二风流的能量与能量方程课件.ppt

1、风流的能量与能量方程矿井通风矿井通风本章目的：正确理解矿井空气的主要物理参数是掌握空气在流动过程中能量与压力变化规律的前提，矿井通风中应用的能量方程是矿井通风的基本理论。本章重点：空气的主要物理参数；风流的能量与压力；空气压力测量及压力关系；矿井通风的能量方程及其应用。风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程1、矿井空气的主要物理参数（一）密度定义：单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，用来表示。VM=式中 空气的密度，kg/m3；M空气的质量，kg；V空气的体积，m3。在标准大气状况下（P101325Pa，t0，0%），干空气的密度为1.293 kg/m3。当空气的相对湿

2、度不为0时，称为湿空气，其计算式为 0.3780.003841ppTp饱湿风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程1、矿井空气的主要物理参数式中 p空气的压力，Pa；T热力学温度（T273+t），K；t 空气的温度，；空气的相对湿度，%；p饱温度为t（）时的饱和水蒸气压力，pa。一般将空气压力为101325Pa，温度为20，相对湿度为60%的矿井空气称为标准矿井空气，其密度为1.2kg/m3。由上式可见，压力越大，温度越低，空气密度越大。当压力和温度一定时，湿空气的密度总是小于干空气的密度。风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程1、矿井空气的主要物理参数（

3、二）比容定义：单位质量空气所占有的体积称为空气的比容，用来表示。式中 空气的比容，m3/kg。1Vm风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程1、矿井空气的主要物理参数（三）空气的压力（压强）矿井通风中，习惯将压强称为空气的压力。由于空气分子的热运动，分子之间不断碰撞，同时气体分子也不断地和容器壁碰撞，形成了气体对容器壁的压力。气体作用在单位面积上的力称为空气的压力，用P表示。根据物理学的分子运动理论可导出理想气体作用于容器壁的空气压力关系式为：空气压力的单位为帕斯卡（Pa），简称帕，1Pa=1N/m2。压力较大时还有千帕（KPa）、兆帕（MPa），1MPa=103KPa=10

4、6Pa。有的压力仪器也用百帕（hPa）表示，1hPa=100Pa。风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程)21(322mvnp 1、矿井空气的主要物理参数（四）空气的黏性定义：当流体以任一流速在管道中流动时，靠近管道中心的流层流速快，靠近管道壁的流层流速慢，相邻两流层之间的接触面上便产生粘性阻力（内摩擦力），以阻止其相对运动，流体具有的这一性质，称为流体的粘性。根据牛顿内摩擦力定律，流体分层间的内摩擦力为：ddyvFS式中 动力黏性系数，Pas；S相邻流体层间的接触面积，m2；dv/dy垂直于流体方向上的速度梯度，1/s。风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方

5、 程程1、矿井空气的主要物理参数在空气动力学中，通常用运动黏性系数来表示空气的黏性，即 流体的粘性随温度和压力的变化而变化。对空气而言，粘性系数随温度的升高而增大，压力对粘性系数的影响可以忽略。当温度为20，压力为0.1MPa时，空气的动力粘性系数=1.80810-5Pas；运动粘性系数=1.50110-5m2/s。风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程2、风流的能量与压力风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程 矿井通风系统中，风流在井巷某断面上所具有的总机械能（包括静压能、动能和位能）及内能之和叫做风流的能量。风流之所以能够流动，其根本原因是系统中存在

6、着能量差，所以风流的能量是风流流动的动力。单位体积空气所具有的能够对外做功的机械能就是压力。能量与压力即有区别又有联系，除了内能是以热的形式存在于风流中外，其它三种能量一般通过压力来体现，也就是说井巷任一通风断面上存在的静压能、动能和位能可用静压、动压、位压来呈现。2、风流的能量与压力定义：由分子热运动理论可知，不论空气处于静止状态还是流动状态，空气分子时刻都在做无规则的热运动。这种由空气分子热运动产生的不断撞击接触面所呈现出来的压强称为静压，它是空气具有静压能的体现，用p静表示，单位是帕斯卡。由于静压是静压能的体现，二者分别代表着空气分子热运动所具有的外在表现和内涵，所以在数值上大小相等，静

