1、目录1第二章第二章矿井空气流动的基本理论矿井空气流动的基本理论目录2第一节第一节 空气的主要物理参数空气的主要物理参数第二节第二节 风流的能量与压力风流的能量与压力第三节第三节 矿井通风中的能量方程矿井通风中的能量方程第四节第四节 能量方程在矿井通风中的应用能量方程在矿井通风中的应用目录3第二章第二章 矿井空气流动的基本理论矿井空气流动的基本理论 ：矿井空气沿井巷流动过程中宏观力学参数的矿井空气沿井巷流动过程中宏观力学参数的变化规律以及能量的转换关系。介绍空气的主要物理参数、性质，变化规律以及能量的转换关系。介绍空气的主要物理参数、性质，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。
2、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。根据热力学第一定律和能量守恒及转换定律，结合矿井风流流动根据热力学第一定律和能量守恒及转换定律，结合矿井风流流动的特点，推导了矿井空气流动过程中的能量方程，介绍了能量方的特点，推导了矿井空气流动过程中的能量方程，介绍了能量方程在矿井通风中的应用。程在矿井通风中的应用。目录4一、温度一、温度 温度是描述物体冷热状态的物理量。测量温度的标尺简称温标。温度是描述物体冷热状态的物理量。测量温度的标尺简称温标。矿井表示气候条件的主要参数之一。矿井表示气候条件的主要参数之一。国际单位为：国际单位为：热力学温标，热力学温标，其单位为其单位为K(kelv
3、in),K(kelvin),用符号用符号T T来表示，来表示，热力学温标规定纯水三相态点温度（汽、液、固三相平衡态时的温度）热力学温标规定纯水三相态点温度（汽、液、固三相平衡态时的温度）为基本定点，定义为为基本定点，定义为273.15K273.15K。常用的摄氏温标为常用的摄氏温标为实用温标实用温标，用，用t t表示，单位为表示，单位为摄氏度摄氏度。摄氏温标的每摄氏温标的每11与热力学温标的每与热力学温标的每1K1K完全相同，它们之间的关完全相同，它们之间的关系为：系为：T=273.15+tT=273.15+t 温度是矿井表征气候条件的主要参数，温度是矿井表征气候条件的主要参数，规程规程规定：
4、生产矿井规定：生产矿井采掘工作面的空气温度不得超过采掘工作面的空气温度不得超过2626，机电硐室的空气温度不得超过，机电硐室的空气温度不得超过3030。第一节第一节 空气的主要物理参数空气的主要物理参数物理参数物理参数目录5二、压力（压强）二、压力（压强）在矿井通风学中，习惯把压强称为压力。在矿井通风学中，习惯把压强称为压力。大气压力：大气压力：地球表面一层很厚的空气层对地面所形成的压力。其大小地球表面一层很厚的空气层对地面所形成的压力。其大小取决于大重力场中位置相对高度，空气相对温度、湿度（相对湿度）和气取决于大重力场中位置相对高度，空气相对温度、湿度（相对湿度）和气体成分等参数。体成分等参
5、数。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。它是空气分子热运动表示。它是空气分子热运动对器壁碰撞的宏观表现。对器壁碰撞的宏观表现。计算公式为：计算公式为：P=2/3n(1/2mvP=2/3n(1/2mv2 2)气体的静压力是单位体积内气体分子不规则热运动总动能的气体的静压力是单位体积内气体分子不规则热运动总动能的2/32/3转化转化为能对外做功的机械能的宏观表现，故压力的大小表示单位体积气体的压为能对外做功的机械能的宏观表现，故压力的大小表示单位体积气体的压能的数量，这是气体所具有的普遍的物理性质，其大小可以用仪器来测量，能的数量，这是气体所具有的普遍的
6、物理性质，其大小可以用仪器来测量，空盒气压计、水银气压计、水柱计、精密气压计等可以用来测量压力。空盒气压计、水银气压计、水柱计、精密气压计等可以用来测量压力。物理参数物理参数目录6不同标高处的空气压力比值不同标高处的空气压力比值 标高标高z/mz/m+1000+10000 0-1000-1000p/pp/po o0.8880.8881.01.01.1261.126 实际上各地的大气压力还和实际上各地的大气压力还和地表气象因素地表气象因素有关，一年四季，甚至有关，一年四季，甚至一昼夜内都有明显的变化。例如：淮南一昼夜内气压变化一般为一昼夜内都有明显的变化。例如：淮南一昼夜内气压变化一般为2702
7、70400Pa400Pa有时可达有时可达1300Pa1300Pa，一年中大气压变化可高达，一年中大气压变化可高达400040005300Pa5300Pa。一般来讲，在一般来讲，在同一水平面，不大的范围内，可以认为空气压力是同一水平面，不大的范围内，可以认为空气压力是相同相同的。的。物理参数物理参数目录7三、湿度三、湿度表示空气中所含水蒸汽量的多少或潮湿程度。表示空气中所含水蒸汽量的多少或潮湿程度。表示空气湿度的方法表示空气湿度的方法：绝绝对湿度、相对温度和含湿量三种对湿度、相对温度和含湿量三种、绝对湿度、绝对湿度 每立方米空气中所含水蒸汽的质量叫空气的绝对湿度。其单位与密每立方米空气中所含水蒸
