手把，以大约用前者测量时，手握住手把，以大约120 r/min的转数均匀旋转仪表的转数均匀旋转仪表1-2 min，然后，然后从两支温度计上分别读出空
30、气的干温度从两支温度计上分别读出空气的干温度(又名干球温度又名干球温度)td和湿温度和湿温度(又名湿球温又名湿球温度度)tw（）td和和tw之差越大，表示空气之差越大，表示空气越干燥或其相对湿度越小。根据实测的越干燥或其相对湿度越小。根据实测的td和和tw两个数值在表两个数值在表2-4中查出空气的相对中查出空气的相对湿度湿度 值，根据值，根据td在表在表2-5中查出中查出fs值。值。3.风速测定矿井一般用风表测定风速，常用的风表有杯式(见图2-10)和翼式(见图2-11)两种。杯式风表常用在测定巷道风速大于10m/s的较高风速的测定，翼式风表测定0.510m/s的中等风速，具有高灵敏度的翼式风
31、表可以测定0.10.5m/s低风速。结构杯式风表和翼式风表内部结构相似，是由一套特殊的钟表传动机构、指针和叶轮组成。杯式的叶轮是四个杯状铝勺，翼式的则为八张铝片。此外，风表上有一个启动和停止指针转动的小杆，打开时指针随叶轮转动，关闭时叶轮虽转动但指针不动。测量线路用风表测定巷道断面的平均风速时，测风员应该使风表正对风流，在所测巷道的全断面上按一定的线路均匀移动风表。通常采用的线路如图2-13所示的几种。比较几种风速测定风表移动路线，图(a)线路比图(b)、图(c)线路操作复杂，但准确度较高，一般对断面较大的巷道测风速时用图(b)线路，较小的巷道断面用图(c)线路。图2-13用风表测定巷道断面平
32、均风速的线路测风方法根据测风员与风流方向的相对位置，分迎面和侧面两种测风方法。（1）迎面法）迎面法：测风员面向风流站立，手持风表，手臂向正前方伸直，然后照一定的线路使风表做均匀移动。由于人体位于风表的正后方，人体的正面阻力将降低流经风表的风速，因此，用该法测得的风速vs需经校正后才是真实风速v。v=1.14vs（2）侧面法：）侧面法：测风员背向巷道壁站立，手持风表，将手臂向风流垂直方向伸直，再按一定线路做均匀移动。使用此法时人体与风表在同一断面上，使风流流经巷道的断面面积减少，造成流经风表的风速增加。如果测得风速为vs，那么，实际风速则为：式中S所测巷道断面面积，；0.4人体所占据巷道断面的面
33、积，。第四节：第四节：矿井空气流动过程中的热力矿井空气流动过程中的热力变化变化1.气体状态方程气体状态方程2.空气流动状态分析空气流动状态分析3.矿内空气状态变化矿内空气状态变化1.气体状态方程气体状态方程气体状态是指某一给定瞬间气体物理性质的综合，其中最重要的参数是压力、温度和比容，这三个状态参数之间的关系可用下式表示:即是单位质量理想气体的状态方程。2.空气流动状态分析空气流动状态分析地表空气进入井下，沿途流经井巷，气体地表空气进入井下，沿途流经井巷，气体由一种状态（由一种状态（p1、v1、T1）变化到另一种）变化到另一种状态状态(p2、v2、T2)，由于克服风流的阻力，由于克服风流的阻力
34、，并与井巷壁面发生热交换，从而发生能量并与井巷壁面发生热交换，从而发生能量的变化。空气流动状态变化过程通常有等的变化。空气流动状态变化过程通常有等容过程容过程.、等压过程、等温过程、绝热过程、等压过程、等温过程、绝热过程、多变过程。多变过程。如图如图2-14所示，当气体状态参所示，当气体状态参数都改变时，所发生的吸热或放热状态变数都改变时，所发生的吸热或放热状态变化过程称为多变过程。化过程称为多变过程。pvn=常数，式中，n为多变指数，可以是任何实数，不同的n值决定不同的状态变化规律，描述不同的变化过程。当n=0时，P=常数，表示等压过程;当n=1时，p=常数，表示等温过程;当n=k时，pk=
35、常数，表示绝热过程;当n=时，v=常数，表示等容过程。3.矿内空气状态变化矿内空气状态变化矿井通风系统中，进风井空气受压缩，回风井空气膨胀，井巷中的空气从巷道壁吸热，整个矿井通风网路中的空气状态变化属于多变过程。不同的井巷段其n值不同。由于井巷空气所在标高的改变、摩擦阻力、空气与岩壁和滴水等之间热交换作用以及其他种种因素综合影响，使进风井进风井的空气状态变化为放热过程，回风井回风井中的空气状态变化过程为吸热过程，此种情况下它们的n值介于1-1.14之间。当回风井回风井空气放热或进风井进风井空气吸热时，那么n1.14。如果进风井进风井淋水严重，空气与淋水和岩壁间的热交换使空气较多地放热时，则n1
