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1、第三章井巷通风阻力第1页，共106页，编辑于2022年，星期二本章主要内容第一节第一节 井巷断面上风速分布井巷断面上风速分布 一、风流流动状态一、风流流动状态 二、井巷断面上风速分布二、井巷断面上风速分布第二节第二节 摩擦阻力摩擦阻力一、摩擦阻力一、摩擦阻力二、摩擦阻力系数与摩擦风阻二、摩擦阻力系数与摩擦风阻三、井巷摩擦阻力计算方法三、井巷摩擦阻力计算方法第三节第三节 局部阻力局部阻力一、局部阻力及其计算一、局部阻力及其计算二、局部阻力系数和局部风阻二、局部阻力系数和局部风阻第2页，共106页，编辑于2022年，星期二本章主要内容第四节第四节 矿井总风阻与等级孔矿井总风阻与等级孔一、井巷阻力特
2、性一、井巷阻力特性二、矿井总风阻二、矿井总风阻三、矿井等级孔三、矿井等级孔第五节第五节 井巷通风阻力测算井巷通风阻力测算一、通风阻力一、通风阻力hRhR测算测算二、局部阻力测算二、局部阻力测算三、井筒阻力测算三、井筒阻力测算四、测算结果分析四、测算结果分析第六节第六节 降低矿井通风阻力措施降低矿井通风阻力措施 一、降低井巷摩擦阻力的措施一、降低井巷摩擦阻力的措施 二、降低局部阻力措施二、降低局部阻力措施第3页，共106页，编辑于2022年，星期二本章主要内容本章重点和难点：本章重点和难点：摩擦阻力和局部阻力产生的原因和测算摩擦阻力和局部阻力产生的原因和测算第4页，共106页，编辑于2022年，
3、星期二第三章 井巷通风阻力 当空气沿井巷运动时，由于风流的当空气沿井巷运动时，由于风流的粘滞性粘滞性和和惯性惯性以及以及井巷壁面井巷壁面等对风流的阻滞、扰动作用等对风流的阻滞、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：因。井巷通风阻力可分为两类：摩擦阻力摩擦阻力(也称为也称为沿程阻力沿程阻力)和和局部阻力局部阻力。第一节第一节 井巷断面上风速分布井巷断面上风速分布第5页，共106页，编辑于2022年，星期二第一节 井巷断面上风速分布 一、风流流态一、风流流态1 1、管道流、管道流层层流流：同同一一流流体体在在同同一一管管
4、道道中中流流动动时时，不不同同的的流流速速，会会形形成成不不同同的的流流动动状状态态。当当流流速速较较低低时时，流流体体质质点点互互不不混混杂杂，质质点点运运动动轨轨迹迹为为直直线线或或有有规规则则的的平平滑滑曲曲线线且且与与管管道道轴轴线线基基本本平平行行，称为称为层流层流(或滞流或滞流)。第6页，共106页，编辑于2022年，星期二第一节 井巷断面上风速分布 紊流：紊流：当流速较大时，流体质点强烈互相混合，质点运动当流速较大时，流体质点强烈互相混合，质点运动轨迹不规则，有总方向上位移，也有垂直总方向的位移，轨迹不规则，有总方向上位移，也有垂直总方向的位移，且流体内部存在时而产生，时而消失的
5、漩涡流动，称为且流体内部存在时而产生，时而消失的漩涡流动，称为紊流紊流(或湍流或湍流)。研究层流与紊流的主要意义：研究层流与紊流的主要意义：在于两种流态有着不同的阻力定律。在于两种流态有着不同的阻力定律。第7页，共106页，编辑于2022年，星期二第一节 井巷断面上风速分布 风流流态判断风流流态判断（）雷诺数（）雷诺数Re Re 平均流速平均流速v v、管道直径、管道直径d d和流体的运动粘性和流体的运动粘性v v系数。系数。在在实实际际工工程程计计算算中中，通通常常以以R Re e=2300=2300作作为为管管道道流流动动流流态态的的判定准数，即：判定准数，即：R Re e2300 230
6、0 层流，层流，R Re e2300 2300 紊流紊流第8页，共106页，编辑于2022年，星期二第一节 井巷断面上风速分布 （）当量直径（）当量直径 对于非圆形断面的井巷，对于非圆形断面的井巷，ReRe数中的管道直径数中的管道直径d d应以井巷断面的应以井巷断面的当量直径当量直径dede来表示：来表示：非圆形断面井巷的雷诺数非圆形断面井巷的雷诺数 对于不同形状的井巷断面，其周长对于不同形状的井巷断面，其周长U U与断面积与断面积S S的关系，可用下式的关系，可用下式表示：表示：C C断面形状系数：断面形状系数：梯形梯形C C=4.16=4.16；三心拱；三心拱C C=3.85=3.85；半
7、圆拱；半圆拱C C=3.90=3.90。第9页，共106页，编辑于2022年，星期二第一节 井巷断面上风速分布 （3）、孔隙介质流 在采空区和煤层等多孔介质中风流的流态判别准数为：式中：K冒落带渗流系数，m2；l滤流带粗糙度系数，m。层流，Re0.25；紊流，Re2.5；过渡流 0.25Re2300,4.163)=846152300,紊流紊流 巷道条件同上，巷道条件同上，Re=2300Re=2300层流临界风速：层流临界风速：V=ReU/4S V=ReU/4S =23004.1631510 =23004.1631510-6-6/(49)=0.012m/s0.15/(49)=0.012m/s0.