8、汽的质量叫空气的绝对湿度。其单位与密度单位相同（度单位相同（Kg/mKg/m3 3），其值等于水蒸汽在其分压力与温度下的密），其值等于水蒸汽在其分压力与温度下的密度。度。v v=M=Mv v/V/V 饱和空气：饱和空气：在一定的温度和压力下，单位体积空气所能容纳水蒸汽在一定的温度和压力下，单位体积空气所能容纳水蒸汽量是有极限的，超过这一极限值，多余的水蒸汽就会凝结出来。这量是有极限的，超过这一极限值，多余的水蒸汽就会凝结出来。这种含有极限值水蒸汽的湿空气叫种含有极限值水蒸汽的湿空气叫饱和空气饱和空气，这时水蒸气分压力叫，这时水蒸气分压力叫饱饱和水蒸分压力和水蒸分压力，P PS S，其所含的水蒸
9、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 单位体积空气中实际含有的水蒸汽量（单位体积空气中实际含有的水蒸汽量（V V）与其同温度下的饱和水）与其同温度下的饱和水蒸汽含量（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。物理参数物理参数目录8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露
10、点露点：将不饱和空气冷却时，随着温度逐渐下降，相对：将不饱和空气冷却时，随着温度逐渐下降，相对湿度逐渐增大，当达到湿度逐渐增大，当达到100100时，此时的温度称为露点。时，此时的温度称为露点。上例上例 甲地、乙地的露点分别为多少？甲地、乙地的露点分别为多少？物理参数物理参数目录9、含湿量、含湿量 含有含有1kg1kg干空气的湿空气中所含水蒸汽的质量（干空气的湿空气中所含水蒸汽的质量（kgkg）称为空气的）称为空气的含湿量。含湿量。d=d=V V d,d,干空气的气体常数干空气的气体常数 R Rd d=287.041J/=287.041J/（kgkg*k k）水蒸气的气体常数水蒸气的气体常数
11、R Rd d=461.393J/=461.393J/（kgkg*k k）V V=Ps/461T =Ps/461T d d=(P-Ps)/287T=(P-Ps)/287T d=0.622 d=0.622 Ps/(P-Ps)Ps/(P-Ps)四、焓四、焓 焓是一个复合的状态参数，它是内能焓是一个复合的状态参数，它是内能u u和压力功和压力功PVPV之和，焓也称热焓。之和，焓也称热焓。i=ii=id d+d+di iV V=1.0045t+d(2501+1.85t)=1.0045t+d(2501+1.85t)实际应用焓实际应用焓-湿图（湿图（I-d)I-d)RTPRT1P TnRPV物理参数物理参数
12、目录10五、粘性五、粘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，称作流体的粘性。其大小主要取决于温度。体具有的这一性质，称作流体的粘性。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，称为动力粘性动力粘性或或绝对粘度绝对粘度。其国际单位：帕其国际单位：帕.秒，写作：秒，写作：Pa.SPa.S。运
13、动粘度为：运动粘度为：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 V ydydvSF粘性取决于分子间的吸引力和热运动动量交换。温度升高，则分子间的吸引力降低，动量会增加。对于液体，分子间的吸引力为主要影响因素；对于气体，分子间热运动产生动量交换是决定性因素。物理参数物理参数目录11六、密度六、密度 单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，与与P P、t t、湿度等有关。湿空气密度为、湿度等有关。湿空气密度为干空气密度和水蒸汽密度之和，即：干空气密度和水蒸汽密度之和，即：V
14、V=Ps/461T =Ps/461T d d=(P-Ps)/287T=(P-Ps)/287T 根据气体状态方程，可推出空气密度计算公式：根据气体状态方程，可推出空气密度计算公式：式中：式中：P P为大气压，为大气压，satsat为饱和水蒸汽压，单位：为饱和水蒸汽压，单位：PaPa；为相对湿度；为空气绝对温度，为相对湿度；为空气绝对温度，T=t+273,KT=t+273,K。式中：式中：P P为大气压，为大气压，satsat为饱和水蒸汽压，单位：为饱和水蒸汽压，单位：mmHgmmHg。注意：注意：和和sat sat 单位一致。单位一致。)(.PP378.01287TP461TP287TPPPP.