7、压是静压能的等效表示值。一、静压能静压E静=p静风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程特点：（1）只要有空气存在，不论是否流动都会呈现静压；（2）由于空气分子向器壁撞击的机率是相同的，所以风流中任一点的静压各向同值，且垂直作用于器壁；（3）静压是可以用仪器测量的，大气压力就是地面空气的静压值；（4）静压的大小反映了单位体积空气具有的静压能。风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程2、风流的能量与压力空气压力的两种测算标准：空气的压力根据所选用的测算基准不同可分为两种，即绝对压力和相对压力。（1）绝对压力：以真空为基准测算的压力称为绝对压力，用P表示。由于以

8、真空为零点，有空气的地方压力都大于零，所以绝对压力总是正值。（2）相对压力：以当地当时同标高的大气压力为基准测算的压力称为相对压力，用h表示。对于矿井空气来说，井巷中空气的相对压力h就是其绝对压力P与当地当时同标高的地面大气压力P0的差值。即：hP P0 风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程2、风流的能量与压力 当井巷空气的绝对压力一定时，相对压力随大气压力的变化而变化。在压入式通风矿井中，井下空气的绝对压力都高于当地当时同标高的大气压力，相对压力是正值，称为正压通风；在抽出式通风矿井中，井下空气的绝对压力都低于当地当时同标高的大气压力，相对压力是负值，又称为负压通风。由

9、此可以看出，相对压力有正压和负压之分。在不同通风方式下，绝对压力、相对压力和大气压力三者的关系见图2.1所示。风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程图图2.1 绝对压力、相对压力和大绝对压力、相对压力和大气压力之间的关系气压力之间的关系2、风流的能量与压力定义：空气做定向流动呈现出的能量称为动能，用E动表示（J/m3），其动能所呈现的压力称为动压（或速压），用h动（或h速）表示，单位Pa。二、动能动压计算：设某点空气密度为（kg/m3），定向流动的流速为v（m/s），则单位体积空气所具有的动能为E动，E动对外所呈现的动压h动为：2222Eh动动风风 流流 的的 能能 量量

10、与与 能能 量量 方方 程程2、风流的能量与压力特点：（1）只有做定向流动的空气才呈现出动压；（2）动压具有方向性，仅对与风流方向垂直或斜交的平面施加压力。垂直流动方向的平面承受的动压最大，平行流动方向的平面承受的动压为零；（3）在同一流动断面上，因各点风速不等，其动压各不相同；（4）动压无绝对压力与相对压力之分，总是大于零。风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程2、风流的能量与压力定义：单位体积空气在地球引力作用下，由于位置高度不同而具有的一种能量叫位能，用E位（J/m3）表示。位能所呈现的压力叫位压，用P位（Pa）表示。位能和位压的大小，是相对于某一个参照基准面而言的，

11、是相对于这个基准面所具有的能量或呈现的压力。三、位能位压计算：从地面上把质量为M（kg）的物体提高Z（m），就要对物体克服重力做功MgZ（J），物体因而获得了相同数量的位能，即：E位=mgZ风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程2、风流的能量与压力例：1122aZ1abZabZb2Z12图图2.2 立井位压计算图立井位压计算图 如图，井口断面对第一水平和第二水平标高的位压是不相等的，如果求1-1断面对2-2断面的位能，可取2-2断面为基准面，1-1断面的位压为：1212pZ g位12实测时，应在两个断面之间布置多个测点，分别测出各点和各段的平均密度，再由下式计算。1122a

12、aababbbijijpZ gZ gZ gZ g12测点布置的越多，测段垂直距离越小，计算结果越精确。风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程2、风流的能量与压力特点：（1）位压只相对于基准面存在，是该断面相对于基准面的位压差。基准面的选取是任意的，因此位压可为正值，也可为负值。为了便于计算，一般将基准面设在所研究系统风流的最低水平。（2）位压是一种潜在的压力，不能在该断面上呈现出来。在静止的空气中，上断面相对于下断面的位压，就是下断面比上断面静压的增加值，可通过测定静压差来得知。（3）在倾斜或垂直巷道中，空气位压和静压可以相互转化。（4）不论空气是否流动，上断面相对于下断面