8、15第10页，共106页，编辑于2022年，星期二第一节 井巷断面上风速分布 由于煤矿中大部分巷道的断面均大于由于煤矿中大部分巷道的断面均大于2.5m2.5m2 2，井下巷，井下巷道中的最低风速均在道中的最低风速均在0.25m/S0.25m/S以上，所以说井巷中的风流以上，所以说井巷中的风流大部为大部为紊流紊流，很少为，很少为层流。层流。第11页，共106页，编辑于2022年，星期二第一节 井巷断面上风速分布 二、井巷断面上风速分布二、井巷断面上风速分布（）紊流脉动（）紊流脉动 风流中各点的流速、压力等物理参数随时间作不规则风流中各点的流速、压力等物理参数随时间作不规则（）时均速度（）时均速度
9、:即瞬时风速的平均值（巷道断面某点风速）即瞬时风速的平均值（巷道断面某点风速）瞬时速度瞬时速度 v vx x 随时间随时间的变化。其值虽然不断变化，但在一足够长的变化。其值虽然不断变化，但在一足够长的时间段的时间段 T T 内，流速内，流速 v vx x 总是围绕着某一平均值上下波动。总是围绕着某一平均值上下波动。Tvxvxt第12页，共106页，编辑于2022年，星期二第一节 井巷断面上风速分布 (）巷道风速分布）巷道风速分布 由于空气的粘性和井巷壁面摩擦影响，井巷断面上风速分布是由于空气的粘性和井巷壁面摩擦影响，井巷断面上风速分布是不均匀的。不均匀的。层流边层层流边层：在贴近壁面处仍存在层
10、流运动薄层，：在贴近壁面处仍存在层流运动薄层，即层流边层即层流边层。其厚度其厚度随随ReRe增加而变薄，它的存在对流动阻力、传热和传质过程有增加而变薄，它的存在对流动阻力、传热和传质过程有较大影响。较大影响。第13页，共106页，编辑于2022年，星期二第一节 井巷断面上风速分布 在层流边层以外，从巷壁向巷道轴心方向，风速逐渐增大，呈抛物线在层流边层以外，从巷壁向巷道轴心方向，风速逐渐增大，呈抛物线分布。分布。vvmaxvmax巷道剖面第14页，共106页，编辑于2022年，星期二 第一节 井巷断面上风速分布平均风速：平均风速：式中：式中：巷道通过风量巷道通过风量Q Q。则：则：Q QVSVS
11、风速分布系数风速分布系数：断面上平均风速断面上平均风速v v与最大风速与最大风速v vmaxmax的比值称为的比值称为风风速分布系数速分布系数(速度场系数速度场系数)，用，用K Kv v表示：表示：巷壁愈光滑，巷壁愈光滑，K Kv v值愈大，即断面上风速分布愈均值愈大，即断面上风速分布愈均匀。匀。砌碹巷道，砌碹巷道，K Kv v=0.8=0.80.860.86；木棚支护巷道，；木棚支护巷道，K Kv v=0.68=0.680.820.82；无支护巷道，；无支护巷道，K Kv v=0.74=0.740.810.81。速度分布不对称速度分布不对称最大风速不在轴线最大风速不在轴线上！上！第15页，共
12、106页，编辑于2022年，星期二第四节第四节 井巷中风速与风量的测定井巷中风速与风量的测定 风速既是影响气候条件的主要因素之风速既是影响气候条件的主要因素之一，又是测定井下巷道风量的基础。单位一，又是测定井下巷道风量的基础。单位时间内通过井巷断面的空气体积叫做风量，时间内通过井巷断面的空气体积叫做风量，它等于井巷的断面积与通过井巷的平均风它等于井巷的断面积与通过井巷的平均风速的乘积。因此，测量风量时必然测定风速的乘积。因此，测量风量时必然测定风速。速。风速和风量测定是矿井通风测定技术中风速和风量测定是矿井通风测定技术中的重要组成部分，也是矿井通风管理中的的重要组成部分，也是矿井通风管理中的基
