3 井巷通风阻力

第三章 矿井通风阻力矿井通风阻力：矿井风流流动过程中，在风流内部粘滞力和惯性力、井巷壁面的外部阻滞、障碍物的扰动作用下，部分机械能不可逆地转换为热能而引起的机械能损失。

或风流流动过程中的阻滞作用，称通风阻力。

分摩擦阻力和局部阻力。

§3—1 摩擦阻力一、摩擦阻力定律由于空气具有粘性，空气在流动过程中与井巷四周壁的摩擦以及空气分子之间的相互摩擦而产生的阻碍风流流动的阻力，称摩擦阻力。

摩擦阻力是矿井通风的重要参数。

风流在紊流状态下的摩擦阻力表达式为：h 摩＝α23Q SLU式中： h 摩—井巷的摩擦阻力，Pa ；L —井巷长度U —井巷断面周长，m 。

梯形U ＝4.16S ；三心拱：U ＝4.1S ；半园拱：U ＝3.84S 。

S —井巷断面，m 2；Q —井巷通过的风量，m 3/s ；α—井巷的摩擦阻力系数（又叫达西系数），α＝8λρ，与井巷的粗糙度（λ）、空气的密度（ρ）有关，见附表。

上式说明：当井巷通过的风量一定时，摩擦阻力与巷道的长度与断面的周长成正比，与断面的立方成反比；当井巷的参数一定时，通风阻力与井巷通过风量的平方成正比。

因此，当井巷变形，通风阻力很大时，采取扩充巷道断面来降低通风阻力往往是最佳措施；采取分区通风，避免风量过分集中，可取得良好的降阻效果。

对于一定的井巷，其参数在一定时期内是一定的，令R 摩＝α3SLU——称摩擦风阻，则上式为：h 摩＝R 摩Q 2必须注意：①h 摩是1立方米空气在流动过程中的能量损失，R 摩是风流流动的阻抗参数，取决于巷道特征；②h 摩＝R 摩Q 2，即井巷通过风量的变化而变化，R 摩＝αLU，对于特定的井巷是个定值，不随风量变化而变化。

二、降低摩擦阻力的措施1、扩大井巷断面，是降阻的主要措施；2、缩短风路，如密闭旧巷等；3、选用周边长较小的井巷断面；4、选用粗糙度小的材料支护；5、避免风量的过度集中等。

例：某梯形木支护巷道长为400m ，断面4.6m 2，通过的风量8m 3/s ，测得 h 摩＝39.2Pa ，求R 摩＝？α＝？若其他条件不变，通过的风量16m 3/s 时，h 摩＝？解：R 摩＝2O h 摩＝282.39＝0.6125α＝LU RS 3＝6.416.44006.46125.03⨯⨯＝0.0167 h 摩＝R 摩Q 2＝0.6125×162＝156.8 （Pa ）显然，风量增加1倍，阻力增加了4倍。

第三章 通风阻力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。

通风阻力是矿井通风设计、通风系统调整和改造、通风管理工作的基础，是矿井通风学的重要组成部分。

第一节 风流的流动状态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，流体的运动轨迹呈现直线或平滑的曲线，且与管道轴线平行，这种流动状态称为层流（或滞流）。

当流速较大时，流体质点剧烈混合，流体除在运动方向上产生位移外，在垂直于运动方向上也存在位移，而且流体内部存在时而存在、时而消失的漩涡，这种流动状态称为紊流（或湍流）。

井下风流多数是完全紊流，只有一部分风流处于向完全紊流过渡的状态，只有风速很小的漏风风流才可能出现层流。

流体的运动状态容易受流体的速度、黏度和管道尺寸等因素的影响，流体的速度越大、黏性越小；管道尺寸越大，流体越容易呈现紊流状态。

根据流体力学相关知识，对于圆形的管道，流体的雷诺数可以表示为：νvdR e =式中：Re —流体的雷诺数，无因此； v —管道中流体的平均流动速度，m/s ； d —管道直径，m ；ν—流体的运动粘性系数，与流体的温度、压力有关，正常通风情况下，矿井中空气的运动黏性系数一般取值为14.4×10-6m 2/s 。

