矿内空气动力学基础.ppt
矿井通风与安全,中国矿业大学,第二章 矿内空气动力学基础,2.1 流体的概念,流体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。气体的分子距很大，分子间的吸引力很小，因而，气体极易变形和流动，总是充满它所能够达到的全部空间。液体的分子距较小，分子间的吸引力较大，因此流动性不如气体。一定质量的液体具有一定的体积，并取容器的形状，但不能够充满全部空间。,流体具有流动性，两层流体以一定速度作相对运动时，在两层的交界面上就要产生内摩擦力，又叫粘滞力。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。既没有内摩擦又没有压缩性的流体，叫做理想流体。,理想流体,一、压力 压力（N/m2，Pa，J/m3）压头：如果将密度为 的某液体注入到一个断面为A的垂直的管中，当液体的高度为 h时，液体的体积为：V=hA m3,2.2 风流压力与能量,根据密度的定义，这时液体的质量为：mass=V=hA kg液体的重力为：F=hAg N根据压力的定义,有 P=F/A=gh N/m2 or Pa 因此，如果液体的密度已知，h就可代表压力,_,点压力：静压、全压、速压,相对压力、绝对压力、大气压力,绝对压力,相对压力,大气压力,二、风流能量风流任一断面上能量（机械能）由三部分组成:热能位能动能在通风测量中以压力的形式出现，这三部分能量分别表示为静压，位压和动压。,1、静压能（流动功）如图所示，有一两端开口的水平管道，断面为A，在其中放入一其体积为v质量为m的单元流体，即使不考虑磨擦阻力，由于管道中存在压力P，流体的运动受阻，因此必须施加一个力F克服阻力。当力F使流体移动一段距离后，就做了功。,2、动能 对一个质量为m静止的物体，施加一个恒定的力F，在t时间内加速到u，由于是匀加速，其平均速度为：(0+u)/2=u/2 m/s移动的距离为：L=(u/2)t m加速度为：a=u/t=u/t m/s2,施加的力为：F=ma=mu/t N从静止到速度为u，F做功为：Wd=Ev=FL=(mu/t)(u/2)t=mu2/2 J Ev就是质量为 m 的流体所具有的动能.,3、位能(势能)任何标高都可用作位能的基点。在矿井中，不同的地点标高不同，则位能不一样。质量为m的物体位于基点上，其势能为0。当对其施加一个能克服重力向上的力F，使其向上移动到高于基点Zm，力F做的功为：Wd=FZ=Ep=mgZ J Ep为物体在Z高度上的势能。,2.3 能量方程（伯努力方程）,截面1能量U1截面2能量U2+损失h1-2,若认为流体不可压缩，则密度不变，那么单位质量流体的伯努利方程表达式为：,2.4 压力坡度线,通风压力坡度线是对能量方程的图形描述，反映空气在流动过程中压力沿程的变化规律、通风压力呵通风阻力之间的相互关系和相互转换。通风压力坡度线是通风管理和均压防灭火的有力工具。,如图所示的压入式通风系统，能量方程为：式中 Hs=P1-P2通风机在风硐中所造成的相对静压；Hn自然风压，Pa,压入式通风的压力分布,由于通风机入口外P0，风速等于0，忽略这段巷道的阻力不计时，其能量方程式为：Hf通风机全压，Pa。能量方程为：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。,压入式通风的压力坡度线,压入式通风系统压力坡度图,P0为地表大气压，Pa；,如图所示的抽出式通风系统，能量方程为：通风机入口2到扩散塔出口3的能量方程式：,抽出式通风的压力分布,因此能量方程为：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h1、2那一部分，常称为通风机有效静压，以Hs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。,抽出式通风的压力坡度线,抽出式通风系统压力坡度图,如图所示辅助通风机安装在井下，在辅助通风机前后都有一段风路，前段为抽出式，出口端为压入式。,通风机安装在井下时压力分布,断面1、2的能量方程式：,入风井口断面a到通风机吸风口 断面1之间的能量方程式:,通风机出风口断面2到排风井口断面b之间的能量方程式(1)、(2)相加有：其中，,通风机安装在井下时压力坡度线,抽压结合式通风系统压力坡度图,由推导过程可知：无论压入式、抽出式或通风机安装在井下，用于克服矿井通风阻力和造成出风井口动压损失的通风动力，均为通风机的全压与自然风压之总和。无论何种通风方式或安装地点有何不同，都有必要降低出风井口风流的动压损失以节省通风机能量。,复习思考题,2-1 何谓空气的静压，它是怎样产生的？说明其物理意义和单位。2-2 何谓空气的重力位能？说明其物理意义和单位。2-3 简述绝对压力和相对压力的概念。为什么在正压通风中断面上某点的相对全压大于相对静压，而在负压通风中断面某点的相对全压小于相对静压？2-4 试述能量方程中各项的物理意义。2-5 分别叙述在单位质量和单位体积流体能量方程中，风流的状态变化过程是怎样反映的？,2-6 在压入式通风的风筒中，测得风流中某点i 的相对静压hsi 600 Pa，速压 hvi100 Pa，已知风筒外与 i 点同标高处的压力为 100kPa。求：（1）i 点的相对全压、绝对全压和绝对静压；（2）将上述压力之间的关系作图表示（压力为纵坐标轴，真空为 0 点）。2-7 在抽出式通风风筒中，测得风流中某点i的相对静压1000 Pa，速压150 Pa，风筒外与i点同标高的气压p101332.32 Pa，求：（1）i点的绝对静压；（2）i点的相对全压；（3）i点的绝对全压。（4）将上述压力之间的关系作图表示（压力为纵坐标轴，真空为0点）。2-8 用压差计和皮托管测得风筒内一点的相对全压为300Pa，相对静压为240 Pa，已知空气密度为1.2kg/m3，试求A点的风流速度，并判断通风方式。,
