1、王德明王德明 周福宝周福宝 魏连江魏连江 安全工程学院安全工程学院 Mine Ventilation and Safety中国矿业大学多媒体教学课件第第2章章 矿内空气动力学基础矿内空气动力学基础中国矿业大学多媒体教学课件上一章内容上一章内容 第第1章章 矿内空气矿内空气 1.1 1.1 矿内空气成分及其基本性质矿内空气成分及其基本性质 1.2 1.2 矿内空气的主要物理参数矿内空气的主要物理参数 1.3 1.3 矿井气候矿井气候 1.4 1.4 矿内空气的热力变化过程矿内空气的热力变化过程 1.5 1.5 实际气体的状态方程实际气体的状态方程上一章内容上一章内容矿内空气主要成分及其性质矿内空
2、气主要成分及其性质 第第2章章 矿内空气动力学基础矿内空气动力学基础 根据能量平衡及转换定律，结合矿井风流根据能量平衡及转换定律，结合矿井风流的特点，分析矿井风流任一断面上的机械能和的特点，分析矿井风流任一断面上的机械能和风流沿井巷运动的能量变化规律及其应用，为风流沿井巷运动的能量变化规律及其应用，为以后章节提供理论基础。以后章节提供理论基础。第第2章章 矿内空气动力学基础矿内空气动力学基础 2.1 流体的概念流体的概念 2.2 风流能量与能量方程风流能量与能量方程 2.3 风流压力及压力坡度风流压力及压力坡度 学习目标、重点与难点学习目标、重点与难点2.1 流体的概念流体的概念 流体流体是一
3、种受任何微小剪切力作用时都能连续变形的物是一种受任何微小剪切力作用时都能连续变形的物质。流体可分为液体和气体。质。流体可分为液体和气体。气体气体的分子分布比液体分子相距大约的分子分布比液体分子相距大约10103 3倍。气体的分子倍。气体的分子距很大，分子间的吸引力很小，因而，气体分子可以自距很大，分子间的吸引力很小，因而，气体分子可以自由运动，故气体极易变形和流动，而且总是充满它所能由运动，故气体极易变形和流动，而且总是充满它所能够达到的全部空间。够达到的全部空间。液体液体的分子距较小，分子间的吸引力较大，在周围分子的分子距较小，分子间的吸引力较大，在周围分子的作用下，液体分子能够在其他分子间
4、移动，但不能像的作用下，液体分子能够在其他分子间移动，但不能像气体分子那样自由运动，所以，液体的流动性不如气体。气体分子那样自由运动，所以，液体的流动性不如气体。此外，一定质量的液体具有一定的体积，并取容器的形此外，一定质量的液体具有一定的体积，并取容器的形状，但不像气体那样能够充满全部空间。状，但不像气体那样能够充满全部空间。流体具有流动性，两层流体以一定速度作相对运动时，在两流体具有流动性，两层流体以一定速度作相对运动时，在两层的交界面上就要产生内摩擦力，这种内摩擦力阻碍各层的层的交界面上就要产生内摩擦力，这种内摩擦力阻碍各层的流动。流体中的内摩擦力又叫粘滞力，决定它的因素很复杂，流动。流
5、体中的内摩擦力又叫粘滞力，决定它的因素很复杂，因此就造成了研究液体运动时的很大困难，为了简化问题，因此就造成了研究液体运动时的很大困难，为了简化问题，假定在流体运动中并无内摩擦力的存在。假定在流体运动中并无内摩擦力的存在。一般来说，流体是可以压缩的，当压力改变时其体积就要改一般来说，流体是可以压缩的，当压力改变时其体积就要改变，因而密度也随之必变。这也增加了研究问题时的复杂性，变，因而密度也随之必变。这也增加了研究问题时的复杂性，为此，又假定流体是不可压缩的。为此，又假定流体是不可压缩的。这种既没有内摩擦又没有压缩性的流体，叫做理想流体。真实流体真实流体都是有粘性的，在研究过程中，首先以理想流
6、体代替真实流体，以便清晰揭示流体主要运动特性；然后，再根据需要考虑粘性的影响。因此，理想流体是为便于解决实际问题对于真实流体所作的一种抽象。2.2 风流能量与能量方程风流能量与能量方程 2.2.1 风流能量风流能量 2.2.2 不可压缩流体的能量方程不可压缩流体的能量方程 2.2.3 可压缩风流能量方程可压缩风流能量方程 2.2.4 关于能量方程使用的几点说明关于能量方程使用的几点说明2.2 风流能量与能量方程风流能量与能量方程 2.2.1 风流能量风流能量 矿井通风是典型的稳定流，风流沿着一维的巷道连续矿井通风是典型的稳定流，风流沿着一维的巷道连续的流动。在这个流动中涉及到了能量的转移和消耗