15、TPsatsatsatsat378010034840)(.PPTPsat37801464570RTPvd物理参数物理参数目录12第二节第二节 风流的能量与压力风流的能量与压力 能量与压力是通风工程中两个重要的基本概念，压力可以理解为：单位体积空能量与压力是通风工程中两个重要的基本概念，压力可以理解为：单位体积空气所具有的能够对外作功的机械能。气所具有的能够对外作功的机械能。一、风流的能量与压力一、风流的能量与压力1.1.静压能静压静压能静压（1 1）静压能与静压的概念）静压能与静压的概念 空气的分子无时无刻不在作无秩序的热运动。这种由分子热运动产生的分子动空气的分子无时无刻不在作无秩序的热运动
16、。这种由分子热运动产生的分子动能的一部分转化的能够对外作功的机械能叫能的一部分转化的能够对外作功的机械能叫静压能，静压能，J Jm m3 3，在矿井通风中，在矿井通风中，压力的概念与物理学中的压强相同，即单位面积上受到的垂直作用力。压力的概念与物理学中的压强相同，即单位面积上受到的垂直作用力。静压静压Pa Pa N/mN/m2 2也可称为是静压能也可称为是静压能，值相等，值相等（）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力；无论静止的空气还是流动的空气都具有静压力；b.b.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
17、.风流静压的大小（可以用仪表测量）反映了单位体积风流所具有的能够对风流静压的大小（可以用仪表测量）反映了单位体积风流所具有的能够对外作功的静压能的多少。如说风流的压力为外作功的静压能的多少。如说风流的压力为101332Pa101332Pa，则指风流，则指风流1m1m3 3具有具有101332J101332J的静压能。的静压能。区别：能量区别：能量 促使空气流动的根本原因是能量差促使空气流动的根本原因是能量差 压力压力 对外做功有力的表现对外做功有力的表现联系联系:风流任一风流任一 断面上都有压能、位能和动能，而这三种能量又分断面上都有压能、位能和动能，而这三种能量又分别可用相应的静压、位压和动
18、压（速压）来体现。别可用相应的静压、位压和动压（速压）来体现。能量压力能量压力目录13（）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）根据压力的测算基准不同，压力可分为：根据压力的测算基准不同，压力可分为：绝对压力和相对压力绝对压力和相对压力。A A、绝对压力：绝对压力：以真空为测算零点（比较基准）而测得的压力称之为以真空为测算零点（比较基准）而测得的压力称之为绝对压力，用绝对压力，用 P P 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为测算基准以当时当地同标高的大气压力为测算基准(零点零点)测测得的压力称之为相对压力，即通常所说的表压力，用得的压力称
19、之为相对压力，即通常所说的表压力，用 h h 表示。表示。风流的绝对压力（风流的绝对压力（P P）、相对压力（）、相对压力（h h）和与其对应的大气压（）和与其对应的大气压（P P0 0）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 =P h =P P P0 0abPa真空P0Pbha(+)hb(-)P0能量压力能量压力目录14P Pi i 与与 h hi i 比较：比较：I I、绝对静压总是为正，而相对静压有、绝对静压总是为正，而相对静压有正负正负之分；之分；IIII、同一断面上各点风流的绝对静压随高度变化而变化，而相对静压与高度无关。、同一断面上各点风流的绝对静压随高度变化而变化
20、，而相对静压与高度无关。IIIIII、P Pi i 可能大于、等于或小于与该点同标高的大气压可能大于、等于或小于与该点同标高的大气压(P(P0i0i)。2 2、重力位能、重力位能（1)1)重力位能的概念重力位能的概念 物体在地球重力场中因地球引力的作用，由于位置的不同而具有的一种能量叫物体在地球重力场中因地球引力的作用，由于位置的不同而具有的一种能量叫重重力位能力位能，简称位能，用，简称位能，用 E EPOPO 表示。表示。如果把质量为如果把质量为M M（kgkg）的物体从某一基准面提高）的物体从某一基准面提高Z Z（m m），就要对物体克服重力作功），就要对物体克服重力作功M.g.ZM.g.