13、础性工作。基础性工作。第16页，共106页，编辑于2022年，星期二 规程规定：矿井必须建立测风制度，每10天进行一次全面测风。对采掘工作面和其它用风地点，应根据实际需要随时测风，每次测风结果应记录并写在测风地点的记录牌上。矿井应根据测风结果采取措施，进行风量调节。需要注意的是，由于受到井巷断面形状、支护形式、直线程度及障碍物的影响，最大风速不一定正好位于井巷的中轴线上，风速分布也不一定具有对称性。巷道断面风速分布图第17页，共106页，编辑于2022年，星期二 一、测风仪表一、测风仪表 测量井巷风速的仪表叫风表，又称风速计。目前，煤矿中常用的风表按结构和原理不同可分为机械式、热效式、电子叶轮
14、式和超声波式等几种；风表按测量风速的范围不同分为高速风表（0.825m/s）、中速风表（0.510m/s）和微（低）速风表（0.35m/s）三种。三种风表的结构大致相同，只是叶片的厚度不同，起动风速有差异。第18页，共106页，编辑于2022年，星期二第19页，共106页，编辑于2022年，星期二二、测风方法及步骤二、测风方法及步骤（一）测风地点 井下测风要在测风站内进行，为了准确、全面的测定风速、风量，每个矿井都必须建立完善的测风制度和分布合理的固定测风站。对测风站的要求如下：1应在矿井的总进风、总回风，各水平、各翼的总进风、总回风，各采区和各用风地点的进、回风巷中设置测风站，但要避免重复设
15、置。2测风站应设在平直的巷道中，其前后各10m范围内不得有风流分叉、断面变化、障碍物和拐弯等局部阻力。第20页，共106页，编辑于2022年，星期二 3采煤工作面不设固定的测风站，但必须随工作面的推进选择支护完好、前后无局部阻力物的断面上测风。4若测风站位于巷道断面不规整处，其四壁应用其它材料衬壁呈固定形状断面，长度不得小于4m。5测风站内应悬挂测风记录板（牌），记录板上写明测风站的断面积、平均风速、风量、空气温度、大气压力、瓦斯和二氧化碳体积分数（含量）、测定日期以及测定人等项目。第21页，共106页，编辑于2022年，星期二（二）井巷断面上的风速分布及测定方法1风速分布空气在井巷中流动时，
16、由于空气的粘性和井巷壁面粗糙程度的影响，风速在巷道断面上的分布是不均匀的。一般来说，位于巷道轴心部分的风速最大，靠近巷道周壁部分的风速最小，如图1-7所示，通常所谓巷道内的风速都是指平均风速v均。第22页，共106页，编辑于2022年，星期二 平均风速v均与最大风速v大的比值叫做巷道的风速分布系数（速度场系数），用K速表示，其值与井巷粗糙程度有关，巷道周壁越光滑，K速就越大，即断面上的风速分布越均匀。据调查，对于砌碹巷道，K速=0.80.86；木棚支护巷道，K速=0.680.82；无支护巷道，K速=0.740.81。第23页，共106页，编辑于2022年，星期二2测风方法 由井巷断面上的风速分
17、布可知，巷道断面上的各点风速是不同的，为了测得平均风速，可采用线路法或定点法。线路法是风表按一定的线路均匀移动；定点法是将巷道断面分为若干格，风表在每一个格内停留相等的时间进行测定，如图1-9所示，根据断面大小，常用的有9点法、12点法等。第24页，共106页，编辑于2022年，星期二 测风时，根据测风员的站立姿势不同又分为迎面法和侧身法两种。迎面法是测风员面向风流，手持风表，将手臂伸向正前方测风。由于测风断面位于人体前方，且人体阻挡了风流，使风表的读数值偏小，为了消除人体对风速的影响，需将测得的真风速乘以1.14的校正系数，才能得到实际风速。侧身法是测风员背向巷道壁站立，手持风表，将手臂向风
18、流垂直方向伸直，然后在巷道断面内作均匀移动。由于测风员立于测风断面内减少了通风面积，从而增大了风速，测量结果较实际风速偏大，故需对测得的真风速进行校正。校正系数K由下式计算：第25页，共106页，编辑于2022年，星期二（三）用机械式风表测风步骤 1测风员进入测风站或待测巷道中，根据实际情况估测风速范围，然后选用相应量程的风表。2测风员在测风前，先将风表指针和秒表回零，然后使风表叶轮平面面向风流，并与风流方向垂直，待叶轮转动正常后（约2030s），同时打开风表的计数器开关和秒表，在1min的时间内，风表要均匀地走完测量路线（或测量点），然后同时关闭秒表和计数器开关，读取风表指针读数。为保证测定