7、，。的流动。在这个流动中涉及到了能量的转移和消耗，。能量的改变是我们计算风量和通风压力等通风工程中能量的改变是我们计算风量和通风压力等通风工程中重要参数的基础。重要参数的基础。在井巷中，任一断面上的能量（机械能）都由位能、在井巷中，任一断面上的能量（机械能）都由位能、压能和动能三部分组成。压能和动能三部分组成。假设从风流中任取一质量为假设从风流中任取一质量为m，速度为，速度为u，相对高度为，相对高度为Z，大气压为，大气压为P的控制体。的控制体。现在用外力对该控制体做多少功来衡量这三种机械能现在用外力对该控制体做多少功来衡量这三种机械能的大小。的大小。2.2.1 风流能量风流能量 1 1、位能（
8、势能）、位能（势能）物体在地球重力场中因受地球引力的作用，由于相对位置不物体在地球重力场中因受地球引力的作用，由于相对位置不同而具有的一种能量叫重力位能，简称位能，用同而具有的一种能量叫重力位能，简称位能，用E Ep0p0表示。任表示。任何标高都可用作位能的基点。在矿井中，不同的地点标高不何标高都可用作位能的基点。在矿井中，不同的地点标高不同，则位能不一样。假设质量为同，则位能不一样。假设质量为 m m 的物体位于基点上，其势的物体位于基点上，其势能为能为0 0，当我们施加其一个能克服重力向上的力，当我们施加其一个能克服重力向上的力F F，向上运动。，向上运动。F F=mgmg ，N N 式中
9、式中 g g 为重力加速度。为重力加速度。当向上移动到高于基点当向上移动到高于基点 Z Z（m m）时，做的功为）时，做的功为 ，J J 这就给出了物体在这就给出了物体在Z Z高度上的位能。高度上的位能。0PWEmgZ2.2.1 风流能量风流能量 2、静压能（流动功）、静压能（流动功）由分子热运动产生的分子动能的一部分转化过来的能量，并由分子热运动产生的分子动能的一部分转化过来的能量，并且能够对外做功的机械能叫静压能，用且能够对外做功的机械能叫静压能，用Ep表示。表示。如下图所示，有一两端开口的水平管道，断面积为如下图所示，有一两端开口的水平管道，断面积为A，在其中，在其中放入体积为放入体积为
10、V，质量为，质量为m的单元流体的单元流体,使其从左向右流动，即使其从左向右流动，即使不考虑磨擦阻力，由于管道中存在压力使不考虑磨擦阻力，由于管道中存在压力P，单元体的运动就，单元体的运动就会有阻力，因此必须施加一个力会有阻力，因此必须施加一个力F克服这个阻力，单元体才会克服这个阻力，单元体才会运动。当该力使单元体移动一段距离运动。当该力使单元体移动一段距离s后，就做了功。后，就做了功。管道内对滑块做的流动功管道内对滑块做的流动功 2、静压能（流动功）、静压能（流动功）为平衡管道内的压力，施加的力为为平衡管道内的压力，施加的力为 F=PA，N 做的功为做的功为 ，J又又AS是流体的体积是流体的体
11、积V，所以，所以 根据密度的定义根据密度的定义 =m/V，kg/m3 或者或者 V=m/则对该单元体做的流动功为则对该单元体做的流动功为 ，（，（J）（2-6）或者或者 ，（J/kg）（2-7）当流体在管道中连续流动时，压力就必须对流体连续做功当流体在管道中连续流动时，压力就必须对流体连续做功,此此时的压力就称为压能，所做的功为流动功。上式就是单位质时的压力就称为压能，所做的功为流动功。上式就是单位质量流体的静压能表达式。量流体的静压能表达式。pWEPASpWEPVpWEPmpWEP2.2.1 风流能量风流能量 3 3、动能、动能 当空气流动时，除了位能和静压能外，还有空气定向运动的当空气流动
12、时，除了位能和静压能外，还有空气定向运动的动能，用动能，用 表示。如果我们对一个质量为表示。如果我们对一个质量为m m的物体施加大的物体施加大小为小为F F的外力，使其从静止以加速度的外力，使其从静止以加速度a a做匀加速运动，在做匀加速运动，在t t时刻时刻速度达到速度达到u u，则其平均速度为：，则其平均速度为：，m/sm/s 此时，物体运动的距离此时，物体运动的距离L L为：为：，m m 根据加速度根据加速度a a的定义：的定义：，m/s2m/s2 施加的外力施加的外力 ，N N 所以，使物体从静止加速到速度所以，使物体从静止加速到速度u u，外力对其做的功为：，外力对其做的功为：，Nm
13、 Nm 或或 J J 这就是质量为这就是质量为 m m 的物体所具有的动能为的物体所具有的动能为 J JvE022uu22uutLt uatumuFmtt222vmuumuWEtt 2.2 风流能量与能量方程风流能量与能量方程 2.2.2 不可压缩流体的能量方程不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，是能量守恒的转换定律在矿井通风中的应用。化规律，是能量守恒的转换定律在矿井通风中的应用。假设空气不可压缩，则在井下巷道内流动空气的任意断面，假设空气不可压缩，则在井下巷道内流动空气的任意断面，它的总能量