21、Z（J J），物 体 因 而 获 得 同 样 数 量（），物 体 因 而 获 得 同 样 数 量（M.g.ZM.g.Z）的 重 力 位 能。即：）的 重 力 位 能。即：E EPOPO=M.g.Z =M.g.Z 重力位能是一种潜在的能量，它只有通过计算得重力位能是一种潜在的能量，它只有通过计算得其大小，而且是一个其大小，而且是一个相对值相对值 。实际工作中一般计算位能差。实际工作中一般计算位能差。（）位能计算（）位能计算 重力位能的计算应有一个重力位能的计算应有一个参照基准面参照基准面。E Ep012p012=i i gdz gdzi i如下图如下图 1 1两断面之间的位能差：两断面之间的位能
22、差：dzi能量压力能量压力目录15（3)3)位能与静压的关系位能与静压的关系 当空气静止时（当空气静止时（v=0v=0），），由空气静力学可知：各断面的机械能相等。设以由空气静力学可知：各断面的机械能相等。设以2-22-2断面为基准面：断面为基准面：1-11-1断面的总机械能断面的总机械能 E E1 1=E=EPO1PO1+P+P1 1 2-2 2-2断面的总机械能断面的总机械能 E E2 2=E=EPO2PO2+P+P2 2 由由E E1 1=E=E2 2得：得：E EPO1PO1+P+P1 1=E=EPO2PO2+P+P2 2 由于由于E EPO2PO2=0=0（2-22-2断面为基准面）
23、，断面为基准面），E EPO1PO1=1212.g.Z.g.Z1212，所以：所以：P P2 2=E=EPO1PO1+P+P1 1=1212.g.Z.g.Z1212+P+P1 1 说明：说明：、位能与静压能之间可以互相转化。、位能与静压能之间可以互相转化。IIII、在矿井通风中把某点的静压和位能之和称之为、在矿井通风中把某点的静压和位能之和称之为势能势能。（4)4)位能的特点位能的特点 a.a.位能是相对某一基准面而具有的能量，它随所选基准面的变化而变化。但位位能是相对某一基准面而具有的能量，它随所选基准面的变化而变化。但位能差为定值。能差为定值。b.b.位能是一种潜在的能量，它在本处对外无力
24、的效应，即不呈现压力，故不能位能是一种潜在的能量，它在本处对外无力的效应，即不呈现压力，故不能象静压那样用仪表进行直接测量。象静压那样用仪表进行直接测量。c.c.位能和静压可以相互转化，在进行能量转化时遵循能量守恒定律。位能和静压可以相互转化，在进行能量转化时遵循能量守恒定律。dzi能量压力能量压力目录163.3.动能动压动能动压（1)1)动能与动压的概念动能与动压的概念 当空气流动时，除了位能和静压能外，还有空气定向运动的动能，用当空气流动时，除了位能和静压能外，还有空气定向运动的动能，用E Ev v表示，表示，J/mJ/m3 3；其动能所转化显现的压力叫；其动能所转化显现的压力叫动压动压或
25、称或称速压速压，用符号，用符号h hv v表示，单位表示，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/m3Kg/m3；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，因此动压具有方向性。只有作定向流动的空气才具有动压，因此动压具有方向性。b.b.动压总是大于零。垂直流动
26、方向的作用面所承受的动压最大（即流动方向动压总是大于零。垂直流动方向的作用面所承受的动压最大（即流动方向上的动压真值）；当作用面与流动方向有夹角时，其感受到的动压值将小于上的动压真值）；当作用面与流动方向有夹角时，其感受到的动压值将小于动压真值。动压真值。c.c.在同一流动断面上，由于风速分布的不均匀性，各点的风速不相等，所以在同一流动断面上，由于风速分布的不均匀性，各点的风速不相等，所以其动压值不等。其动压值不等。d.d.某断面动压即为该断面平均风速计算值。某断面动压即为该断面平均风速计算值。能量压力能量压力目录17（）全压（）全压 风道中任一点风流，在其流动方向上同时存在静压和动压，两者之
27、风道中任一点风流，在其流动方向上同时存在静压和动压，两者之和称之为该点风流的和称之为该点风流的全压全压，即：，即：全压静压动压全压静压动压。由于静压有绝对和相对之分，故全压也有由于静压有绝对和相对之分，故全压也有绝对和相对绝对和相对之分。之分。、绝对全压（、绝对全压（P Ptiti）P Ptiti P Pi ih hvivi B B、相对全压（、相对全压（h htiti）h htiti h hi ih hvivi P Ptiti P Poioi 说明说明：A A、相对全压有正负之分；、相对全压有正负之分；B B、无论正压通风还是负压通风，、无论正压通风还是负压通风，P PtitiPPi i h