19、准确，一般在同一地点要测三次，取平均值，并按下式计算表速：第26页，共106页，编辑于2022年，星期二 式中 v表风表测得的表速，m/s；n风表刻度盘的读数，取三次平均值，m；t测风时间，一般60s。3根据表速查风表校正曲线，求出真风速v真。风表的校正曲线还可用下面的表达式来表示：v真abv表 式中 v真真风速，m/s；a表明风表启动初速的常数，决定于风表转动部件的惯性和摩擦力；b校正常数，决定于风表的构造尺寸；v表风表的指示风速，m/s。根据表速查风表校正曲线，求出真风速v真。第27页，共106页，编辑于2022年，星期二4根据测风员的站立姿势，将真风速乘以校正系数K得实际平均风速v均，即
20、：v均=Kv真，m/s 5根据测得的平均风速和测风站的断面积，按下式计算巷道通过的风量：Q=v均S 式中 Q测风巷道通过的风量，m3/s；S测风站的断面积，m2，按下列公式测算：矩形和梯形巷道：S=HB 三心拱巷道：S=B（H0.07B）半圆拱巷道：S=B（H0.11B）H巷道静高，m；B梯形巷道为半高处宽度，拱形巷道为净宽，m。第28页，共106页，编辑于2022年，星期二（四）测风时应注意的问题1风表使用一定时间后，必须按规定进行检修、校正，以免造成测量误差。2风表的测量范围要与所测风速相适应，避免风速过高、过低造成风表损坏或测量不准。3风表叶轮平面要与风流方向垂直，偏角不得超过10，在倾
21、斜巷道中测风时尤其要注意。4风表不能距离人体和巷道壁太近，否则会引起较大误差。第29页，共106页，编辑于2022年，星期二5按线路法测风时，路线分布要合理，风表的移动速度要均匀，防止忽快忽慢，造成读数偏差。6秒表和风表的开关要同步，确保在1min内测完全线路（或测点）。7有车辆或行人时，要等其通过后风流稳定时再测。8同一断面需测定三次，三次测得的计数器读数之差不应超过5%，然后取其平均值。第30页，共106页，编辑于2022年，星期二四、微风测量四、微风测量 当风速很小（低于0.10.2m/s）时，很难吹动机械风表的叶轮，即便能使叶轮转动也难测得准确结果，此时可以采用烟雾、气味或者粉末作为风
22、流的传递物进行风速测定。具体方法为：在通风巷道两端各安排一名测风员，位于上风侧的测风员带发烟器（发味器或粉末）和声响（或光信号）发射器具；下风侧测风员带秒表。一人放出烟雾（气味或粉末），同时发出声响或光信号，另一人听到信号后开始记时，接到烟雾（气味或粉末）为止关闭秒表。用下式计算巷道内的平均风速：式中 v巷道断面内的平均风速，m/s；L风流流经的巷道距离，m；t风流流经巷道所用的时间，s。第31页，共106页，编辑于2022年，星期二例题：使用具有回零装置的机械叶片式风表测量某巷道中的风速，用迎风法测得的三次读数分别为210m、214m、206m，每次侧风时间均为1min。若巷道净断面积为5.
23、8m，风表的校正曲线方程为V真=0.8V表+1.2，试求巷道中的平均风速和通过该巷道的风量。解：1、检验3次测量结果的最大误差：最大误差=（最大误差-最小误差）/最小误差100%=（214-206）/206 100%=3.9%5%；3次测量结果的最大误差小于5%，测量精度符合要求，测量数据有效。2、求表速：(210+214+206)/3/60=3.5m/S3、由校正曲线方程求真风速：V真=0.8V表+1.2=0.8 3.5+1.2=4m/S第32页，共106页，编辑于2022年，星期二 4、求巷道中平均风速：V均=KV真=1.14 4=4.56m/S5、求巷道通过风量：Q=SV均=5.8 4.
