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1、矿井通风安全工程第三章 井巷通风阻力本章重点和难点：摩擦阻力和局部阻力产生的原因和测算当空气沿井巷运动时，由于风流的粘滞性和惯性以及井巷壁面等对风流的阻滞、扰动作用而形成通风阻力，它是造成风流能量损失的原因。井巷通风阻力可分为两类：摩擦阻力(也称为沿程阻力)和局部阻力。第一节 井巷断面上风速分布一、风流流态1、管道流同一流体在同一管道中流动时，不同的流速，会形成不同的流动状态。当流速较低时，流体质点互不混杂，沿着与管轴平行的方向作层状运动，称为层流(或滞流)。当流速较大时，流体质点的运动速度在大小和方向上都随时发生变化，成为互相混杂的紊乱流动，称为紊流(或湍流)。（）雷诺数Re式中：平均流速v

2、、管道直径d和流体的运动粘性系数。在实际工程计算中，为简便起见，通常以Re=2300作为管道流动流态的判定准数，即： Re2300 层流， Re2300 紊流（）当量直径对于非圆形断面的井巷，Re数中的管道直径d应以井巷断面的当量直径de来表示：因此，非圆形断面井巷的雷诺数可用下式表示：对于不同形状的井巷断面，其周长U与断面积S的关系，可用下式表示： 式中：C断面形状系数：梯形C=4.16；三心拱C=3.85；半圆拱C=3.90。（举例见P38）2、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，Re

3、2.5； 过渡流 0.25Re2300,紊流 巷道条件同上，Re=2300层流临界风速： V=ReU/4S =23004.1631510-6/(49)=0.012m/s，砂粒凸起高度几乎全暴露在紊流核心中，故Re对值的影响极小，略去不计，相对糙度成为的唯一影响因素。故在该区段，与Re无关，而只与相对糙度有关。摩擦阻力与流速平方成正比，故称为阻力平方区，尼古拉兹公式：2层流摩擦阻力当流体在圆形管道中作层流流动时，从理论上可以导出摩擦阻力计算式： = 可得圆管层流时的沿程阻力系数： 古拉兹实验所得到的层流时与Re的关系，与理论分析得到的关系完全相同，理论与实验的正确性得到相互的验证。层流摩擦阻力和

4、平均流速的一次方成正比。3、紊流摩擦阻力 对于紊流运动，=f (Re，/r)，关系比较复杂。用当量直径de=4S/U代替d，代入阻力通式，则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式：二、摩擦阻力系数与摩擦风阻1摩擦阻力系数矿井中大多数通风井巷风流的Re值已进入阻力平方区，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，则可视为定值；在标准状态下空气密度=1.2kg/m3。 对上式， 令：称为摩擦阻力系数，单位为 kg/m3 或 N.s2/m4。则得到紊流状态下井巷的摩擦阻力计算式写为：标准摩擦阻力系数：通过大量实验和实测所得的、在标准状态（0=1.2kg/m3）条件下的井巷的摩擦阻

5、力系数，即所谓标准值0值，当井巷中空气密度1.2kg/m3时，其值应按下式修正：系数影响因素对于砌碹、锚喷巷道只考虑横断面上方向相对粗糙度；对于木棚、工字钢、U型棚等还要考虑纵口径=l/d0ld0工字钢支架在巷道中流动状态随变化实验曲线2摩擦风阻Rf对于已给定的井巷，L、U、S都为已知数，故可把上式中的、L、U、S 归结为一个参数Rf：Rf 称为巷道的摩擦风阻，其单位为：kg/m7 或 N.s2/m8。工程单位：kgf .s2/m8 ，或写成：k。1 N.s2/m8= 9.8 kRff ( ,S,U,L) 。在正常条件下当某一段井巷中的空气密度一般变化不大时，可将R f 看作是反映井巷几何特征

6、的参数。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(进入阻力平方区)下的摩擦阻力定律。3井巷摩擦阻力计算方法 新建矿井：查表得0 Rf hf 生产矿井：hf Rf 0 例题3-3 某设计巷道为梯形断面，S=8m2，L=1000m，采用工字钢棚支护，支架截面高度d0=14cm，纵口径=5，计划通过风量Q=1200m3/min，预计巷道中空气密度=1.25kg/m3，求该段巷道的通风阻力。解 根据所给的d0、S值，由附录4附表4-4查得：0 =284.21040.88=0.025Ns2/m4则：巷道实际摩擦阻力系数 Ns2m4巷道摩擦风阻 巷道摩擦阻力： 0.598 Ns2m8第三

7、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，造成风流的能量损失，这种阻力称为局部阻力。 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。一、局部阻力及其计算和摩擦阻力类似，局部阻力hl一般也用动压的倍数来表示：式中：局部阻力系数，无因次。层流计算局部阻力，关键是局部阻力系数确定，因v=Q/S,当确定后，便可用几种常见的局部阻力产生的类型：1、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的现象，在主流与边壁之间形成涡漩区，从而增加能量损失。2、渐变主要是

8、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 V hv p ，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0, 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。3、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，出现涡漩。4、分岔与会合上述的综合。 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，局部阻力愈大。二、局部阻力系数和局部风阻 (一) 局部阻力系数紊流局部阻力系数一般主要取决于局部阻力物的形状，而边壁的粗糙程度为次要因素。1突然扩大 式中： v1、v2分别为小断面和大断面的平均流速，m/s； S1、S2分别为小断面和大断面的

9、面积，m； m空气平均密度，kg/m3。对于粗糙度较大的井巷，可进行修正2突然缩小对应于小断面的动压，值可按下式计算：3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损失和扩张损失两部分组成。当20时，渐扩段的局部阻力系数可用下式求算：式中 风道的摩擦阻力系数，Ns2/m4； n风道大、小断面积之比，即21； 扩张角。4转弯巷道转弯时的局部阻力系数(考虑巷道粗糙程度)可按下式计算：当巷高与巷宽之比H/b=0.21.0 时， 当 H/b=12.5 时 式中 0假定边壁完全光滑时，90转弯的局部阻力系数，其值见表3-3-1； 巷道的摩擦阻力系数，N.s2/m4； 巷道转弯角度影响系数，见表3-3-2。5风流分叉与汇合1) 风流分叉典型的分叉巷道如图所示，12段的局部阻力hl2和13段的局部阻力hl3分别用下式计算：2) 风流汇合如图所示，13段和23段的局部阻力hl3、hl23分别按下式计算： 式中：(二) 局部风阻在局部阻力计算式中，令 ，则有：式中Rl称为局部风阻，其单位为N.s2/m8或kg/m7。此式表明，在紊流条件下局部阻力也与风量的平方成正比(三) 井巷通风总风阻 其中：井巷通风总阻力；沿程通风阻力；局部通风阻力；一般Hf和hl不易分开，对于转弯， Hf和hl可分开；巷道断面突然扩大处， Hf占比重少，局部区段hR= hl正面