14、都等于动能、位能和静压能之和。它的总能量都等于动能、位能和静压能之和。现有空气在一巷道内流动，考虑到在任意两点间的能量变化，现有空气在一巷道内流动，考虑到在任意两点间的能量变化，如图如图2-2-2。内能的变化和其他形式的能量变化相比是非常小。内能的变化和其他形式的能量变化相比是非常小的，所以忽略不计，又因为外加的机械能通常单独考虑，撇的，所以忽略不计，又因为外加的机械能通常单独考虑，撇开这些因素，在图中开这些因素，在图中1点的总能量等于点的总能量等于2点的总能量与点的总能量与12之之间损失的能量之和，如果用间损失的能量之和，如果用U1和和U2分别表示分别表示1点和点和2点的总能点的总能量，量，
15、h1-2表示表示1点到点到2点的能量损失，则有下式：点的能量损失，则有下式：121 2UUh2.2 风流能量与能量方程风流能量与能量方程又又 ，所以可以得出：所以可以得出：（2-2-1）如果我们认为空气是不可压缩的，此时有：如果我们认为空气是不可压缩的，此时有：所以（所以（2-2-1）式变为：）式变为：这里的是这里的是 动能，是动能，是 Zg 位能，是位能，是 流动功（静压能），流动功（静压能），h1-2是能是能量损失。量损失。2111112uPUZ g2222222uPUZ g221122121 21222uPuPZ gZ gh12221212121 22uuPPZZgh22uP121 2U
16、Uh如果在方程两边同乘以如果在方程两边同乘以，那么（，那么（2-2-1）式变为：）式变为：或者或者 这就是不可压缩单位质量流体常规的伯努力方程表达式。这就是不可压缩单位质量流体常规的伯努力方程表达式。221212121 22uuPPZZgh221211221 222uuZ gPZ gPh221 21212122hPPuugZZ2.2 风流能量与能量方程风流能量与能量方程 2.2.3 可压缩风流能量方程可压缩风流能量方程 在矿井通风系统中，严格地说空气的密度是变化的，在矿井通风系统中，严格地说空气的密度是变化的，即矿井风流是可压缩的。当外力对它做功增加其机械即矿井风流是可压缩的。当外力对它做功增
17、加其机械能的同时，也增加了风流的内能的同时，也增加了风流的内(热热)能。因此，在研究能。因此，在研究矿井风流流动时，风流的机械能加上其内矿井风流流动时，风流的机械能加上其内(热热)能才能能才能使能量守恒及转换定律成立。使能量守恒及转换定律成立。1、可压缩空气单位质量流体的能量方程、可压缩空气单位质量流体的能量方程 前面已经介绍理想风流的能量由静压能、动能和位能前面已经介绍理想风流的能量由静压能、动能和位能组成，当考虑到空气的可压缩性时，空气的内能就必组成，当考虑到空气的可压缩性时，空气的内能就必须包括在风流的能量中，用须包括在风流的能量中，用Ek表示表示1 kg空气所具有空气所具有的内能，的内
18、能，J/kg。如图如图2-2-2所示的在所示的在1断面上，断面上，1kg空气所具有的能量为：空气所具有的能量为：风流流经风流流经12断面间，到达断面间，到达2断面时的能量为：断面时的能量为：1 kg的空气由的空气由1断面流至断面流至2断面的过程中，克服流动阻力消耗的能量为断面的过程中，克服流动阻力消耗的能量为(J/kg)这部分被消耗的能量将转化成热能这部分被消耗的能量将转化成热能(J/kg)，仍存在于空气中，仍存在于空气中；另；另外还有地温外还有地温(通过井巷壁面或淋水等其他途径通过井巷壁面或淋水等其他途径)、机电设备等传给、机电设备等传给1 kg空气空气的热量为的热量为q(J/kg)；这些热
19、量将增加空气的内能并使空气膨胀做功；假设；这些热量将增加空气的内能并使空气膨胀做功；假设12断面间无其他动力源（如局部通风机）。断面间无其他动力源（如局部通风机）。2111112kuPZ gE2222222kuPZ gE 通过上面的分析，则（通过上面的分析，则（2-2-1）式可变为：）式可变为：即：即：,J/kg 2-2-4 式（式（2-2-4）就是单位质量可压缩空气在无压源的井巷中流动）就是单位质量可压缩空气在无压源的井巷中流动时能量方程的一般表达式。如果图时能量方程的一般表达式。如果图2-2-2中中1、2断面间有压源断面间有压源（如局部通风机）（如局部通风机）（J/kg）存在，则能量方程为