24、56=26.5m3/S第33页，共106页，编辑于2022年，星期二用皮托管和压差计可测量扇风机风硐或风筒内高速风速的测定，他是通过测量测点的动压，然后按下式换算出测点的风速：皮托管与精度为0.01毫米的水柱压差计配合使用，在测定1.5米、/秒以上风速时，其误差不超过5%，当风速过低或压差计精度不够是误差比表大。圆形风筒的横断面应划分成若干个等面积同心部分，每个等面积里相应的有一个测点圆环，用皮托管和压差计测定时，在互相垂直的两个直径上，可以测得每个测点圆环的四个动压值，以此一系列的动压值即可计算风筒全断面的平均风速。第34页，共106页，编辑于2022年，星期二 测点圆环的数量n，根据被测风
25、筒直径确定，一般直径为300-600毫米时n=3，直径为7001000时n=4。式中：Ri第i个测点圆环半径；R风筒半径；i从风筒中心算起圆环序号；n测点圆环数。风筒全断面的平均风速即可算出，其式为：风筒全断面的平均风速即可算出，其式为：式中：hv各测点动压；m测点总数第35页，共106页，编辑于2022年，星期二 第三章 井巷通风阻力第二节第二节 摩擦风阻与阻力摩擦风阻与阻力第36页，共106页，编辑于2022年，星期二第二节 摩擦风阻与阻力 一、摩擦阻力一、摩擦阻力 风风流流在在井井巷巷中中作作沿沿程程流流动动时时，由由于于流流体体层层间间的的摩摩擦擦和和流流体体与与井井巷巷壁壁面面之之间
26、的摩擦所形成的阻力称为间的摩擦所形成的阻力称为摩擦阻力摩擦阻力(也叫沿程阻力也叫沿程阻力)。由由流流体体力力学学可可知知，无无论论层层流流还还是是紊紊流流，以以风风流流压压能能损损失失来来反反映映的的摩摩擦阻力可用下式来计算：擦阻力可用下式来计算：PaPa 无因次系数，即摩擦阻力系数，通过实验求得。无因次系数，即摩擦阻力系数，通过实验求得。d d 圆形风管直径，非圆形管用当量直径；圆形风管直径，非圆形管用当量直径；第37页，共106页，编辑于2022年，星期二第二节 摩擦风阻与阻力 1 1尼古拉兹实验尼古拉兹实验能量损失原因：能量损失原因：内因内因：取决于：取决于粘滞力粘滞力和和惯性力惯性力的
27、比值，用雷诺数的比值，用雷诺数ReRe来衡量；来衡量；外外因因：是是固固体体壁壁面面对对流流体体流流动动的的阻阻碍碍作作用用，与与管管道道长长度度、断断面面形形状状及及大大小、壁面粗糙度有关。壁面粗糙度的影响通过小、壁面粗糙度有关。壁面粗糙度的影响通过值来反映。值来反映。绝对糙度：绝对糙度：砂粒的直径砂粒的直径就是管壁凸起的高度，就是管壁凸起的高度，相对糙度：相对糙度：绝对糙度绝对糙度与管道半径与管道半径r r的比值的比值/r/r 第38页，共106页，编辑于2022年，星期二第二节 摩擦风阻与阻力 1 1尼古拉兹实验尼古拉兹实验 1932193219331933年年间间，尼尼古古拉拉兹兹把把
28、经经过过筛筛分分、粒粒径径为为的的砂砂粒粒均均匀匀粘粘贴贴于于管管壁。壁。水水作作为为流流动动介介质质、对对相相对对糙糙度度分分别别为为1/151/15、1/30.61/30.6、1/601/60、1/1261/126、1/2561/256、1/5071/507六六种种不不同同的的管管道道进进行行试试验验研研究究。对对实实验验数数据据进进行行分分析析整整理理，在在对对数数坐坐标标纸纸上上画画出出与与ReRe的的关关系系曲曲线线，如如图图下下页页所所示示(书书中中图图3-2-1)3-2-1)。第39页，共106页，编辑于2022年，星期二 第二节 摩擦风阻与阻力区区层流区层流区当当Re2320(
29、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)，不同的管内流体由层，不同的管内流体由层流转变为紊流。流转变为紊流。随随ReRe增大而增大，与增大而增大，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。紊流状。紊流状态态(ReRe4000)4000)与与仍然无关，仍然无关，只与只与ReRe有关有关区区紊流过渡区紊流过渡区，各种不，各种不同相对糙度的实验点各自同相对糙度的实验点各自分散呈一波状曲线，分散呈一波状曲线，值值既与
30、既与ReRe有关，也与有关，也与/r r有有关关。第40页，共106页，编辑于2022年，星期二第二节 摩擦风阻与阻力 2 2层流摩擦阻力层流摩擦阻力 当当流流体体在在圆圆形形管管道道中中作作层层流流流流动动时时，从从理理论论上上可可以以导导出出摩摩擦擦阻阻力计算式：力计算式：=（运动粘度，运动粘度，动力粘度）动力粘度）可得圆管层流时的沿程阻力。可得圆管层流时的沿程阻力。层流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比。层流摩擦阻力和平均流速的一次方成正比。第41页，共106页，编辑于2022年，星期二第二节 摩擦风阻与阻力 3 3、紊流摩擦阻力、紊流摩擦阻力 对对于于紊紊流流运运动动，=f=f(Re(R
