《矿井通风,1
第三章 矿内风流运动的能量方程
◆ 主要内容与基本要 求
◆ 第一节 能量方程式
◆ 第二节 能量方程在矿井通风中的应用
《矿井通风,2
主要内容与基本要求
1、了解理想流体与实际流体的能量方程式。
2、掌握能量方程在矿井通风阻力测定中的应用。
3、掌握利用能量方程分析矿井通风动力与阻力的关系。
4、了解矿井通风分支路的能量方程式。
《矿井通风,3
一、理想流体的能量方程式
1、理想流体的假设条件
2、理想流体的伯诺里方程式二、实际流体的能量方程
《矿井通风,4
一、理想流体的能量方程式
1、理想流体的假设条件
( 1)流动为恒定流。此时
0 tptututu zyx
( 2) 流体是不可压缩的,密度 ρ = 常数 。
( 3) 作用在流体上的质量力只有重力;即 X = Y = 0,
Z = - g.
《矿井通风,5
常数 gugpz 2
2
上式就是理想流体沿流线的伯诺里方程 ( 又称能量方程 ) 。
也就是 微小流束的伯诺里方程 。
对于同一微小流束沿流动方向上任意两点 ( 1点和 2点 ),则上式可写成
g
u
g
pz
g
u
g
pz
22
2
22
2
2
11
1
2、理想流体的伯诺里方程式
《矿井通风,6
二,实际流体的能量方程实际流体具有 粘性,使其机械能将沿程减少 。
设 为单位重量流体的水头损失,则根据能量守恒原理,可得实际流体微小流束恒定流的能量方程为
wh?
whg
upz
g
upz
22
2
22
2
2
11
1
whg
vpz
g
vpz
22
2
222
2
2
111
1
各项同除以 γQ,可得
《矿井通风,7
whg
vpz
g
vpz
22
2
222
2
2
111
1
pz?
g
v
2
2?
wh
在总流能量方程中:
代表过流断面上单位重量流体的平均势能(包括压能和位能)。
是过流断面上单位重量流体具有的平均动能。
代表总流单位重量流体从一个断面流到另一断面平均损失的能量,称为平均水头损失。
《矿井通风,8
一、应用能量方程的条件二,矿井通风的能量方程三,能量方程在通风阻力测定中的应用四,利用能量方程分析矿井通风阻力与动力关系五,能量方程在分支风路中的应用
《矿井通风,9
一,应用能量方程的条件
1,矿内风流的流动是定常流;
2,矿内风流的流动是连续的;
3,缓变流;
4,压缩性;
矿内空气流动过程中,由于压力,速度和矿井深度等变化
,引起空气密度的变化不超过正常值的 6~ 8%,视矿内风流为不可压缩流体 。
但对于深井以及受空气密度影响较大的自然通风问题,则需考虑风流的压缩性 。
《矿井通风,10
二,矿井通风的能量方程把不可压缩实际流体的总流能量方程两边同乘以密度 ρ g,则单位重量流体的能量方程变成单位体积流体的能量方程 。
21
222
22
211
11 22 h
vkpgzvkpgz
h1-2=ρ gw1-2
一般取 k1 =k2 = 1
为真实的反映出各地点的能量值,用 ρ 1,ρ 2代替平均密度 ρ,
分别计算出各断面上的平均动能 。 用 ρ m1,ρ m2分别计算出各断面风流的位能 。
212
2
22221
2
1111
22 h
vpgzvpgz
mm
上式可写成:
《矿井通风,11
212
2
2
1
2
1
212211 )22()()( h
vvppgzgz
mm
或:
这就是适用于 矿井通风中的能量方程 。
ρ m1,ρ m2 分别为 1,2 两断面到基准面的平均空气密度,kg/m3;
◆ Ρ 1,ρ 2分别为 1,2两断面的空气密度,kg/m3;
◆ V1,v2分别为 1,2两断面的平均流速,m/s;
◆ p1,p2分别为 1,2两断面处的单位体积空气的压能,Pa;
◆ Z1,z2分别为 1,2两断面到基准面的高度 ( 势能 ),m;
◆ ρ m1gz1,ρ m2gz2分别为 1,2两断面处单位体积空气的位能,Pa
《矿井通风,12
1
2
1
2?
v
2
2
2
2?
v
h1-2 风流从 1断面流到 2断面所损失的能量,表现为 1,2 两断面间的通风阻力,Pa。
,分别为 1,2两断面处单位体积空气的动能,Pa;
◆ 从上式可得出几点结论:
① 两断面的总能量差等于所损失的能量 。
② 风流总是从总能量大的断面流向总能量小的断面 。
③ 从力学意义讲,该方程表示了压力变化与通风阻力的关系 。
《矿井通风,13
三,能量方程在通风阻力测定中的应用
1,水平巷道在水平巷道中风流从断面 1流向断面 2,基准面选在巷道中心线,则 z1=z2=0
( 1) 两断面面积相等
∵ s1=s2 v1=v2
近似将 ρ 1=ρ 2
022 2
2
2
2
1 vv则:
又,ρ m1gz1 -ρ m2gz2 =0
则通风阻力为:
h1-2 = p1- p2 =Hs
《矿井通风,14
上式表明,在断面不等的水平巷道,通风阻力等于两断面间的全压差 。 即静压差与动差之和 。
只要测出 1,2两断面的静压差 p1=p2和 v1,v2以及 ρ 1,ρ 2,
就可根据上式计算出这段巷道的通风阻力。
2
2
21
2
12121
22)(
vvpph
( 2)两断面不相等
《矿井通风,15