28、 htiti h hi i。二、风流的点压力之间相互关系二、风流的点压力之间相互关系 风流的点压力是指测点的单位体积风流的点压力是指测点的单位体积(1m(1m3 3)空气所具有的压力。通风管道空气所具有的压力。通风管道中流动的风流的点压力可分为：中流动的风流的点压力可分为：静压、动压和全压。静压、动压和全压。风流中任一点风流中任一点i i的动压、绝对静压和绝对全压的关系为：的动压、绝对静压和绝对全压的关系为：h hvivi=P=Ptiti-P-Pi i h hvivi、h hI I和和h htiti三者之间的关系为：三者之间的关系为：h hti ti =h=hi i +h+hvivi 。能量压
29、力能量压力目录18压入式通风（正压通风）压入式通风（正压通风）：风流中任一点的：风流中任一点的相对全压恒相对全压恒为正。为正。P Ptiti and P and Pi i P Po io i h hi i ，h h titi 0 0 且且 h h titi h hi i ，h hti ti =h=hi i +h+hvivi 压入式通风的实质是使风机出口风流的能量增加，即出口风流的绝对压力压入式通风的实质是使风机出口风流的能量增加，即出口风流的绝对压力大于风机进口的压力大于风机进口的压力。抽出式通风（负压通风）：抽出式通风（负压通风）：风流中任一点的相对全压恒为负，对于抽出式风流中任一点的相对全
30、压恒为负，对于抽出式通风由于通风由于hti hti 和和 hi hi 为负，实际计算时取其绝对值进行计算。为负，实际计算时取其绝对值进行计算。P Ptiti and P and Pi i P Po io i h h titi 0 0 且且 h h titi h hi i ，但，但|h|h titi|h|hi i|实际应用中，因为负通风风流的相对全压和相对静压均为负值，故在计算实际应用中，因为负通风风流的相对全压和相对静压均为负值，故在计算过程中取其绝对值进行计算。过程中取其绝对值进行计算。即：即：|h hti ti|=|h|=|hi i|h hvivi 抽出式通风的实质是使风机入口风流的能量降
31、低，即入口风流的绝对压力抽出式通风的实质是使风机入口风流的能量降低，即入口风流的绝对压力小于风机出口的压力小于风机出口的压力。能量压力能量压力目录19hvhtb(-)hb(-)风流点压力间的关系风流点压力间的关系abPa真空真空P0Pbha(+)P0Ptahvhta(+)Ptb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能量压力能量压力目录20三、风流点压力的测定三、风流点压力的测定、矿井主要压力测定仪器仪表、矿井主要压力测定仪器仪表 （）绝对压力测量：空盒气压计、精密气压计、水银气压计等。（）绝对压力测量：空盒气压计、精密气压计、水银气压计等。（）压差及相
32、对压力测量：恒温气压计、（）压差及相对压力测量：恒温气压计、“”水柱计、补偿式水柱计、补偿式微压计、倾斜单管压差计。微压计、倾斜单管压差计。（）感压仪器：皮托管，承受和传递压力，（）感压仪器：皮托管，承受和传递压力，+-+-测压测压、压力测定、压力测定 （）绝对压力直接测量读数。（）绝对压力直接测量读数。（）相对静压（）相对静压(以如图正压通风为例以如图正压通风为例)（注意连接方法）：（注意连接方法）：hizP0 i能量压力能量压力目录21第三节第三节 矿井通风中的能量方程矿井通风中的能量方程 当空气在井巷中流动时，将会受到通风阻力的作用，消耗其能量；当空气在井巷中流动时，将会受到通风阻力的作
33、用，消耗其能量；为保证空气连续不断地流动，就必需有通风动力对空气作功，使为保证空气连续不断地流动，就必需有通风动力对空气作功，使得通风阻力和通风动力相平衡。得通风阻力和通风动力相平衡。一、空气流动连续性方程一、空气流动连续性方程 在矿井巷道中流动的风流是连续不断的介质，充满它所流经的空在矿井巷道中流动的风流是连续不断的介质，充满它所流经的空间。在间。在无点源或点汇无点源或点汇存在时，存在时，根据质量守恒定律根据质量守恒定律：对于稳定流，：对于稳定流，流入某空间的流体质量必然等于流出其的流体质量。流入某空间的流体质量必然等于流出其的流体质量。如图井巷中风流从如图井巷中风流从1 1断面流向断面流向