13、的位压总是存在的。风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程2、风流的能量与压力全压：矿井通风中，为了研究方便，常把风流中某点的静压与动压之和称为全压；势压：将某点的静压与位压之和称为势压；总压力：把井巷风流中任一断面（点）的静压、动压、位压之和称为该断面（点）的总压力。井巷风流中两断面上存在的能量差即总压力差是风流之所以能够流动的根本原因，空气的流动方向总是从总压力大处流向总压力小处，而不是取决于单一的静压、动压或位压的大小。四、全压、势压和总压力2、风流的能量与压力风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程一、测压仪器（一）测量绝对压力的仪器1.空盒气压计图

14、图2.3 空盒气压计的外形图和构造图空盒气压计的外形图和构造图 空盒气压计的感压元件是外表呈波纹形、内为真空的特殊合金金属膜盒。当压力增大或减小时，膜盒面相应地凹下、凸出，通过传动机构将这种微小位移放大后，驱动指针指示出当时测点的绝对压力值。常用的DYM3型空盒气压计的测压范围为80000108000Pa，最小分度为10Pa，经过校正后的测量误差不大于200Pa。因精度较低，一般只适用于粗略测量和空气密度测算。3、空气压力测量及压力关系风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程（二）测量相对压力的仪器 测量井巷中（或管道内）某点的相对压力或两点的压力差时，一般需要用皮托管配合压

15、差计来进行。压差计有U形压差计、单管倾斜压差计、补偿式微压计等。3、空气压力测量及压力关系风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程1.皮托管图图2.4 皮托管皮托管 皮托管是承受和传递压力的工具。它由两个同心圆管相套组成，其结构如图2.4所示。内管前端有中心孔，与标有“+”号的接头相通；外管前端侧壁上分布有一组小孔，与标有“”号的接头相通，内外管互不相通。使用时，将皮托管的前端中心孔正对风流，此时，中心孔接受的是风中心孔接受的是风流的静压和动压（即全压），侧孔接受的流的静压和动压（即全压），侧孔接受的是风流的静压。通过皮托管的是风流的静压。通过皮托管的“+”接头和接头和“”接

16、头，分别将全压和静压传递到压接头，分别将全压和静压传递到压差计上。差计上。3、空气压力测量及压力关系风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程2.U压差计图图2.5 U型垂直压差计型垂直压差计 有U形垂直压差计和U形倾斜压差计两种，主要由U型玻璃管、刻度尺和支撑板组成。构造如图2.5所示。测压时，当进入玻璃管两端空气压力不相等时，则水面形成高低差，在刻度尺上读出其差值即表示欲测两点压力差。常用于矿井主通风机房内测量风硐内外的压差。3、空气压力测量及压力关系风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程2.U压差计 为了减少读数误差，可采用倾斜压差计，它是将U型垂直压

17、差计放成倾斜位置使用。U型倾斜压差计由刻度尺和倾斜支撑底座组成，可测定相对压力、速压和压差。测量时其倾斜角度可根据实际情况进行调解，读出的倾斜液柱值必须将其换算成实际压差，即sinhL g式中 h实际压差，Pa；L两液柱面长度差，mm；仪器所装的液体密度，kg/m3；U型管倾斜的角度。3、空气压力测量及压力关系风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程3.单管型倾斜压差计图图2.6 单管倾斜压差计结构单管倾斜压差计结构 我国煤矿常用的单管倾斜压差计有Y-61型、KSY型、M型等。如图2.6所示为Y-61型单管倾斜压差计。1-底座；2-水准泡；3-弧形板；4-注液孔螺钉；5-零位

18、调整螺钉；6-三通旋塞；7-游标；8-玻璃管；9-调平螺钉；10-容器。3、空气压力测量及压力关系风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程4.补偿式微压计图图2.7 补偿式微压计补偿式微压计3、空气压力测量及压力关系风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程（三）矿井通风综合参数检测仪 3、空气压力测量及压力关系风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程 我国生产的JFY型矿井通风综合参数检测仪，是一种能同时测量空气的绝对压力、相对压力、风速、温度、湿度和时间的精密便携式本质安全型仪器，适用于煤矿井下使用。其主要技术参数如表2.2所示。表表2.