20、：）存在，则能量方程为：,J/kg（2-2-5）22112211221 21222kRkuPuPZ gEqqZ gEh2212121 212121222kkRuuPPhg ZZEEqq2212121 21212t12 22kkRuuPPhg ZZEEqqL 2、可压缩空气单位体积流体的能量方程、可压缩空气单位体积流体的能量方程 上面我们详细讨论了单位质量流体的能量方程，但在我国矿上面我们详细讨论了单位质量流体的能量方程，但在我国矿井通风中习惯使用单位体积（井通风中习惯使用单位体积（1 m3）流体的能量方程。在考）流体的能量方程。在考虑空气的压缩性时，虑空气的压缩性时，1 m3 空气流动过程中的
21、能量损失，即通空气流动过程中的能量损失，即通风阻力（风阻力（J/m3或者或者Pa），可由），可由1 kg空气流动过程中的能量损空气流动过程中的能量损失（）乘以失（）乘以1、2断面间按状态过程考虑的的空气平均密度，断面间按状态过程考虑的的空气平均密度，即；并将式（即；并将式（2-2-4）和式（）和式（2-2-5）代入得：）代入得：，J/m3 （2-2-6），J/m3 （2-2-7）式（式（2-2-6）和式（）和式（2-2-7）就是可压缩空气单位体积流体的能）就是可压缩空气单位体积流体的能量方程，其中式（量方程，其中式（2-2-7）是有压源（）是有压源（Ht）时的能量方程。）时的能量方程。2212
22、1 2121222mmuuhPPgZZ22121 2121222mmtuuhPPgZZH2.2 风流能量与能量方程风流能量与能量方程 2.2.4 2.2.4 关于能量方程使用的几点说明关于能量方程使用的几点说明 从能量方程的推导过程可知，方程是在一定的条件下导出的，从能量方程的推导过程可知，方程是在一定的条件下导出的，并对它做了适当的简化。因此，在应用能量方程时应根据矿并对它做了适当的简化。因此，在应用能量方程时应根据矿井的实际条件，正确理解能量方程中各参数的物理意义，灵井的实际条件，正确理解能量方程中各参数的物理意义，灵活应用。活应用。(1)(1)能量方程的意义是，表示能量方程的意义是，表示
23、1 kg(1 kg(或或1 m3)1 m3)空气由空气由1 1断面流向断面流向2 2断面的过程中所消耗的能量断面的过程中所消耗的能量(通风阻力通风阻力)等于流经等于流经1 1、2 2断面间断面间空气总机械能空气总机械能(静压能、动压能和位能静压能、动压能和位能)的变化量。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。化而变化；所研究的始、末断面要选在缓变流场上。(3)(3)风流总是从总能量风流总是从总能量(机械能机械能)大的地方流向总能量小的地大的地方流向总能量小的地方。在判断
24、风流方向时，应用始末两断面上的总能量来进行，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一项。如不知风流方向，列能量方程时，而不能只看其中的某一项。如不知风流方向，列能量方程时，应先假设风流方向，如果计算出的能量损失应先假设风流方向，如果计算出的能量损失(通风阻力通风阻力)为正，为正，说明风流方向假设正确；如果为负，则风流方向假设错误。说明风流方向假设正确；如果为负，则风流方向假设错误。(4)(4)正确选择基准面。正确选择基准面。(5)(5)在始、末断面间有压源时，压源的作用方向与风流的方在始、末断面间有压源时，压源的作用方向与风流的方向一致，压源为正，说明压源对风
25、流做功；如果两者方向相向一致，压源为正，说明压源对风流做功；如果两者方向相反，压源为负，则压源成为通风阻力。反，压源为负，则压源成为通风阻力。(6)(6)单位质量或单位体积流量的能量方程只适用单位质量或单位体积流量的能量方程只适用1 1、2 2断面间断面间流量不变的条件，对于流动过程中有流量变化的情况，应按流量不变的条件，对于流动过程中有流量变化的情况，应按总能量的守恒与转换定律列方程。如图总能量的守恒与转换定律列方程。如图2-2-32-2-3所示的情况，当所示的情况，当 时：时：(7)(7)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。2111111223222