34、2 2 断面，作定常流动时，有：断面，作定常流动时，有：M Mi i=const=const V V1 1 S S1 1 V V S S 、2 2 1 1、2 2断面上空气的平均密度，断面上空气的平均密度，kg/mkg/m3 3；V V1 1,，V V2 21 1、2 2 断面上空气的平均流速，断面上空气的平均流速，m/sm/s；S S1 1、S S2 2 1 1、断面面积，、断面面积，m m2 2。能量方程能量方程目录22若若，则则 V V1 1 S S1 1 V V S S2 2 。对于不可压缩流体，通过任一断面的体积流量相等，即对于不可压缩流体，通过任一断面的体积流量相等，即Q=vQ=v
35、i iS Si i=const=const能量方程能量方程目录23二、可压缩流体的能量方程二、可压缩流体的能量方程能量方程表达了空气在流动过程中的压能、动能和位能的变化规律，能量方程表达了空气在流动过程中的压能、动能和位能的变化规律，是能量守恒和转换定律在矿井通风中的应用。是能量守恒和转换定律在矿井通风中的应用。（一）、单位质量（一）、单位质量(1kg)(1kg)流量的能量方程流量的能量方程 在井巷通风中，在井巷通风中，风流的能量风流的能量由由机械能机械能（静压能、动压能、位能静压能、动压能、位能）和）和内能内能组成，常用组成，常用1kg1kg空气或空气或1m1m3 3空气所具有的能量表示。空
36、气所具有的能量表示。机械能：机械能：静压能、动压能和位能之和。静压能、动压能和位能之和。内能：内能：风流内部所具有的风流内部所具有的分子内动能分子内动能与与分子位能分子位能之和。空气的内之和。空气的内能是空气状态参数的函数，即：能是空气状态参数的函数，即：u =fu =f（T T，P P）。能量分析）。能量分析z1z200p1、v1、u1p2、v2、u2qLRqR能量方程能量方程目录24风流静压的大小风流静压的大小P（可以用仪表测量）反映了单位体积风流（可以用仪表测量）反映了单位体积风流所具有的能够对外作功的静压能的多少，转化为单位质量的所具有的能够对外作功的静压能的多少，转化为单位质量的风流
37、所具有的静压能则为：风流所具有的静压能则为：任一断面风流总机械能：压能动能位能任一断面风流总机械能：压能动能位能任一断面风流总能量：压能动能位能内能，任一断面风流总能量：压能动能位能内能，所以，对单位质量流体有：所以，对单位质量流体有：112111u.2vP:11Zg断面总能量222222u.2vP:22Zg断面总能量/1能量方程能量方程目录25（二）、单位体积（二）、单位体积(1m(1m3 3)流量的能量方程流量的能量方程我国矿井通风中习惯使用单位体积（我国矿井通风中习惯使用单位体积（1m1m3 3）流体的能量方程。在考虑空气的可压缩）流体的能量方程。在考虑空气的可压缩性时，那么性时，那么1
38、m1m3 3 空气流动过程中的能量损失（空气流动过程中的能量损失（h hR R，J/mJ/m3 3（PaPa），即通风阻力）可），即通风阻力）可由由1kg1kg空气流动过程中的能量损失（空气流动过程中的能量损失（L LR R J/Kg J/Kg）乘以按流动过程状态考虑计算的空）乘以按流动过程状态考虑计算的空气密度气密度 m m，即，即：h hR R=L=LR R.m m；则单位体积则单位体积(1m(1m3 3)流量的能量方程的书写形式为流量的能量方程的书写形式为：NoImage能量方程能量方程目录26NoImage补充：国内最常用的公式：补充：国内最常用的公式：能量方程能量方程目录27（三）、
39、关于能量方程使用的几点说明（三）、关于能量方程使用的几点说明1.1.能量方程的意义是，表示能量方程的意义是，表示1kg1kg（或（或1m1m3 3）空气由）空气由1 1断面流向断面流向2 2断面的过程中断面的过程中所消耗的能量（通风阻力），等于流经所消耗的能量（通风阻力），等于流经1 1、2 2断面间空气总机械能（静压断面间空气总机械能（静压能、动压能和位能）的变化量。能、动压能和位能）的变化量。2.2.风流流动必须是稳定流，即断面上的参数不随时间的变化而变化；所风流流动必须是稳定流，即断面上的参数不随时间的变化而变化；所研究的始、末断面要选在缓变流场上。研究的始、末断面要选在缓变流场上。3.
