矿井空气流动基本理论

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1、第二章矿井空气流动基本理论第一节空气的主要物理参数正确理解和掌握空气的主要物理性质是学习矿井通风的基础。与矿井通风密切相关的空气物理性质有：温度、压力（压强）、密度、比容、粘性、湿度、焓等。一、温度温度是描述物体冷热状态的物理量。测量温度的标尺简称温标。热力学绝对温标的单位为K（Kelv1n），用符号T表示。热力学温标规定纯水三态点温度（即汽、液、固三相平衡态时的温度）为基本定点，定义为273.15K，每1K为三相点温度的1/273.15。国际单位制还规定摄氏(Cels1us)温标为实用温标，用t表示，单位为摄氏度，代号为℃。摄氏温标的每1℃与

2、热力学温标的每1K完全相同，它们之间的关系为：T=273.15+t（2-1-1）温度是矿井表征气候条件的主要参数之一。《规程》第108条规定：生产矿井采掘工作面的空气温度不得超过26℃；机电硐室的空气温度不得超过30℃。二、压力（压强）空气的压力也称为空气的静压，用符号P表示。压强在矿井通风中习惯称为压力。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（相对高度）、空气温度、湿度（相对湿度）和气体成分等参数。根据物理学的分子运动理论，空气的压力可用下式表示：（2-1-2）式中一单位体积内的空气分子数；一分子平移运动的平均动

3、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。由式可知，空气的压力是单位体积内空气分子不规则热运动产生的总动能的三分之二转化为能对外做功的机械能。因此，空气压力的大小可以用仪表测定。压力的单位为Pa（帕斯卡，1Pa=1N/m2），压力较大时可采用kPa（1kPa=103Pa）、MPa（1MPa=103kPa=106Pa）。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：（式中为空气的摩尔质量，28.97kg/kmol，g为

4、重力加速度，m/s2；z为海拔高度，m，海平面以上为正，反之为负；R0为通用气体常数；T为空气的绝对温度，K；P0为海平面处的大气压，Pa）。在同一水平面、不大的范围内，可以认为空气压力是相同的；但空气压力与气象条件等因素也有关（主要是温度），如安微淮南地区一昼夜内空气压力的变化为0.97~0.40kPa；一年中的空气压力变化可高达4~5.3kPa。三、密度、比容空气和其他物质一样具有质量。单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，用符号P表示。空气可以看作是均质流体，故：（2-1-3）式中一空气的密度，kg/m3；M——空气的质量，kg；V——

5、空气的体积，m3。一般地说，当空气的温度和压力改变时，其体积会发生变化。所以空气的密度是随温度、压力而变化的，从而可以得出空气的密度是空间点坐标和时间的函数。如在大气压p0为101325Pa、气温为0℃（273.15K）时，干空气的密度=1.293kg/m3。湿空气的密度是1m3空气中所含干空气质量和水蒸气质量之和：=d+v（2-1-4）式中——1m3空气中干空气的质量，kg。——1m3空气中水蒸气的质量，kg。由气体状态方程和道尔顿分压定律可以得出湿空气的密度计算公式：（2-1-5）式中P一空气的压力，Pa；t一空气的温度，℃；Ps一温度f时

6、饱和水蒸气的分压，Pa；——相对湿度，用小数表示。空气的比容是指单位质量空气所占有的体积，用符号（m3/kg）表示，比容和密度互为倒数，它们是一个状态参数的两种表达方式。则：（2-1-6）在矿井通风中，空气流经复杂的通风网络时，其温度和压力将会发生一系列的变化，这些变化都将引起空气密度的变化。在不同的矿井其变化规律是不同的。在实际应用中，应考虑什么情况下可以忽略密度的这种变化，而在什么条件下又是不可忽略的。四、粘性当流体层间发生相对运动时，在流体内部两个流体层的接触面上，便产生粘性阻力（内摩擦力）以阻止相对运动，流体具有的这一性质，称作流体的粘

7、性。例如，空气在管道内作层流流动时，管壁附近的流速较小，向管道轴线方向流速逐渐增大（图2-1-1）。在垂直流动方向上，设有厚度为dy（m），速度为u（m/s），速度增量为du（m/s）的分层，在流动方向上的速度梯度为du/dy（s-1），由牛顿内摩擦定律得：（2-1-7）式中F——内摩擦力，N；S一一流层之间的接触面积，m；μ一一动力粘度（或称绝对粘度），Pa·s。由上式可知，当流体处于静止状态或流层间无相对运动时，dy/du=0，则F=0。在矿井通风中还常用运动粘度，用符号（m2/s）表示：（2-1-8）温度是影响流体粘性的主要因素之一，但对

8、气体和液体的影响不同。气体的粘性随温度的升高而增大；液体的粘性随温度的升高而减小，如图2-1-2所示。图2-1-1层流速度分布图2-1-2在实际应用中