26、22233333212313222mmmmmRRvQZ gPvvQZ gPmQZ gPQhQh123QQQ2.3 风流压力及压力坡度风流压力及压力坡度 2.3.1 压力的基本概念压力的基本概念 2.3.2 风流点压力及其相互关系风流点压力及其相互关系 2.3.3 压力坡度压力坡度2.3 风流压力及压力坡度风流压力及压力坡度 2.3.1 压力的基本概念压力的基本概念 空气受到重力作用空气受到重力作用,而且空气能流动而且空气能流动,因此空气内部向各因此空气内部向各个方向都有压强（单位面积上的压力）个方向都有压强（单位面积上的压力）,这个压强在矿这个压强在矿井通风中习惯称为压力，也称为静压，用符号井
27、通风中习惯称为压力，也称为静压，用符号P表示。表示。它是空气分子热运动对器壁碰撞的宏观表现。其大小它是空气分子热运动对器壁碰撞的宏观表现。其大小取决于在重力场中的位置取决于在重力场中的位置(相对高度相对高度)、空气温度、湿、空气温度、湿度度(相对湿度相对湿度)和气体成分等参数。和气体成分等参数。由于无数个空气分子作无规则的热运动，不断地与器壁由于无数个空气分子作无规则的热运动，不断地与器壁(或井壁或井壁或巷道壁或巷道壁)相碰撞，平均起来对任何方向的撞击次数是相等的，相碰撞，平均起来对任何方向的撞击次数是相等的，故器壁各面上所受的压力也是相等的，即各向同值。同理，由故器壁各面上所受的压力也是相等
28、的，即各向同值。同理，由于是无规则的分子热运动，平均起来使各个分子对器壁撞击力于是无规则的分子热运动，平均起来使各个分子对器壁撞击力的合力垂直于器壁，因此空气的压力是垂直于器壁的。的合力垂直于器壁，因此空气的压力是垂直于器壁的。根据上面的分析，空气的压力可用下式表示：根据上面的分析，空气的压力可用下式表示：式中式中 n单位体积内的空气分子数；单位体积内的空气分子数；分子平移运动的平均动能。分子平移运动的平均动能。上式阐述了气体压力的本质，是气体分子运动的基本公式之一。上式阐述了气体压力的本质，是气体分子运动的基本公式之一。22132Pnmv212mv 空气压力大小就表示单位体积空气所具有的机械
29、能量的大小。空气压力大小就表示单位体积空气所具有的机械能量的大小。空气压力的大小可以用仪表测定。空气压力的大小可以用仪表测定。压力的单位为压力的单位为Pa(帕斯卡，帕斯卡，1 Pa1 N/m2)，压力较大时可采，压力较大时可采用用kPa(1 kPa103Pa)、MPa(1 MPa103 kPa106 Pa)。在地球引力场中的大气由于受分子热运动和地球重力场引力在地球引力场中的大气由于受分子热运动和地球重力场引力的综合作用，空气的压力在不同标高处其大小是不同的；也的综合作用，空气的压力在不同标高处其大小是不同的；也就是说空气压力还是位置的函数，它服从玻耳兹曼分布规律：就是说空气压力还是位置的函数
30、，它服从玻耳兹曼分布规律：(式中，式中，为空气的摩尔质量，为空气的摩尔质量，28.97 kg/kmol；g为重力加速为重力加速度，度，m/s2；z为海拔高度，为海拔高度，m，海平面以上为正，反之为负；，海平面以上为正，反之为负；R0为通用气体常数；为通用气体常数；T为空气的绝对温度，为空气的绝对温度，K；P0为海平面处为海平面处的大气压，的大气压，Pa)。00expgzPPR T2.3 风流压力及压力坡度风流压力及压力坡度 2.3.2 风流点压力及其相互关系风流点压力及其相互关系 1、风流点压力、风流点压力 风流的点压力是指在井巷和通风管道风流中某个点的压力，风流的点压力是指在井巷和通风管道风
31、流中某个点的压力，就其形成的特征来说，可分为静压、动压和全压就其形成的特征来说，可分为静压、动压和全压(风流中某一风流中某一点的静压和动压之和称为全压点的静压和动压之和称为全压)。根据压力的两种计算基准，。根据压力的两种计算基准，某点某点i的静压又分为绝对静压的静压又分为绝对静压(Pi)和相对静压（和相对静压（hi），同理，全），同理，全压也可分绝对全压压也可分绝对全压(Pti)和相对全压（和相对全压（hti）。）。在图在图2-3-1的通风管道中，的通风管道中，a图为压入式通风，在压入式通风时，图为压入式通风，在压入式通风时，风筒中任一点风筒中任一点i的相对全压恒为正值，所以称之为正压通风，的