不同温度下空气的运动粘性系数可查表2-2.在圆形管道中，水力半径r 可通过公式：4)(42dd d u s r ===ππ 所以：4e S d U =S —流体断面积，m 2； U —流体的周界，m 。

对于非圆形管道，管道直径可采用当量直径来表示。

非圆形管道的雷诺数计算式：4e vdvS R U νν==据前人的经验，当Re ≤2300时，空气变现为层流运动，Re>2300时，为紊流运动。

第二节 摩擦阻力摩擦阻力是指矿井风流沿程作均匀流动时，因受井巷固定壁面限制，引起内外摩擦而产生的能量损失，也称沿程阻力，分层流摩擦阻力和紊流摩擦阻力两类。

第194篇通风安全学，张国枢版，考试要点，第3章井巷通风阻力1.层流：也叫滞流，同一流体在同一管道中流动时，当流速较低时，流体质点互不混杂，沿着与管轴平行的方向做层状运动。

2.紊流，也叫湍流，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。

3.雷诺数：一个无因次准数，用来判断流体的流动状态，用re表示。

Re=vd/粘性系数，v是平均流速，d是管理直径。

4.流体在直圆管内流动时，当re<2320时，流动状态为层流，当re>4000,流动状态为紊流。

当re在2320-4000区域内时，流动状态是不固定的。

5.在非圆形断面的井巷，re数中的管道直径d应以井巷断面的当量直径de表示。

De= 4s/U，所以re= vd/粘性系数=4vs/(粘性系数*U)v是井巷断面上的平均风速。

空气运动的粘性系数，s是井巷断面积。

U是井巷断面周长。

6.对于不同开关的井巷断面，周长U和断面积S的关系为U=c*s1/2, c是断面的形状系数，梯形c=4.16,心拱c=3.85，半圆拱c=3.907.风速脉动现象：井巷中某点的瞬时速度v，虽然不断变化，但是在足够长的时间段t 内，流速v总是围绕着某一平均值上下波动，这种现象称为脉动现象。

8.风速分布系数：断面上平均风速与最大风速的比值。

9.摩擦阻力：风流在井巷中做沿程流动时，由于流体层间的摩擦和流体与井巷壁面之间的摩擦，所形成的阻力。

矿井通风中，克服沿程阻力的能量损失，常用单位体积风流的能量损失hf表示。

Hf=沿和阻力系数*L*密度*v2/(2d)L是风道长度，d是圆形风道直径，非圆形风道的当量直径。

v断面平均风速。

沿程阻力系数，又称无因次系数。

通过实验求得。

10.绝对糙度：管壁上小突起的高度。

相对糙度：绝对糙度与管道半径的比值。

11.尼古拉兹实验，5个区：1区，层流区。

Re<2320,沿程阻力系数与与相对糙度无关。

学习情境三 矿井通风阻力测定与计算通风阻力是由于风流流动过程的粘性和惯性（内因），以及井巷壁面对风流的阻滞作用和扰动作用（外因）造成的，通风阻力包括摩擦阻力和局部阻力两大类，其中摩擦阻力是井巷通风阻力的主要组成部分。

任务一 认识流体流动状态一、 风流的流动状态流体在运动中有层流流动和紊流流动两种状态。

流体以不同的流动状态运动时，其速度在断面上的分布和阻力形式也完全不同。

（一）层流和紊流层流状态是指流体各层的质点相互不混合，呈流束状，为有秩序地流动，各流束的质点没有能量交换。

质点的流动轨迹为直线或有规则的平滑曲线，并与管道轴线方向基本平行。

紊流状态和层流相反，流体质点在流动过程中有强烈混合和相互碰撞，质点之间有能量交换，质点的流动轨迹极不规则，除了有总流方向的流动外，还有垂直或斜交总流方向的流动，流体内部存在着时而产生、时而消失的涡流。

