学习情境三 矿井通风阻力(无图).doc
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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。
( Re= (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;
—— 流体的运动粘性数,矿井通风中一般用平均值 =1.501-5m2/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Re2320时,水流呈层流状态,叫下临界值;当Re12000时,水流呈完全紊流状态,叫上临界值。 Re=2320~12000时,为层流和紊流不稳定过渡区,Re=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Re=2300作为管道流动流态的判别系数,即:
Re2300 为层流
Re2300 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。所谓水力半径Rw(也叫当量直径)就是流过断面面积S和湿润周界(即流体在管道断面上与管壁接触的周长)U之比。对于圆形断面有
Rw= (3-2)
用水力半径代替圆形管道直径就会得到非圆形管道的雷诺判别系数,即:
Re= (3-3)
式中 S —— 非圆形管道面积,m2;
U —— 非圆形管道断面周长,m;
其它符号意义同前。
对于不同形状的断面,其周长U与断面S的关系,可用下式表示:
U
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
(三)井巷中风流的流动状态
井巷中空气的流动,近似于水在管道中的流动,井下除了竖井以外,大部分巷道都为非圆形巷道,而且它充满整个井巷,故湿润周界就是断面的周长。可用式(3-3)计算雷诺数近似判别井巷中风流的流动状态。
例3-1 某梯形巷道的断面积S=9m2,巷道中的风量为360m3/min,试判别风流流态。
解:Re== = =128120>2300
故巷道中的风流流态为紊流。
例3-2 巷道条件同前,求相应于Re=2300的层流临界风速
解: v= = =0.01197m/s
因为《规程》规定,井巷中最低允许风速为0.15m/s,而井下巷道的风速都远远大于上述数值,所以井巷风流的流动状态都是紊流,只有风速很小的漏风风流,才有可能出现层流。
任务二 摩擦阻力的测算
1、摩擦阻力
井下风流沿井巷或管道流动时,由于空气的粘性,受到井巷壁面的限制,造成空气分子之间相互摩擦(内摩擦)以及空气与井巷或管道周壁间的摩擦,从而产生阻力,称这种阻力为摩擦阻力。
(一)达西公式和尼古拉兹实验
在水力学中,用来计算圆形管道沿程阻力的计算式叫做达西公式,即:
h摩=,Pa (3-4)
式中 h摩——摩擦阻力,Pa;
——实验系数,无因次;
L——管道的长度,m;
d——管道的直径, m;
——流体的密度,kg/m3;
——管道内流体的平均流速,m/s;
上式对于层流和紊流状态都适用,但流态不同,实验的无因次系数大不相同,所以,计算的沿程阻力也大不相同。著名的尼古拉兹实验明确了流动状态和实验系数的关系。
尼古拉兹把粗细不同的砂粒均匀地粘于管道内壁,形成不同粗糙度的管道。管壁粗糙度是用相对粗糙度来表示的,即砂粒的平均直径(m)与管道直径r(m)之比。尼古拉兹以水为流动介质,对相对粗糙度分别为1/15、1/30.6、1/60、1/126、1/256、1/507六种不同的管道进行实验研究。实验得出流态不同的水流,系数与管壁相对粗糙度、雷诺数Re的关系,如图3-1所示。图中的曲线是以对数坐标来表示的,纵坐标轴为(lg100),横坐标轴为lgRe。根据值随Re 变化特征图中曲线分为五个区:
(图3-1 尼古拉兹试验结果)
Ⅰ区—
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