32、相对全压恒为正值，所以称之为正压通风，b图为抽出式通风，在抽出式通风时，除风筒的风流入口断面图为抽出式通风，在抽出式通风时，除风筒的风流入口断面的相对全压为零外，风筒内任一点的相对全压为零外，风筒内任一点i的相对全压恒为负值，故的相对全压恒为负值，故又称为负压通风。又称为负压通风。在风筒中，断面上的风速分布是不均匀的，一般中心风速大，在风筒中，断面上的风速分布是不均匀的，一般中心风速大，随距中心距离增大而减小。因此，在断面上相对全压是变化随距中心距离增大而减小。因此，在断面上相对全压是变化的。的。无论是压入式还是抽出式，其绝对全压均可用下式表示：无论是压入式还是抽出式，其绝对全压均可用下式表示
33、：（2-3-2）式中式中 Pti风流中风流中i点的绝对全压，点的绝对全压，Pa；Pi风流中风流中i点的绝对静压，点的绝对静压，Pa；hvi风流中风流中i点动压，点动压，Pa。由于由于hvi 0，故由（，故由（2-3-2）可得，风流中任一点（无论是压入式还是抽出）可得，风流中任一点（无论是压入式还是抽出式）的绝对全压恒大于其绝对静压：式）的绝对全压恒大于其绝对静压：（2-3-3）风流中任一点的相对全压为：风流中任一点的相对全压为：（2-3-4）式中式中 P0i当时当地与风道中当时当地与风道中i点同标高的大气压，点同标高的大气压，Pa。在压入式风道中（在压入式风道中（）在抽出式风道中（在抽出式风道
34、中（）tviiiPPhtiiPPvtiioihPP0tiiPPtt0iioihPP0tiiPPtt0iioihPP 由此可见，风流中任一点的相对全压有正负之分，它由此可见，风流中任一点的相对全压有正负之分，它与通风方式有关。与通风方式有关。而对于风流中任一点的相对静压，其正负不仅与通风而对于风流中任一点的相对静压，其正负不仅与通风方式有关，还与风流流经的管道断面变化有关。方式有关，还与风流流经的管道断面变化有关。在抽出式通风中其相对静压总是小于零在抽出式通风中其相对静压总是小于零(负值负值)；在压；在压入式通风中，一般情况下，其相对静压是大于零入式通风中，一般情况下，其相对静压是大于零(正正值
35、值)，但在一些特殊的地点其相对静压可能出现小于，但在一些特殊的地点其相对静压可能出现小于零零(负值负值)的情况，如在通风机出口的扩散器中的相对的情况，如在通风机出口的扩散器中的相对静压一般应为负值，对此在学习中应给予注意。静压一般应为负值，对此在学习中应给予注意。2、风流点压力的测定、风流点压力的测定 测定风流点压力的常用仪器是压差计和皮托管。测定风流点压力的常用仪器是压差计和皮托管。压差计是度量压力差或相对压力的仪器。在矿井压差计是度量压力差或相对压力的仪器。在矿井通风中测定较大压差时，常用通风中测定较大压差时，常用U型水柱计；测值较小型水柱计；测值较小或要求测定精度较高时，则用各种倾斜压差
36、计或补偿或要求测定精度较高时，则用各种倾斜压差计或补偿式微压计；现在，一些先进的电子微压计正在进入通式微压计；现在，一些先进的电子微压计正在进入通风测定中。风测定中。皮托管是一种测压管，它是承受和传递压力的工具。它由两皮托管是一种测压管，它是承受和传递压力的工具。它由两个同心管（一般为圆形）组成，其结构如图个同心管（一般为圆形）组成，其结构如图2-3-2所示。尖端所示。尖端孔口孔口a与标着（十）号的接头相通，侧壁小孔与标着（十）号的接头相通，侧壁小孔b与标着（一）与标着（一）号的接头相通。号的接头相通。下面以图下面以图2-3-3所示的抽出式通风风筒中所示的抽出式通风风筒中i点的相对静点的相对静
37、压测定为例，说明风流点压力的测定原理。压测定为例，说明风流点压力的测定原理。其测定的布置如图其测定的布置如图2-3-3所示，皮托管的（一）接头所示，皮托管的（一）接头用胶皮管连在用胶皮管连在U型水柱计上，水柱计的压差为型水柱计上，水柱计的压差为h。以。以水柱计的等压面水柱计的等压面0-0为基准面。设为基准面。设i点至基准面的高度点至基准面的高度为为z，胶皮管内的空气平均密度为，胶皮管外的空气，胶皮管内的空气平均密度为，胶皮管外的空气平均密度为；与平均密度为；与i点同标高的大气压。点同标高的大气压。则水柱计等压面则水柱计等压面0-0两侧的受力分别为：两侧的受力分别为：水柱计左边等压面上受到的力：
38、水柱计左边等压面上受到的力：水柱计右边等压面上受到的力：水柱计右边等压面上受到的力：由等压面的定义得：由等压面的定义得：设设 ，且忽略，且忽略 这一微小量，经整理得：这一微小量，经整理得：由此可见，这样测定的由此可见，这样测定的h值就是值就是i点的相对静压。试问在测定中，点的相对静压。试问在测定中，水柱计的放置位置是否对测值水柱计的放置位置是否对测值h有影响，请读者考虑。有影响，请读者考虑。0mPgzimPg zhh0mimPgzPg zhhmmmgh0ihPP 3、风流点压力的相互关系、风流点压力的相互关系 由上面讨论可知，风流中任一点由上面讨论可知，风流中任一点i的动压、绝对静压和绝对全的