19、2 JFY型矿井通风综合参数检测仪技术参数表型矿井通风综合参数检测仪技术参数表 技术参数绝对压力（绝对压力（Pa）压差（压差（Pa）温度（温度（）相对湿度（相对湿度（%）风速（风速（m/s）时间时间测量范围800001200002923-30+4050990.615月、日、时、分、秒月、日、时、分、秒测量分辨率100.980.11.00.1测量精度1009.80.54.00.64(0.22%风速值风速值)415(0.52%风速值风速值)图图2.9 JFY型矿井通风参数检测仪面板图型矿井通风参数检测仪面板图1气孔；2电源开关；3电源电压指示灯；4压力记忆开关；5充电插座；6绝对压力键；7压差键；

20、8温度键；9相对湿度键；10风速键；11记风速键；12读平均风速键；13总清键；14备用键；15风速传感器；16温度传感器；17湿度传感器；18液晶显示；19单位显示；20电子表3、空气压力测量及压力关系风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程（1）测量绝对压力。仪器通电后，整机进入自检状态，显示传感器的周期数，按“总清”键，则显示测点的绝对压力，单位为hPa。（2）测量相对压力。仪器通电后，只要按下“差压”键，并将记忆开关拨向“记忆”位置，则进入相对压力测定状态，此时，仪器将按键时测点的绝对压力P0值记入内存中，并将此值作为后面的测压基准，当仪器发生位移或测点的绝对压力变化

21、后，面板上液晶窗口显示的总是压差值（P=PP0），单位为mmH2O。只要不断电和记忆开关处于“记忆”位置不变，后面的测压基准P0也不变。要想了解其它参数值，只要按下相应的键即可。（3）测量温度和相对湿度。仪器通电后，不论处于何种状态，只要按下“温度”键，就显示当时测点的温度值；按下“湿度”键，就显示当时测点的相对湿度值。因温度和湿度传感器都有滞后现象，因此，从前一测点转到另一测点时，应等待25min后再读数。3、空气压力测量及压力关系风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程（4）测量风速。可以测量点风速，也可以测量断面的平均风速。测量点风速时，只要把风速传感器上的箭头方向朝向

22、风流，按下“风速”键读数即可，单位为m/s。要测断面的平均风速时，可利用机械风表测风时的定点法（如图1-10），先测1点风速，按下“风速”键，显示1点风速值。再按下“记风”键，显示该点风速后，又显示一下“1”，表示1点的风速已存入内存中；将传感器移到2点，按下“记风”键，显示2点的风速值后又显示一下“2”，表示2点的风速已存入内存；，如此进行，直到将所有测点测完，最后再按“读风”键，读出该巷道断面的平均风速值。二、风流点压力的测量及压力关系（一）风流点压力 井巷风流断面上任一点的压力称为风流的点压力。相对于某基准面来说，点压力也有静压、动压和位压；就其形成的特征来说，点压力可分为静压、动压和全

23、压；根据压力的两种测算基准，静压又分为绝对静压（P静）和相对静压（h静）；全压也分为绝对全压（P全）和相对全压（h全）；动压永远为正值，无绝对、相对压力之分，用h动表示。需要说明的是，同一巷道或通风管道断面上，各点的点压力是不等的。在水平面上，各点的静压、位压都相同，动压则是中心处最大；在垂直面上，从上到下，静压逐渐增大，位压逐渐减小，动压也是中心处最大。因此，从断面上的总压力来看，一般中心处的点压力最大，周壁的点压力最小。3、空气压力测量及压力关系风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程（二）绝对压力的测量及其相互关系绝对静压P静的测定：井巷风流中某点的绝对静压一般用空盒气