31、e，/r)/r)，关关系系比比较较复复杂杂。用用当当量量直直径径 dede=4=4S S/U U 代代替替d d，代代入入阻阻力力通通式式，则则得得到到紊紊流流状状态态下下井井巷巷的的摩摩擦擦阻阻力计算式：力计算式：第42页，共106页，编辑于2022年，星期二第二节 摩擦风阻与阻力 二、摩擦阻力系数与摩擦风阻二、摩擦阻力系数与摩擦风阻1 1摩擦阻力系数摩擦阻力系数 大多数通风井巷风流的大多数通风井巷风流的ReRe值已进入阻力平方区，值已进入阻力平方区，值只与相对糙度有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
32、定可视为定值；在标准状态下空气密度值；在标准状态下空气密度=1.2kg/m=1.2kg/m3 3。令：令：称为摩擦阻力系数称为摩擦阻力系数，单位为，单位为 kg/mkg/m3 3 或或 N.s N.s2 2/m/m4 4。第43页，共106页，编辑于2022年，星期二第二节 摩擦风阻与阻力 标标准准摩摩擦擦阻阻力力系系数数：通通过过大大量量实实验验和和实实测测所所得得的的、在在标标准准状状态态（0 0=1.2kg/m=1.2kg/m3 3）条条件件下下的的井井巷巷的的摩摩擦擦阻阻力力系系数数，即即所所谓谓标标准准值值0 0值值，井巷中空气密度井巷中空气密度1.2kg/m1.2kg/m3 3时，
33、时，值应修正：值应修正：则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式写为：则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式写为：第44页，共106页，编辑于2022年，星期二第二节 摩擦风阻与阻力 系数影响因素系数影响因素 对对于于砌砌碹碹、锚锚喷喷巷巷道道只只考考虑虑横横断断面面上上方方向向相相对对粗粗糙糙度度；对对于木棚、工字钢、于木棚、工字钢、U U型棚等还要考虑纵口径型棚等还要考虑纵口径=l/d=l/d0 0ld0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随随变化实验曲线变化实验曲线第45页，共106页，编辑于2022年，星期二第二节 摩擦风阻与阻力 2 2摩擦风阻摩擦风阻R Rf f 对对于于
34、已已给给定定的的井井巷巷，L L、U U、S S都都为为已已知知数数，故故可可把把上上式式中中的的、L L、U U、S S 归结为一个参数归结为一个参数R Rf f：R Rf f 称为巷道的摩擦风阻，其单位为：称为巷道的摩擦风阻，其单位为：kg/mkg/m7 7 或或 N.s N.s2 2/m/m8 8。工程单位：工程单位：kgf.skgf.s2 2/m/m8 8，或写成，或写成kk,1N.s1N.s2 2/m/m8 8=9.8 k=9.8 k 第46页，共106页，编辑于2022年，星期二第二节 摩擦风阻与阻力 R Rf ff f(,S,U,L),S,U,L)。在在正正常常条条件件下下当当某
35、某一一段段井井巷巷中中的的空空气气密密度度一般变化不大时，可将一般变化不大时，可将R R f f 看作是反映井巷几何特征的参数。看作是反映井巷几何特征的参数。则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式写为：则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式写为：此式就是完全紊流此式就是完全紊流(进入阻力平方区进入阻力平方区)下的摩擦阻力定律。下的摩擦阻力定律。Rf与与hf区别：区别：Rf是风流流动的是风流流动的阻抗参数；阻抗参数；hf是流动过程能量是流动过程能量损失。损失。第47页，共106页，编辑于2022年，星期二第二节 摩擦风阻与阻力 三、井巷摩擦阻力计算方法三、井巷摩擦阻力计算方法 新建矿井新建矿井：查表
36、得查表得0 0计算计算 计算计算R Rf f 计算计算h hf f 计算总阻力损失计算总阻力损失选择通选择通风设备风设备 生产矿井：生产矿井：测得测得h hf f 计算计算R Rf f 计算计算 计算计算0 0 指导生产指导生产第48页，共106页，编辑于2022年，星期二第二节 摩擦风阻与阻力 例例题题3-33-3某某设设计计巷巷道道为为梯梯形形断断面面，S S=8m=8m2 2，L L=1000m=1000m，采采用用工工字字钢钢棚棚支支护护，支支架架截截面面高高度度d d0 0=14cm=14cm，纵纵口口径径=5=5，计计划划通通过过风风量量Q=1200mQ=1200m3 3/min/