39、动压、绝对静压和绝对全压的关系为：压的关系为：（2-3-5）hti、hi和和hvi三者之间的关系为：三者之间的关系为：（2-3-6）由式（由式（2-3-5）可知。无论是压入式还是抽出式通风，任一点）可知。无论是压入式还是抽出式通风，任一点风流的相对全压总是等于相对静压与动压的代数和。风流的相对全压总是等于相对静压与动压的代数和。对于抽出式通风，式（对于抽出式通风，式（2-3-5）可以写成：）可以写成：（2-3-7）在实际应用中，习惯取、的绝对值，则：在实际应用中，习惯取、的绝对值，则：；（2-3-8）vitiihPPtiivihhhtiivihhh负负tiivihhhtiihh 图图2-3-4
40、清楚地表示出不同通风方式时，风流中某点各种压力清楚地表示出不同通风方式时，风流中某点各种压力之间的相互关系。之间的相互关系。例例 如图如图2-3-1中压入式通风风筒中某点中压入式通风风筒中某点i的的hi1000 Pa，hvi150 Pa，风筒外与，风筒外与i点同标高的点同标高的P0i=101332 Pa，求：，求：（1）i点的绝对静压点的绝对静压Pi；（2）i点的相对全压点的相对全压hti；（3）i点的绝对全压点的绝对全压Pti。解解 （1）Pa （2）Pa （3）Pa0101332 1000102332iiiPPh1000 1501150tiivihhh0102332 150102482ti
41、itiiviPPhPh 例例 如图如图2-3-1中抽出式通风风筒中某点中抽出式通风风筒中某点i的的hi1000 Pa，hvi150 Pa，风筒外与，风筒外与i点同标高的点同标高的P0i=101332 Pa，求：，求：（1）i点的绝对静压点的绝对静压Pi；（2）i点的相对全压点的相对全压hti；（3）i点的绝对全压点的绝对全压Pti。解解 （1）Pa （2）Pa （3）Pa0101332 1000100332iiiPPh1000 150850tiivihhh0101332850100482tiitiPPh2.3 风流压力及压力坡度风流压力及压力坡度 2.3.3 压力坡度压力坡度 通风压力坡度线是
42、对能量方程的图形描述。从图形上通风压力坡度线是对能量方程的图形描述。从图形上比较直观地反映了空气在流动过程中压力沿程的变化比较直观地反映了空气在流动过程中压力沿程的变化规律、通风压力和通风阻力之间的相互关系以及相互规律、通风压力和通风阻力之间的相互关系以及相互转换。正确理解和掌握通风压力坡度线，将有助于加转换。正确理解和掌握通风压力坡度线，将有助于加深对能量方程的理解。通风压力坡度线是通风管理和深对能量方程的理解。通风压力坡度线是通风管理和均压防灭火的有力工具。均压防灭火的有力工具。2.3.3 压力坡度压力坡度 1、压入式通风系统、压入式通风系统 某压入式通风系统如图某压入式通风系统如图2-3
43、-5所示。所示。由能量方程得：由能量方程得：（2-3-9）式中式中 Hs=P1-P2为通风机在风硐中所造成的相对静压，为通风机在风硐中所造成的相对静压，P0为地表大气压，为地表大气压，Pa；HN自然风压，自然风压，Pa 由于通风机入口外由于通风机入口外P0，其风速等于，其风速等于0，当忽略这段巷道的阻力，当忽略这段巷道的阻力不计时，其能量方程式为：不计时，其能量方程式为：（2-3-10）Hf通风机全压，通风机全压，Pa。2)2(22221211vhHvH、Ns2211vHHsf 通风机的全压等于通风机在风硐中所造成的静压（即为通风通风机的全压等于通风机在风硐中所造成的静压（即为通风机的静压）与
44、动压之和。将式（机的静压）与动压之和。将式（2-3-10）代入式（）代入式（2-3-9）得：）得：此式表明，通风机全压与自然风压共同作用，克服了矿井阻此式表明，通风机全压与自然风压共同作用，克服了矿井阻力，并在出风井口造成动压损失。通风机压力与矿井阻力的力，并在出风井口造成动压损失。通风机压力与矿井阻力的关系，压力坡度如图关系，压力坡度如图2-3-7所示。所示。222221vhHH、Nf2.3.3 压力坡度压力坡度2、抽出式通风系统、抽出式通风系统某抽出式通风系统如图某抽出式通风系统如图2-3-8所示。所示。对对1、2两断面列能量方程得：两断面列能量方程得：（2-3-13）此式表明，抽出式通风