24、压计、精密气压计或矿井通风综合参数测定仪测定。3、空气压力测量及压力关系风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程动压h动的测定有两种方法：（1）在通风井巷中，一般用风表测出该点的风速，利用公式计算动压。（2）在通风管道中，可利用皮托管和压差计直接测出该点的动压。如图2.10所示。图图2.10 动压的测定动压的测定绝对全压P全的测定：测出某点的绝对静压P静和动压h动之后，用下式计算该点的绝对全压P全：P全P静h动 上式也是绝对压力之间的关系式。即不论抽出式通风还是压入式通风，某一点的绝对全压等于绝对静压与动压的代数和。因动压为正值，所以绝对全压大于绝对静压。3、空气压力测量及压

25、力关系风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程（三）相对压力的测量及其相互关系3、空气压力测量及压力关系风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程3、空气压力测量及压力关系风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程1、压入式通风中相对压力的测量及相互关系 如图所示，皮托管的“+”接头传递的是风流的绝对全压P全，“”接头传递的是风流的绝对静压P静，风筒外的压力是大气压力P0。在压入式通风中，因为风流的绝对压力都高于同标高的大气压力，所以P全P0、P静P0，P全P静。由图中压差计1、2、3的液面可以看出，绝对压力高的一侧液面下降，绝对压力低的一侧液

26、面上升。压差计1测得的是风流中的相对静压：h静静P静静P0 压差计3测得的是风流中的相对全压：h全全P全全P0 压差计2测得的是风流中的动压：h动动P全全P静静 整理得：h全全P全全P0（P静静h动动）P0（P静静P0）h动动h静静h动动 3、空气压力测量及压力关系风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程2、抽出式通风中相对压力的测量及相互关系 如图所示，压差计4、5、6分别测定风流的相对静压、动压、相对全压。在抽出式通风中，因为风流的绝对压力都低于同标高的大气压力，所以P全P0、P静P0，P全P静。由图中压差计4、6的液面可以看出，与大气压力P0相通的一侧水柱下降，另一侧水

27、柱上升，压差计5中的液面变化与抽出式相同。由此可知测点风流的相对压力为：h静P0P静 或 -h静P静P0 h全P0P全 或 -h全P全P0 h动P全P静 整理得：h全P0P全P0（P静h动）（P0P静）h动h静h动例：在抽出式风筒中，测得某点的相对静压为1200Pa，动压为100Pa，风筒外大气压为98000Pa。试求该点的绝对静压、绝对全压和相对全压。p静=p0 h静=98000 1200=96800Pap全=p动 p静=100+96800=96900Pah全=h静 h动=1200 100=1100Pa解：3、空气压力测量及压力关系风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程4

28、、矿井通风中的能量方程及其应用一、理想流体 不可压缩、没有黏滞性的稳定流动的流体，成为理想流体，这种理想流体实际上是不存在的。气体虽然容易被压缩，但在研究井下风流流动规律时，由于巷道空间小，其密度没有明显变化，所以将其当成理想流体来研究。风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程二、稳流与流体流动的连续性 在矿井巷道中流动的风流是连续不断的流动介质，充满流经的巷道空间。根据质量守恒定律，对于稳定流体，单位时间内流入某一空间的流体质量等于流出该空间的流体质量。井巷中的风流可以看作是稳定流。图图2.12 稳定流连续性稳定流连续性1 11222constMv Sv S 对于不可压缩流

29、体（密度变化不大），通过任意断面的体积流量Q（m3/s）相等，即constQvS4、矿井通风中的能量方程及其应用风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程二、稳流与流体流动的连续性例：如图2.12所示，已知S1=10m2，S2=8m2，v1=3m/s；1、2断面的空气密度分别为1=2=1.18kg/m3。试求（1）两个断面的质量流量；（2）两个断面的体积流量；（3）2断面的平均流速。121 111.18 3 10=35.4kg/sMMv S 311132223 10=30m/s/=35.4/1.18=30m/sQv SQM 解：（1）2222/35.4/8 1.183.75m/