（二）流动状态的判别1883年英国物理学家雷诺通过实验证明：流体的流动状态取决于管道的平均流速、管道的直径和流体的运动粘性系数。

这三个因素的综合影响可用一个无因次参数来表示，这个无因次参数叫雷诺数。

对于圆形管道，雷诺数为：R e =νvd（3-1）式中 v —— 管道中流体的平均流速，m/s ；d —— 圆形管道的直径， m ；ν—— 流体的运动粘性数，矿井通风中一般用平均值 ν＝1.50110⨯－5m 2/s ； 当流速很小、管径很细、流体的运动粘度较大时，流体呈层流运动，反之，为紊流流动。

许多学者经过对圆形管道水流的大量实验证明：当R e <2320时，水流呈层流状态，叫下临界值；当R e >12000时，水流呈完全紊流状态，叫上临界值。

R e ＝2320～12000时，为层流和紊流不稳定过渡区，R e ＝2320～4000区域内，流动状态不是固定的，由管道的粗糙程度、流体进入管道的情况等外部条件而定，只要稍有干扰，流态就会发生变化，因此，为方便起见，在实际工程计算中，通常以R e ＝2300作为管道流动流态的判别系数，即：R e ≤2300 为层流R e >2300 为紊流对于非圆形断面的管道，要用水力学中的水力半径的概念，把非圆形断面折算成圆形断面。

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)。

（１）雷诺数－Re式中：平均流速v 、管道直径d 和流体的运动粘性系数γ。

在实际工程计算中，为简便起见，通常以R e =2300作为管道流动流态的判定准数，即：R e ≤2300 层流， R e ＞2300 紊流（２）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：γdv e R ⨯=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，m 2； l —滤流带粗糙度系数，m 。

层流，R e ≤0.25； 紊流，R e ＞2.5； 过渡流 0.25<R e <2.5。

二、井巷断面上风速分布 （1）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变化。

（2）时均速度瞬时速度 v x 随时间τ的变化。

其值虽然不断变化，但在一足够长的时间段 T 内，流速 v x 总是围绕着某一平均值上下波动。

（3）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不均匀的。

矿井通风阻力【1】第一节通风阻力产生的原因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。

一、风流流态（以管道流为例）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)。

(降低风速的原因)(二)、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不均匀的。

在同一巷道断面上存在层流区和紊区，在贴近壁面处仍存在层流运动薄层，即层流区。

在层流区以外，为紊流区。

从巷壁向巷道轴心方向，风速逐渐增大，呈抛物线分布。

巷壁愈光滑，断面上风速分布愈均匀。

第二节摩擦阻力与局部阻力的计算一、摩擦阻力风流在井巷中作沿程流动时，由于流体层间的摩擦和流体与井巷壁面之间的摩擦所形成的阻力称为摩擦阻力(也叫沿程阻力)。

由流体力学可知，无论层流还是紊流，以风流压能损失（能量损失）来反映的摩擦阻力可用下式来计算：H f =λ×L/d×ρν2/2 paλ——摩擦阻力系数。

L——风道长度，md——圆形风管直径，非圆形管用当量直径；ρ——空气密度，kg/m3ν2——断面平均风速，m/s；1、层流摩擦阻力：层流摩擦阻力与巷道中的平均流速的一次方成正比。

因井下多为紊流，故不详细叙述。

2、紊流摩擦阻力：对于紊流运动，井巷的摩擦阻力计算式为：H f =α×LU/S3×Q2=R f×Q2 paR f=α×LU/S3α——摩擦阻力系数，单位kgf·s2/m4或N·s2/m4，kgf·s2/m4=9.8N·s2/m4L、U——巷道长度、周长，单位m；S——巷道断面积，m2Q——风量，单位m/sR f——摩擦风阻，对于已给定的井巷，L，U，S都为已知数，故可把上式中的α，L，U，S 归结为一个参数R f，其单位为：kg/m7 或 N·s2/m83、井巷摩擦阻力计算方法新建矿井：查表得α→h f→ R f生产矿井：已测定的h f→ R f→α，再由α→ h f→ R f二、局部阻力由于井巷断面，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。