40、3.风流总是从总能量（机械能）大的地方流向总能量小的地方。在判断风流总是从总能量（机械能）大的地方流向总能量小的地方。在判断风流方向时，应用始末两断面上的总能量来进行，而不能只看其中的某风流方向时，应用始末两断面上的总能量来进行，而不能只看其中的某一项。如不知风流方向，列能量方程时，一项。如不知风流方向，列能量方程时，应先假设风流方向应先假设风流方向，如果计算，如果计算出的能量损失（通风阻力）出的能量损失（通风阻力）为正为正，说明风流方向假设正确；如果，说明风流方向假设正确；如果为负为负，则风流方与假设相反。则风流方与假设相反。4.4.正确选择求位能时的基准面。正确选择求位能时的基准面。能量方
41、程能量方程目录285.5.在始、末断面间有压源时，在始、末断面间有压源时，压源的作用方向与风流的方向一致，压压源的作用方向与风流的方向一致，压源为正源为正，说明压源对风流做功，说明压源对风流做功；如果两者方向相反，压源为负；如果两者方向相反，压源为负，则，则压源成为通风阻力。压源成为通风阻力。.应用能量方程时要注意各项单位的一致性。应用能量方程时要注意各项单位的一致性。7 7、对于流动过程中流量发生变化，则按总能量守恒与转换定律列方程、对于流动过程中流量发生变化，则按总能量守恒与转换定律列方程 NoImage312能量方程能量方程目录29第四节第四节 能量方程在矿井通风中的应用能量方程在矿井通
42、风中的应用一、水平风道的通风能量（压力）坡度线一、水平风道的通风能量（压力）坡度线（一）、（一）、能量（压力）坡度线的作法能量（压力）坡度线的作法 能量（压力）坡度线的意义：掌握能量（压力）沿程变化情况；通风能量（压力）与通风阻力之间的相互关系以及相互转化；有利于通风管理。012345678910扩散器扩散器通风机通风机如图所示的通风机水平风道系统，绘制能量（压力）坡度线。如图所示的通风机水平风道系统，绘制能量（压力）坡度线。、风流的边界条件、风流的边界条件 入口断面处：入口断面处：Ptin=P0，所以，所以，htin=0，hin=-hvin；出口断面处出口断面处：Pex=P0，所以，所以，h
43、ex=0，htex=hvex；矿井应用矿井应用目录30hv1012345678910P0压力压力Pa流程流程扩散器扩散器P真空真空P1静压坡度线静压坡度线全压坡度线全压坡度线12345678910、作图步骤、作图步骤）、以纵坐标为压力（相对压力或绝对压力），横坐标为风流流程。）、以纵坐标为压力（相对压力或绝对压力），横坐标为风流流程。）、根据边界条件确定起始点位置。）、根据边界条件确定起始点位置。）、将各测点的相对静压和相对全压与其流程的关系描绘在坐标）、将各测点的相对静压和相对全压与其流程的关系描绘在坐标）、最后将图上的同名参数点用直线或曲线连接起来，就得到所要绘）、最后将图上的同名参数点用
44、直线或曲线连接起来，就得到所要绘制的能量（压力）坡度线。制的能量（压力）坡度线。矿井应用矿井应用目录313、扩散器回收动能（相对静压为负值）、扩散器回收动能（相对静压为负值）hv=hvexhvex hRd 合理合理 hv=hvexhvex hR910，则，则，h9=hR910（hv9hv10）h90 （为负值）（为负值）（三）、通风机全压（三）、通风机全压（Ht）1、通风机全压的概念、通风机全压的概念 Ht=Pt6Pt5 2、通风机全压、通风机全压Ht与风道通风阻力、出口动能损失的关系与风道通风阻力、出口动能损失的关系 hR610=Pt6Pt10 Pt6=hR610Pt10，hR05=Pt0P
45、t5 Pt5=Pt0hR05，Ht=Pt6Pt5=hR610Pt10（Pt0hR05）=hR610P0hv10（P0hR05）=hR610hv10hR05 Ht=hR010hv10 Hs=hR010,Ht=Hs hv10 b、压入段压入段 求求i断面至出口断面的通风阻力：断面至出口断面的通风阻力：hRi10 =htiht10 =hti hv10 求任意两断面（求任意两断面（i、j）的通风阻力）的通风阻力：hRij =PtiPtj=htihtj 10（一）、能量（压力）坡度线的作法（一）、能量（压力）坡度线的作法（二）、能量（压力）坡度线的分析（二）、能量（压力）坡度线的分析 1、通风阻力与能量