45、时，通风机在风硐中所造成的静压（绝对值）与自此式表明，抽出式通风时，通风机在风硐中所造成的静压（绝对值）与自然风压共同作用，克服矿井通风阻力，并在风硐中造成动压损失。为了分然风压共同作用，克服矿井通风阻力，并在风硐中造成动压损失。为了分析通风机全压与通风阻力的关系，需要列出由通风机入口析通风机全压与通风阻力的关系，需要列出由通风机入口2到扩散塔出口到扩散塔出口3的能量方程式。的能量方程式。（2-3-13）将（将（2-3-12）、（）、（2-3-13）两式合并，可得：）两式合并，可得：（2-3-14）222221vhHH、Ns22222233vvHHsf223321vhHH、Nf 此式说明，抽出
46、式通风机的全压与自然风压共同作此式说明，抽出式通风机的全压与自然风压共同作用，克服矿井通风阻力，并在通风机扩散塔出口，用，克服矿井通风阻力，并在通风机扩散塔出口，造成动压损失。在通风技术上，利用良好的扩散器，造成动压损失。在通风技术上，利用良好的扩散器，降低通风机出口的动压损失，对提高通风机的效率降低通风机出口的动压损失，对提高通风机的效率很有实际意义。很有实际意义。当不考虑自然风压时，在通风机的全压中，用于克当不考虑自然风压时，在通风机的全压中，用于克服矿井阻力服矿井阻力h1、2那一部分，常称为通风机有效静压，那一部分，常称为通风机有效静压，以以Hs表示。表示。223321vhHH、Nf 当
47、不考虑自然风压时，在通风机的全压中，用于克服矿井阻当不考虑自然风压时，在通风机的全压中，用于克服矿井阻力力h1、2那一部分，常称为通风机有效静压，以那一部分，常称为通风机有效静压，以Hs表示。表示。上式说明，在抽出式通风时，通风机的有效静压，等于通风上式说明，在抽出式通风时，通风机的有效静压，等于通风机在风硐中所造成的静压与风硐中风流动压之差，或者等于机在风硐中所造成的静压与风硐中风流动压之差，或者等于通风机的全压与扩散塔出口动压之差。抽出式通风时的压力通风机的全压与扩散塔出口动压之差。抽出式通风时的压力分布如图分布如图2-3-9所示。所示。抽出式通风系统压力坡度抽出式通风系统压力坡度2233
48、vHHfs 3 3、抽压结合式通风系统、抽压结合式通风系统 当井下某采区通风阻力过大，辅助通风机安装在井下时，在当井下某采区通风阻力过大，辅助通风机安装在井下时，在辅助通风机前后都有一段风路，通风机前段为抽出式，通风辅助通风机前后都有一段风路，通风机前段为抽出式，通风机出口端为压入式。为讨论问题简便，不考虑地面主通风机机出口端为压入式。为讨论问题简便，不考虑地面主通风机情况，如图情况，如图2-3-102-3-10所示。所示。列出断面列出断面1、2的能量方程式：的能量方程式：由于由于 即通风机的全压等于通风机的静压。即通风机的全压等于通风机的静压。列出断面列出断面a到通风机吸风口断面到通风机吸风
49、口断面1之间的能量方程式：之间的能量方程式：式中式中 风流由风流由a断面流到断面流到1断面的通风阻力。断面的通风阻力。由于入风井口由于入风井口 所以得：所以得：（2-3-16）22212222vvHHsfsfHHvvss此时则,21211112111222a、maaaaahgzvpgzvp1a、h0,01zva221111vgzpphaaaa、（2-3-16）再列通风机出风口断面再列通风机出风口断面2到排风井口断面到排风井口断面b之间的能量方程式之间的能量方程式（考虑到（考虑到 ）（2-3-17）将（将（2-3-16）、（）、（2-3-17）两式相加，并已知（井口处地表大）两式相加，并已知（井
50、口处地表大气压力），则可得：气压力），则可得：式中式中 ,表明，当通风机安装在井下时，全压与自然风压之和，用于表明，当通风机安装在井下时，全压与自然风压之和，用于克服入风侧与排风侧阻力之和，并在出风井口造成动压损失。克服入风侧与排风侧阻力之和，并在出风井口造成动压损失。221111vgzpphaaaa、02zbmbbbb、bgzvvpph2222222222bbba、NfvhHH)(矿井自然风压gzgzHbmbamaN)(21矿井通风阻力、ba、ba、hhh通风机安装在井下时，其压力分布如图通风机安装在井下时，其压力分布如图2-11。综上所述，无论压入式、抽出式或通风机安装在井下，综上所述，无