2,倾斜或垂直巷道
( 1) 断面相等的倾斜或垂直巷道风流由断面 1流向断面 2时,
∵ s1=s2,v1=v2
又认为 ρ 1=ρ 2,
022 222121 vv
则:
由能量方程得:
h1-2 =( p1-p2) +( ρ m1gz1-ρ m2gz2 )
上式表明,在断面相等的倾斜或垂直巷道中,通风阻力等于两静压差与位压差之和。
《矿井通风,16
用气压计测定时,只要测出两断面的绝对静压 p1 和 p2。 ρm1
和 ρm2 及两断面的高差,根据上式即可得出巷道的通风阻力 。
用压差计测定,计算工作更为简便 。
压差计上的示度 Δp,即为井巷的通风阻力 。
h1-2 =Δp
《矿井通风,17
( 2) 断面不等 的倾斜或垂直巷道必须测定两断面的风速 v1,v2和 ρ 1,ρ 2,然后按下式计算出井巷的通风阻力 。
式中 Δp— 压差计上的示度值,Pa。
)22( 2
2
2
1
2
1
21
vvph
《矿井通风,18
四,利用能量方程分析矿井通风阻力与动力关系
1,有扇风机工作时的能量方程能量方程为:
212
2
2
21
2
1
1 22 h
vphvp
f
式中 Hf — 扇风机的全压,Pa。
为计算扇风机的全压,常在扇风机的入口和出口列出能量方程,
因 1,2断面距离短,忽略 h1-2,则上式为:
)22()( 1
2
1
2
2
2
12
vvppH
f
《矿井通风,19
2,通风动力与阻力的关系
( 1) 压入式通风在压入式通风的矿井,风峒断面 1处参数 p1,v1,ρ1,ρm1;出风井口断面 2
处的参数 p0,v2,ρ2,ρm2。
由能量方程得 矿井的通风阻力 为:
)22()()( 12122222110121 vvgzgzpph mm
式中:( p1 - p0)为扇风机风峒中所造成的相对静压,扇风机房静压水柱计上能测得的压差值 Hs 就是此值。
Hs = p1 - p0
《矿井通风,20
ρ m1gz1-ρ m2gz2为 1,2两断面间的位能差 。 相当于入风井与排风井两则空气柱的重量不同而对井底形成的一种压差 。 把这种压差叫做 自然风压,用 Hn表示 。
Hn=ρ m1gz1-ρ m2gz2
则上式可写成:
或 ( 1)
)22( 1
2
1
2
2
2
21
vvHHh
ns
2
2
2
211
2
1
22
vhHvH
ns
◆ 结论,压入式通风时,扇风机在风峒中所造成的静压与动压之和(相对全压)与自然风压的共同作用,克服矿井的通风阻力,并在出风井口造成动压损失。
《矿井通风,21
( 2) 抽出式通风在抽出式通风的矿井中,在风峒断面 2处的参数 p2,v2,ρ 2。 入风井口断面 1处的参数 p0,v1 = 0,ρ 1。
由能量方程得:
则:
212
2
2
222110 2 h
vgzpgzp
mm
2
2
222112021
2)()(
vgzgzpph
mm
式中 p0 - p2 是扇风机在风峒中所造成的相对静压,扇风机房中静压水柱计上所测得压差值 Hs 就是此值 。
Hs = p0- p2
《矿井通风,22
又 Hn = ρm1gz1- ρm2gz2
◆ 结论,抽出式通风时,扇风机在风峒中造成的静压和自然风压的共同作用,克服了矿井的通风阻力,并在风峒中造成动压损失 。
2
2
2
21 2?
vHHh
ns
2
2
2
21 2?
vhHH
ns
则,(3)
或,( 4)
《矿井通风,23
抽出式通风中,把扇风机的全压中用于克服矿井的通风阻力
h1-2那部分压力,通称为扇风机的有效静压,用 表示,即
'sH
21' hH s
◆ 结论,在抽出式通风时,扇风机的有效静压等于风峒中所造成的静压与动压之差 。 或者等于扇风机的全压与扩散器出口动压之差 。
2
2
2'
2?
vHH
ss
3
23'
2?
vHH
fs
若不考虑自然风压,由式( 4)得:
( 7)
由式( 6)得:
( 8)
《矿井通风,24
3,扇风机安装在井下扇风机安装在井下时,入风口处 1断面的风速 v1 = 0。井口处的地表大气压力为 p0,则,p1 = p2 = p0。列出 1-2断面的能量方程:
212
2
2
220110 2 h
vgzpHgzp
mfm
2
2
2
21 2?
vhHH
nf
◆ 结论,当扇风机安装在井下时,
扇风机的全压与自然风压的共同作用,克服了矿井通风阻力(入风侧阻力与排风侧阻力之和),并在出风井口造成动压损失。
即,
《矿井通风,25
从以上分析,压入式,抽出式通风和扇风机安装在井下这三种情况时,通风动力与阻力的关系:
2
2
2
21 2?
vhHH
nf
3
2
3
21 2?
vhHH
nf
2
2
2
21 2?
vhHH
nf
◆ 结论:
1、扇风机的全压与自然风压的共同作用克服了矿井通风阻力
,并造成出口的动压损失。
2、降低出风口的动压损失,对节省扇风机的能量都是非常必要的。
扇风机安装在井下:
抽出式通风:
压入式通风:
《矿井通风,26
五,能量方程在分支风路中的应用
1,中央压入两翼排风的通风系统列出 3,1断面的能量方程:
10031
2
1
110
3
2
3
333
2
2