46、（压力）坡度线关系、通风阻力与能量（压力）坡度线关系 任意两断面间的通风阻力就等于两断任意两断面间的通风阻力就等于两断面的面的 全压差：全压差：a、抽出段抽出段 求入口断面至求入口断面至i断面的通风阻力：断面的通风阻力：hR0i =ht0hti =hti 求任意两断面（求任意两断面（i、j）的通风阻力）的通风阻力：hRij =PtiPtj=htihtj =|htj|hti|NoImage0 1234 56 789P01234 567891002、能量（压力）坡度线直观明了地表达、能量（压力）坡度线直观明了地表达了风流流动过程中的能量变化。了风流流动过程中的能量变化。绝对绝对全压全压（相对全压）
47、沿程是（相对全压）沿程是逐渐减小逐渐减小的；的；绝对绝对静压静压（相对静压）沿程分布是（相对静压）沿程分布是随动随动压的大小变化而变化压的大小变化而变化。9910相对静压的负值越大，其扩散器回收动能的效果越好相对静压的负值越大，其扩散器回收动能的效果越好。矿井应用矿井应用目录32两个特例两个特例：a a）、无正压通风段（）、无正压通风段（6 6断面直接通大气断面直接通大气）通风机全压仍为：通风机全压仍为：H Ht t=P=Pt6t6P Pt5t5 P Pt5t5=P=Pt th hR R5 5 ；P Pt6t6=P=P0 0h hv6v6 H Ht t=h=hR R5 5h hv6v6b b）
48、、无负压通风段（）、无负压通风段（断面直接通大气断面直接通大气）P Pt6t6=h=hR6R61010P Pt10t10，P Pt10t10=P=P0 0h hv10v10；P Pt5t5=P=P0 0 H Ht t=h=hR6R61010h hv10v10 无论通风机作何种工作方式，通风机的全压都是用于克服风道的无论通风机作何种工作方式，通风机的全压都是用于克服风道的通风阻力和出口动能损失；其中通风机静压用于克服风道的通风通风阻力和出口动能损失；其中通风机静压用于克服风道的通风阻力。阻力。抽出式通风方式抽出式通风方式压入式通风方式压入式通风方式5066510矿井应用矿井应用目录33二、通风系
49、统风流能量（压力）坡度线二、通风系统风流能量（压力）坡度线(一一)通风系统风流能量（压力）坡度线通风系统风流能量（压力）坡度线 绘制矿井通风系统的能量（压力）坡度线绘制矿井通风系统的能量（压力）坡度线(一般用绝对压力一般用绝对压力)的的方法：方法：是沿风流流程布设若干测点，测出各点的绝对静压、风速、温度、湿是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（纵坐标）（纵坐标）风流流程（横坐标）坐标图上描出各测点，将同风流流程（横坐标）坐标图上描出各测点，将同名参数点用折
50、线连接起来，即是所要绘制的通风系统风流能量（压力）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。坡度线。矿井应用矿井应用目录34b0c0d0a1a2b2c2a0(a)b(b1)c(c1)dd1d2P0Pa压压能能eEP01EP04HNHt、能量（压力）坡度线（、能量（压力）坡度线（a-b-c-d）清楚地反映了风流在流动过程）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中，沿程各断面上全能量与通风阻力hR之间的关系。之间的关系。全能量沿程逐渐下降，从入风口至某断面的通风阻力就等于该断面全能量沿程逐渐下降，从入风口至某断面的通风阻力就等于该断面上全能量的下降值