37、min，预预计计巷巷道道中中空空气密度气密度=1.25kg/m=1.25kg/m3 3，求该段巷道的通风阻力。，求该段巷道的通风阻力。解解 根据所给的根据所给的d d0 0、S S 值，由值，由P401P401附录附录4 4附表附表4-44-4查得查得:0 0=284.210=284.2104 40.88=0.025Ns0.88=0.025Ns2 2/m/m4 4实际摩擦阻力系数实际摩擦阻力系数 Ns Ns2 2m m4 4巷道摩擦风阻巷道摩擦风阻巷道摩擦阻力巷道摩擦阻力第49页，共106页，编辑于2022年，星期二第二节 摩擦风阻与阻力 四、通风阻力功耗和电耗四、通风阻力功耗和电耗 设主要通
38、风机效率设主要通风机效率=60%=60%，为了克服这段阻力，一年耗多少度电？，为了克服这段阻力，一年耗多少度电？第50页，共106页，编辑于2022年，星期二 第三章 井巷通风阻力第三节第三节 局部风阻与阻力局部风阻与阻力第51页，共106页，编辑于2022年，星期二第三节 局部风阻与阻力 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，这种阻力称为流能量损失，这种阻力称为局部阻力
39、局部阻力。由于局部阻力所产生风流速度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。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52页，共106页，编辑于2022年，星期二第三节 局部风阻与阻力 一、局部阻力及其计算一、局部阻力及其计算 和摩擦阻力类似，局部阻力和摩擦阻力类似，局部阻力h hl l一般也用动压的倍数来表示：一般也用动压的倍数来表示：局部阻力系数，无因次。层流局部阻力系数，无因次。层流：计算局部阻力计算局部阻力，关键是局部阻力系数确定，因，关键是局部阻力系数确定，因v=Q/S,v=Q/S,当当确定后，便可用：确定后，便可用：第5
40、3页，共106页，编辑于2022年，星期二第三节 局部风阻与阻力 几种常见的局部阻力产生的类型：几种常见的局部阻力产生的类型：、突变、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，在主流与边壁之间形成涡漩区，从而增加能量损失。的现象，在主流与边壁之间形成涡漩区，从而增加能量损失。第54页，共106页，编辑于2022年，星期二第三节 局部风阻与阻力 、渐变、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。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。因为因为 V hV hv v p p，压差的作用
41、方向与流动方向相反，使边壁附近，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，趋于流速本来就小，趋于0,0,在这些地方主流与边壁面脱离，出现与主流相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。反的流动，面涡漩。第55页，共106页，编辑于2022年，星期二第三节 局部风阻与阻力 、转弯处、转弯处 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。涡漩。、分岔与会合、分岔与会合 上述的综合。上述的综合。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，局部阻力的产生主要是与涡漩区有关，涡漩区愈大
42、，能量损失愈多，局部阻力愈大。局部阻力愈大。第56页，共106页，编辑于2022年，星期二第三节 局部风阻与阻力 二、局部阻力系数和局部风阻二、局部阻力系数和局部风阻(一一)局部阻力系数局部阻力系数 紊紊流流局局部部阻阻力力系系数数一一般般主主要要取取决决于于局局部部阻阻力力物物的的形形状状，而而边边壁壁的粗糙程度为次要因素。的粗糙程度为次要因素。第57页，共106页，编辑于2022年，星期二第三节 局部风阻与阻力 1 1突然扩大突然扩大 或或v v1 1、v v2 2分别为小断面和大断面的平均流速，分别为小断面和大断面的平均流速，m/sm/s；S S1 1、S S2 2分别为小断面和大断面的
43、面积，分别为小断面和大断面的面积，m m；m m空气平均密度，空气平均密度，kg/mkg/m3 3。对于粗糙度较大的井巷，可进行修正：对于粗糙度较大的井巷，可进行修正：第58页，共106页，编辑于2022年，星期二第三节 局部风阻与阻力 2 2突然缩小突然缩小 对应于对应于小断面的动压小断面的动压，值可按下式计算：值可按下式计算：第59页，共106页，编辑于2022年，星期二第三节 局部风阻与阻力 3 3逐渐扩大逐渐扩大 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。损失和扩张损失两部分组成。当当2