hh
v
gzp
v
gzp
m
m


10031
2
1
011333
2
3
3 2)(2 hh
vpgzgzvp
mm
(1)
列出 3,2断面的能量方程:
20032
2
2
2203
2
3
333 22 hh
vgzpvgzp
mm
《矿井通风,27
20032
2
2
022333
2
3
3 2)(2 hh
vpgzgzvp
mm
3
2
3
30 2?
vpHp
f
列出 4,3断面的能量方程:
(3)
则,(2)
将式 ( 3) 代入式 ( 1) 得:
1
2
1
1003
1133
2
)(

vhh
gzgzH mmf



即 ( 4)
1
2
1
10031 2?
vhhHH
nf
将式 ( 3) 代入式 ( 2) 得:
2
2
2
20032233 2)(
vhhgzgzH
mmf
《矿井通风,28
2
2
2
20032 2?
vhhHH
nf
即 ( 5)
◆ 结论,在中央压入两翼排风的通风系统中,扇风机的全压与自然风压的共同作用,克服了公共段的通风阻力和分支路的阻力,
并造成出风井口的动压损失。
若,Hn1 = 0,Hn2 = 0
注意:每一风路在计算阻力时,都要把公共段巷道的通风阻力计算在内 。
1
2
1
1003 2?
vhhH
f
2
2
2
2003 2?
vhhH
f
则:
《矿井通风,29
中央入风两翼抽出式通风系统,两台扇风机 Ⅰ,Ⅱ 分别在两排风口处作抽出式工作 。 求通风阻力与动力的关系式 。
列出 3,1断面的能量方程,v3 = 0
1003111
2
1
1
330
2


hhgz
v
p
gzp
m
m

2003222
2
2
2330 2 hhgz
vpgzp
mm
列出 1,4断面的能量方程:
列出 3,2断面的能量方程:
( 1)
( 2)
(3) 42401211 22 vpHvp fI
2、中央入风两翼抽出式通风系统
《矿井通风,30
列出 2,5断面的能量方程:
5
2
5
02
2
2
2 22
vpHvp
fI I
4
24
10031133 2)(
vhhgzgzH
mmfI
4
2
4
10031 2?
vhhHH
nfI
5
2
520032233
2)(
vhhgzgzH
mmf I I
(4)
( 5)
将式( 3)代入式( 1)并整理得:
将式( 4)代入式( 2)并整理得:

◆ 结论,扇风机的全压与自然风压共同作用,克服了公共段和各翼风路的阻力之和,并造成扇风机扩散器出口的动压损失 。
5
2
520032
2?
vhhHH
nfI I
(6)