【采矿课件】第二章风流的能量与能量方程.doc

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1、第二章风流的能量与能量方程井下风流的流动遵循能量守恒及转换定律。本章结合矿井风流流动的特点，介绍了空气的主要物理参数，风流的能量与压力，压力测量方法及压力之间的关系，重点阐述了矿井通风中的能量方程及其应用。第一节空气的主要物理参数与矿井通风密切相关的物理参数除了反映气候条件的温度、湿度以外，还有密度、比容、压力、粘性等。一、空气的密度单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，用ρ来表示。即：（2-1）式中ρ——空气的密度，kg/m3；M——空气的质量，m；V——空气的体积，m3。一般来说，空气的密度是随温度、湿度和压力的变化而变化的。在标准大气状况下（P＝101325Pa，t＝O℃，＝O%）

2、，干空气的密度为1.293kg/m3。湿空气密度的计算公式为：ρ湿＝0.003484（1－0.378）(2-2)式中P——空气的压力，Pa；T——热力学温度（T＝273+t），K；t——空气的温度，℃；——相对湿度，%；P饱——温度为t（℃）时的饱和水蒸气压力(见表1-9)，pa。由上式可见，压力越大，温度越低，空气密度越大。当压力和温度一定时，湿空气的密度总是小于干空气的密度。在矿井通风中，由于通风系统内的空气温度、湿度、压力各有不同，空气的密度也有所变化，但变化范围有限。在研究空气流动规律时，要根据具体情况考虑是否忽略这种变化。一般将空气压力为101325Pa，温度为20℃，相对湿度为

3、60%的矿井空气称为标准矿井空气，其密度为1.2kg/m3。二、空气的比容单位质量空气所占有的体积叫空气的比容，用υ（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。即：（2-3）三、空气的压力（压强）矿井通风中，习惯将压强称为空气的压力。由于空气分子的热运动，分子之间不断碰撞，同时气体分子也不断地和容器壁碰撞，形成了气体对容器壁的压力。气体作用在单位面积上的力称为空气的压力，用P表示。根据物理学的分子运动理论可导出理想气体作用于容器壁的空气压力关系式为：P＝（2-4）式中n——单位体积内的空气分子数；——分子平移运动的平均动能。上式表明，空气的压力是单位体积空气分

4、子不规则热运动产生的总动能的三分之二转化为对外做功的机械能。单位体积内的空气分子数越多，分子热运动的平均动能越大，空气压力越大。空气压力的单位为帕斯卡（Pa），简称帕，1Pa=1N/m2。压力较大时还有千帕（KPa）、兆帕（MPa），1MPa=103KPa=106Pa。有的压力仪器也用百帕（hPa）表示，1hPa=100Pa。其它旧的压力单位及换算见表2-1所示。表2-1压力单位换算表单位名称帕斯卡Pa巴bar公斤力/米2mmH2O公斤力/厘米2（工程大气压）at毫米汞柱mmHg标准大气压atmPammH2OmmHgatm19.80665133.32210132510-59.80665×1

5、0-51.33322×10-31.013250.101972113.59510332.30.101972×10-41×10-41.3595×10-31.033237.50062×10-37.35559×10-217609.86923×10-69.67841×10-51.31579×10-31注：英制压力单位采用磅力/英寸2（1bf/in2），11bf/in2=6894.7Pa。1kPa=103Pa；1atm=101.325kPa；1at=98.0665kPa（千帕）；1bar(巴)=1000mbar（毫巴）地面空气压力习惯称为大气压。由于地球周围大气层的厚度高达数千千米，越靠近地表空气密度

6、越大，空气分子数越多，分子热运动的平均动能越大，所以大气压力也越大。此外，大气压力还与当地的气候条件有关，即便是同一地区，也会随季节不同而变化，甚至一昼夜内都有波动。四、空气的粘性任何流体都有粘性。当流体以任一流速在管道中流动时，靠近管道中心的流层流速快，靠近管道壁的流层流速慢，相邻两流层之间的接触面上便产生粘性阻力（内摩擦力），以阻止其相对运动，流体具有的这一性质，称为流体的粘性。根据牛顿内摩擦力定律，流体分层间的内摩擦力为：F=μS（2-5）式中F——内摩擦力，N；μ——动力粘性系数，Pa·s；S——流层之间的接触面积，m2；dv/dy——垂直于流动方向上的速度梯度，s-1。由上式可以

7、看出，当流体不流动或分层间无相对运动时，dv/dy=0，则F=0。需要说明的是，不论流体是否流动，流体具有粘性的性质是不变的。在矿井通风中，除了用动力粘性系数μ表示空气粘性大小外，还常用运动粘性系数ν（m2/s）来表示，与动力粘性系数的关系为：（2-6）式中ρ——空气的密度，kg/m3。流体的粘性随温度和压力的变化而变化。对空气而言，粘性系数随温度的升高而增大，压力对粘性系数的影响可以忽略。当温度为20℃，压力为0.1M