30、svMS （2）（3）4、矿井通风中的能量方程及其应用风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程三、基本方程能量方程（一）稳定元流段的能量方程-伯诺利方程 矿井风流沿井巷流动时，不仅因克服阻力损失机械能，同时还不断与外界进行热交换，所以风流与外界除有能量传递外还有热量交换。故可应用热力学第一定律（能量守恒定律）分析任意元段的能量平衡关系。Z1Z222p2u2dA2v211u1dA1p1v1图图2.13 流体元流段变化流体元流段变化4、矿井通风中的能量方程及其应用风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程三、基本方程能量方程（一）稳定元流段的能量方程-伯诺利方程2

31、21 122121122)22vvhppgZgZ阻12（式中 h阻12单位体积气体的能量损失，J/m3；Z1、Z2 断面中心距基准面的高度，m。4、矿井通风中的能量方程及其应用风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程（1）其意义是1kg（或1m3）气体从1断面流向2断面的过程中所消耗的能量（即阻力）等与1、2断面空气总能量的损失（静压能、动能和位能）。（2）风流必须是稳定的，即某一断面上的状态参数不随时间变化而变化。（3）风流总是从能量大的断面流向能量小的断面，实际中可以应用这一特点判断风流方向和计算阻力。（4）应选择适当的基准面，以便简化计算过程。（5）在两断面之间有压源时

32、，若压源作用方向与风流方向相同，压源能量为正，反之，为负。（6）单位体积空气的能量方程式只适用于两断面间流量不变的条件，否则要应用总能量守恒与转换定律列方程计算。（7）应用能量方程时，要注意单位的统一。（二）关于能量方程实际应用的几点说明4、矿井通风中的能量方程及其应用风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程一、矿井风流中的能量方程实际应用能量方程时，流体运动必须满足三个条件：流体运动时稳定流；流体是不可压缩的；流体运动处于重力作用条件下。在实际中，矿井总风压和总风量也变化不大，可以认为井下空气流动是稳定流动；空气虽可压缩，但对井深不超过1000m的矿井，空气密度变化不大，可

33、近似认为不可压缩。所以可以应用上述不可压缩流体的能量方程式解决矿井通风的实际问题。221 122121122)22vvhppgZgZ阻12（221 122111222)22vvhpgZpgZ阻12（或4、矿井通风中的能量方程及其应用风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程一、矿井风流中的能量方程1、动压中的1、2分别取1、2断面风流的空气密度。2、位压中的1、2视基准面的选取情况按下述方法计算：（1）当1、2断面位于矿井最低水平的同一侧时，如图2.13a所示，12（12）/2（2）当1、2断面分别位于矿井最低水平的两侧时如图2.13b所示，10（10）/2，20（20）/2。

34、动压中1、2与位压中1、2的选取方法4、矿井通风中的能量方程及其应用风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程例2.2：某段倾斜巷道如图所示，已知1、2断面的绝对静压分别为p1=100642Pa，p2=99975Pa；风流速度分别为v1=5m/s，v2=3/s；空气密度分别为1=1.22kg/m3，2=1.20kg/m3；Z1=0、Z2=60m。试求两断面间通风阻力并判断风流方向。解：60m1221221 12211122222)22100642 1.22 5/29.81 1.22 099975 1.20 3/29.81 1.20 6029.47PavvhpgZpgZ 阻12（

35、）-（）两端面之间的通风阻力为29.47Pa，风流方向为21。二、能量方程的应用（一）计算巷道通风阻力并判断风流方向4、矿井通风中的能量方程及其应用风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程 能量方程是矿井通风中的基本定律，通过实例分析可以得出能量方程是矿井通风中的基本定律，通过实例分析可以得出以下规律：以下规律：（1）不论在任何条件下，风流总是从总压力大的断面流向总）不论在任何条件下，风流总是从总压力大的断面流向总压力小的断面；压力小的断面；（2）在水平巷道中，因为位压差等于零，风流将由绝对全压）在水平巷道中，因为位压差等于零，风流将由绝对全压大的断面流向绝对全压小的断面；大