36、的情况出现。n值的确定某段巷道中的空气状态变化的n值，可根据始末状态参数的测定资料进行计算而获得，根据气体方程公式可导出：式中R气体常数，干燥空气时取29.27，水蒸气时取47.06,m/K;T1、T2初始温度和终止温度，K;Z1、Z2初标高和终标高，m。2.3 2.3 矿内风流的流动（运动）状态矿内风流的流动（运动）状态2.3.1 流体流态的种类流体流态的种类2.3.2 矿内流体流态的判断矿内流体流态的判断2.3.1 2.3.1 流体流态的种类流体流态的种类 严格地讲，风流的流态有三种：严格地讲，风流的流态有三种：层流层流、紊流紊流和和过渡流过渡流。风速极小时风速极小时，风流中出现分层现象，
37、层与层间互不，风流中出现分层现象，层与层间互不干扰。如在风流中施放烟雾，可以看到烟雾在断面上干扰。如在风流中施放烟雾，可以看到烟雾在断面上各点沿着一定的轨迹前进，这种流态叫做各点沿着一定的轨迹前进，这种流态叫做层流层流。风速较大时风速较大时，风流在前进途中发生强烈的横向脉动，风流在前进途中发生强烈的横向脉动，如施放烟雾，将很快弥漫全断面，看不清烟雾的运动如施放烟雾，将很快弥漫全断面，看不清烟雾的运动轨迹，这种流态称为轨迹，这种流态称为紊流紊流。在层流和紊流之间的流态称为在层流和紊流之间的流态称为过渡流态过渡流态或中间流态，或中间流态，人们通常都将过渡流也划归为紊流范围，是还没有达人们通常都将过
38、渡流也划归为紊流范围，是还没有达到完全稳定的紊流状态。到完全稳定的紊流状态。2.3.2 2.3.2 流体流态的判断（流体流态的判断（1 1）2.3.2 2.3.2 流体流态的判断（流体流态的判断（2 2）2.3.2 2.3.2 流体流态的判断（流体流态的判断（3 3）2.4 2.4 矿内风流的流动型式矿内风流的流动型式1 固定边界流固定边界流（巷道型风流）（巷道型风流）:这是一种有固定边界的这是一种有固定边界的风流，如风流在井筒巷道中流动。风流，如风流在井筒巷道中流动。特点特点：风流受固定边界的限制而沿风道方向流动。：风流受固定边界的限制而沿风道方向流动。2 自由风流或射流自由风流或射流（硐室
39、型风流）（硐室型风流）:这是一种没有固这是一种没有固定边界的风流，如风流由风管流入巷道，或风流从巷定边界的风流，如风流由风管流入巷道，或风流从巷道流入大断面的硐室。道流入大断面的硐室。特点特点：风流的边界不是风道壁，而是空气。：风流的边界不是风道壁，而是空气。自由风流的横断面随流动方向逐渐扩散，形成圆锥形。自由风流的横断面随流动方向逐渐扩散，形成圆锥形。根据圆锥形风速在前进过程中是否能充分发展，又可根据圆锥形风速在前进过程中是否能充分发展，又可分为分为不完全自由风流和完全自由风流不完全自由风流和完全自由风流。2.4 2.4 矿内风流的流动型式矿内风流的流动型式 不完全自由风流不完全自由风流 完
40、全自由风流完全自由风流2.4 2.4 矿内风流的流动型式矿内风流的流动型式1 巷道型风流与巷道型风流与紊流变形紊流变形 根据巷道型风流的运动规律，风流（污风）沿巷道根据巷道型风流的运动规律，风流（污风）沿巷道按巷道内风速分布曲线运动。按巷道内风速分布曲线运动。2 硐室型风流与紊流扩散硐室型风流与紊流扩散 管内空气注入无限空间时，将出现自由风流。具有管内空气注入无限空间时，将出现自由风流。具有贯穿风流的硐室中排烟排尘如贯穿风流的硐室中排烟排尘如图示图示。在紊流扩散作用。在紊流扩散作用下，新鲜空气与炮烟在边界层相互掺杂。若出口处下，新鲜空气与炮烟在边界层相互掺杂。若出口处d-d的烟尘平均浓度为的烟尘平均浓度为C，峒室里的炮烟平均浓度为，峒室里的炮烟平均浓度为C，则，则定义定义 K C/C 为紊流扩散系数。由此可知，紊流扩散系数为紊流扩散系数。由此可知，紊流扩散系数K越大，排越大，排烟越快；反之，越慢。烟越快；反之，越慢。紊紊 流流 变变 形形排烟的实质是以纵向运移为主、横向扩散为辅的过程，排烟的实质是以纵向运移为主、横向扩散为辅的过程，把炮烟吹出去。把炮烟吹出去。随着通风时间增加，炮烟区将逐渐变随着通风时间增加，炮烟区将逐渐变形，形成逐渐伸展的形，形成逐渐伸展的风流波风流波。具有贯穿风流硐室中的排烟排尘具有贯穿风流硐室中的排烟排尘 a aQCCddbbL