44、020时，渐扩段的局部阻力系数时，渐扩段的局部阻力系数可用下式求算：可用下式求算：风道的摩擦阻力系数，风道的摩擦阻力系数，NsNs2 2/m/m4 4；n n风道大、小断面积之比，即风道大、小断面积之比，即2 21 1；扩张角。扩张角。第60页，共106页，编辑于2022年，星期二第三节 局部风阻与阻力 4 4转弯转弯 巷道转弯时的局部阻力系数巷道转弯时的局部阻力系数(考虑粗糙程度考虑粗糙程度)可按下式计算：可按下式计算：当巷高与巷宽之比当巷高与巷宽之比 H H/b b=0.2=0.21.01.0 时，时，当当H H/b b=1=12.52.5 时时 0 0假定边壁完全光滑时，假定边壁完全光滑
45、时，9090转弯的局部阻力系数，其值见转弯的局部阻力系数，其值见教材表教材表3-3-13-3-1；巷道的摩擦阻力系数，巷道的摩擦阻力系数，N.sN.s2 2/m/m4 4；巷道转弯角度影响系数，见巷道转弯角度影响系数，见教材表教材表3-3-23-3-2。第61页，共106页，编辑于2022年，星期二第三节 局部风阻与阻力 5 5风流分叉与汇合风流分叉与汇合1)1)风流分叉风流分叉 典典型型的的分分叉叉巷巷道道如如图图所所示示，1 12 2段段的的局局部部阻阻力力h hl l2 2和和1 13 3段段的的局局部阻力部阻力h hl l3 3分别用下式计算：分别用下式计算：23123第62页，共10
46、6页，编辑于2022年，星期二第三节 局部风阻与阻力 2)2)风流汇合风流汇合 如图所示，如图所示，1 13 3段和段和2 23 3段的局部阻力段的局部阻力h hl l3 3、h hl l2 23 3分别按下式计算：分别按下式计算：12第63页，共106页，编辑于2022年，星期二第三节 局部风阻与阻力 (二二)局部风阻局部风阻 在局部阻力计算式中，令，在局部阻力计算式中，令，则有：则有：式中式中R Rl l称为局部风阻，其单位为称为局部风阻，其单位为N.sN.s2 2/m/m8 8或或kg/mkg/m7 7。此式表明，在紊流条件下局部阻力也与风量的平方成正比此式表明，在紊流条件下局部阻力也与
47、风量的平方成正比第64页，共106页，编辑于2022年，星期二第三节 局部风阻与阻力 h hR R=h=hf f+h+hl l一般一般H Hf f和和h hl l不易分开不易分开，对于，对于转弯转弯，H Hf f和和h hl l可分开；可分开；突然扩大突然扩大，H Hf f占比重少，局部区段占比重少，局部区段h hR R=h=hl l正面阻力正面阻力：罐笼、矿车、采煤机：罐笼、矿车、采煤机第65页，共106页，编辑于2022年，星期二第三节 局部风阻与阻力 例例1 1：某巷道：某巷道突然扩大段突然扩大段，砌碹支护，断面，砌碹支护，断面S S1 1=6m=6m2 2，S S2 2=24m=24m
48、2 2，通过，通过风量风量Q=48mQ=48m3 3/s/s，空气密度，空气密度=1.25kg/m=1.25kg/m3 3，求突然扩大局部阻力；突，求突然扩大局部阻力；突然缩小则如何？然缩小则如何？解：解：设砌碹巷道设砌碹巷道=0.005kg/m=0.005kg/m3 3 =(1-S =(1-S1 1/S/S2 2)2 2=(1-6/24)=(1-6/24)2 2=0.563=0.563 =(1+/0.01)=0.563(1+0.005/0.01)=0.845 =(1+/0.01)=0.563(1+0.005/0.01)=0.845 h h大大=V=V1 12 2/2=(Q/S/2=(Q/S1
49、 1)2 2/2/2 =0.8451.25(48/6)=0.8451.25(48/6)2 2/2=33.8Pa/2=33.8Pa =0.5(1-S=0.5(1-S1 1/S/S2 2)2 2=0.5(1-S=0.5(1-S1 1/S/S2 2)=0.375)=0.375=(1+/0.013)=0.375=(1+/0.013)=0.375（1+0.005/0.0131+0.005/0.013）=0.52=0.52H H小小=V=V1 12 2/2=0.52*1.25*(48/6)/2=0.52*1.25*(48/6)2 2/2=20.8Pa/2=20.8Pa第66页，共106页，编辑于2022年
50、，星期二第三节 局部风阻与阻力 例例2 2：某回风道，断面高某回风道，断面高2.8m2.8m，宽，宽2.5m2.5m，混凝土棚支护，混凝土棚支护，=0.02kg/m=0.02kg/m3 3，有，有一一直角转弯直角转弯，内角没有弧度，求转弯处的局部阻力系数，内角没有弧度，求转弯处的局部阻力系数解：解：表表3-3-13-3-1，0 0=0.93=0.93，由表，由表3-3-23-3-2，=1.0=1.0 H/b=2.8/2.5=1.12,H/b=2.8/2.5=1.12,=(=(0 0+28)b/H+28)b/H =(0.93+280.02)2.5/2.8 1=1.33 =(0.93+280.02