36、的断面流向绝对全压小的断面；（3）在等断面的水平巷道中，因为位压差、动压差均等于零）在等断面的水平巷道中，因为位压差、动压差均等于零，风流将从绝对静压大的断面流向绝对静压小的断面。，风流将从绝对静压大的断面流向绝对静压小的断面。4、矿井通风中的能量方程及其应用风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程（二）矿井通风阻力与空气压力的关系1.抽出式通风矿井中通风阻力与主通风机风硐断面相对压力之间的关系图图2.15 抽出式通风矿井抽出式通风矿井 在抽出式通风矿井中，整个风流流动路线所遇到的阻力为进风井口的局部阻力与井筒、巷道的通风阻力之和。即hhh局1阻14阻矿式中 h阻矿矿井通风总

37、阻力，Pa。4、矿井通风中的能量方程及其应用风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程 将进风口以上很小距离处断面设为0断面，此处断面的风速和0、1两端面的高差都近似为0，在0-1断面应用能量方程求出进风井筒1处的局部阻力为：220 01 100011121 101)222vvhpgZpgZvpp局1静静（同理，在进风井口断面1与主通风机风井井筒4应用能量方程式，可求出井筒及巷道的通风阻力h阻14为：221 14412123434122vvhpgZpgZ阻14静静4则24412123434()2vhhgZgZ阻静44、矿井通风中的能量方程及其应用风风 流流 的的 能能 量量 与

38、与 能能 量量 方方 程程 上式即为抽出式通风矿井的总阻力计算式，它反映了矿井通风阻力与通风机风硐断面相对压力之间的关系。在通风管理中，可利用这一特点，在通风机房将压差计与风硐内的皮托管相连，随时掌握矿井通风阻力的变化情况。设 为矿井的自然风压，则 12123434()hgZgZ自hhhh动4阻矿静4自当 时，h自为正值；12123434gZgZ当 时，h自为负值；12123434gZgZ4、矿井通风中的能量方程及其应用风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程例2.3：某抽出式矿井如图2.16所示。设自然风压h自为98Pa，其作用与通风机风压相反。风量Q=40m3/s，S4=

39、5m2，4=1.19kg/m3，h静4=1960Pa，P0=101325Pa。试求h动4、h阻14、h全4、p静4、p全4。解：02242444101325 196099365Pa401.19538.1Pa222196038.11921.9Pa9936538.199403.1Pa196038.1 981823.9PapphQSvhhhhppphhhh静4静4动4动4全4静4动4全4静4阻14动4静4自4、矿井通风中的能量方程及其应用风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程（二）矿井通风阻力与空气压力的关系2.压入式通风矿井中通风阻力与主通风机风硐断面相对压力之间的关系图图2.

40、16 压入式通风矿井压入式通风矿井 在压入式通风矿井中，一般包括吸风段12和压风段36，它实际上属于抽出压入混合式通风。主要风流路线包括吸风段12、进风井筒34、井下巷道45和出风井筒56。风流在整个流动过程中所遇到的阻力主要包括吸风段巷道和压风段巷道中的阻力。即hhhh局6阻12阻36阻矿4、矿井通风中的能量方程及其应用风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程根据能量方程式得：223 36 634345656226 60 06600060626 60622)222vvhpgZpgZvvhpgZpgZvpp阻36静3静6局6静静（4、矿井通风中的能量方程及其应用风风 流流 的

41、的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程 由于压入式通风矿井吸风段的高差很小，可以把此段的自然风压忽略。即221 122101020202220222vvhpgZpgZvpphhh0阻12静2静2动2静2全2hhhh阻矿全2全3自整理公式得：4、矿井通风中的能量方程及其应用风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程（二）矿井通风阻力与空气压力的关系3.通风系统中能量（压力）坡度图水平巷道的风流能量坡度图 通风系统中风流能量（压力）坡度图是对矿井通风能量方程的图形描述。从图2.18可以清楚表明水平巷道通风中各断面的静压、动压、位压和通风阻力之间的相互转化关系，对矿井通风管理具

42、有重要意义。由于风道是水平的，故各断面 间无位能差，且大气压相等。由能量方程知，任一两端面间的通风阻力就等于两端面间的全压差。4、矿井通风中的能量方程及其应用风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程012345678910P0压力压力Pa流程流程扩散器扩散器hR12h动4h全h阻78全压线静压线静压线全压线图图2.18 水平巷道能量（压力）坡度图水平巷道能量（压力）坡度图4、矿井通风中的能量方程及其应用风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程3.通风系统中能量（压力）坡度图矿井通风系统风流能量坡度线的绘制 绘制矿井通风系统的能量（压力）坡度线（一般用绝对压力

43、）的方法：以矿井最低水平作为位压计算基准面，在矿井通风系统中沿风流流程布设若干测点，测出各点的绝对静压、风速、温度、湿度、标高等参数，计算出各点的动压、位能和总能量；然后在压力风流流程坐标图上描出各测点的参数，将同名参数点用折线连接起来，即是所要绘制的通风系统风流能量（压力）坡度线。具体包括三条坡度线：风流全能量（总压力）坡度线、风流全压坡度线、风流静压坡度线。4、矿井通风中的能量方程及其应用风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程例：以图2.19所示的抽出式通风矿井为例，说明矿井通风系统中有高度变化的风流路线上能量（压力）坡度图的画法，步骤如下：（1）确定基准面。一般地，以

44、最低水平为基准面。（2）测算出各断面的总压能（包括静压、动压和相对基准面的位能）。（3）选择坐标系和适当的比例。以压能为纵坐标，风流流程为横坐标，把各断面的静压、动压和位能描在坐标系中，即得1、2、3、4断面的总能量。（4）把各断面的同名参数点用折线连接起来，即得1流程上的压力坡度线。4、矿井通风中的能量方程及其应用风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程01234b0c0d0a1a2b2c2a0(a)b(b1)c(c1)dd1d2P0Pa压压能能eEP01EP04HNHt流程流程图图2.19 矿井通风系统能量坡度图矿井通风系统能量坡度图4、矿井通风中的能量方程及其应用风风

45、流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程（二）矿井通风阻力与空气压力的关系3.通风系统中能量（压力）坡度图矿井通风系统能量坡度线的分析（1）能量（压力）坡度线（a-b-c-d）清楚地反映了风流在流动过程中，沿程各断面上全能量与通风阻力hR之间的关系。（2）绝对全压和绝对静压坡度线与总能量坡度线的变化有起伏（如1-2段风流由上向下流动，位能逐渐减小，静压逐渐增大；在3-4段其压力坡度线变化正好相反，静压逐渐减小，位能逐渐增大）。所以，其静压和位能之间可以相互转化。4、矿井通风中的能量方程及其应用风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程（二）矿井通风阻力与空气压力的关

46、系3.通风系统中能量（压力）坡度图矿井通风系统能量坡度线的分析（3）两断面的位压差叫做自然风压（h自）。h自和通风机全压共同克服矿井通风阻力和出口动能损失。（4）能量（压力）坡度线可以清楚的看到风流沿程各种能量的变化情况。特别是在复杂通风网络中，利用能量（压力）坡度线可以直观地比较任意两点间的能量大小，判断风流方向。这对分析研究局部系统的均压防灭火和控制瓦斯涌出是有力的工具。4、矿井通风中的能量方程及其应用风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程例2.4：如图2.20（a）所示的同采工作面简化系统，风流从进风上山经绕道1分为二路；一路流经1-2-3-4（2-3为工作面），另一路径1-5-6-4（5-6为工作面），两路风流在回风巷汇合后进入回风上山。如果某一工作面或其采空区出现有害气体是否会影响另一采煤工作面？1234560123456压力压力流程流程解：沿风流流经的两条路线分别布置测点，测算出各点的总压能，绘出压力坡度线。1-2-3-4线路上各点风流的全能量大于1-5-6-4线路。所以工作面通过其采空区向工作面漏风，如果工作面或其采空区发生火灾其有害气体将会流向工作面，影响工作面的全生产。4、矿井通风中的能量方程及其应用风风 流流 的的 能能 量量 与与 能能 量量 方方 程程