流体力学原理在煤矿通风系统分析与风机选择中的应用
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流体力学原理在煤矿通风系统分析与风机选择中的应用
摘要矿井的通风就是流体在井下巷道中的流动，通过应用流体力学原理同时结合煤矿井下的环境。

针对各巷道的特点对局部阻力成因进行分析，对各种参数进行计算，用科学的方式选择合理的通风方式和通风设备，同时得出解决井下通风过程中出现的一系列的问题的方法。

关键词流体力学参数计算通风设备涡漩
由于煤矿井下在生产的过程中会产生有毒、有害、有爆炸性的气体、粉尘等物质，但为了保证工作场所人员的安全、健康的工作《煤矿安全规程》规定这些气体、粉尘不得超过规定值。

基于此就需要对井下各工作地点创造良好的通风环境，保证有足够的新鲜空气，使气温适宜。

煤矿井下巷道风流运动过程中。

由于巷道两帮条件的变化。

均匀流在局部地区受到局部阻力物（如巷道断面突然变化、风流分叉与交汇、巷道转弯等）的影响而破坏，引起风流流速的大小、方向或分布的变化，产生涡漩等．造成风流的能量损失，同时又有可能引起瓦斯等有害气体的积聚，从而给安全带来隐患。

为了解决这些问题就需要对矿井的通风过程中的一些参数进行计算选择合理的通风方式和通风设备就显得尤为重要。

矿井局部通风机是煤矿采掘中不可缺少的通风安全设备，其性能特性的优劣直接与煤矿生产安全紧密相关。

从流体力学原理出发．以风机为例，给出合理选择风机的科学依据和方法，这对实现节能、安全、高效生产具有积极意义。

1 煤矿井下风流流动状态
风流在同一巷道中，因流速的不同，形成质不同的流动状态。

通过实验表明，流体在直巷内流动时，在一般情况下，当Re < 2000-3000流体状态为层流,当Re > 4000时流动状态为紊流，在Re = 2000-4000的区域内时，流动状态可能能是层流．也可能是紊流。

随着巷道的粗糙程度，风流根据进入巷道的情况等外部条件而定。

而层流流动时，只存在南黏性引起的各流层间的滑动摩擦力；紊流流动时，则有大小不同的涡体动荡于各流层之间，除了黏性阻力外，还存在由于质点掺混、互相碰撞所造成的惯性阻力。

巷道风流流态与巷道平均风速、断面及巷道周界长有关，具体表示为：
根据此公式可以计算出风流在巷道中的流动状态。

2 巷道通风阻力流体力学原理
2.1局部阻力的分析
风流在运动过程中，由于巷道边凸凹不平的变化，均匀的风流受到局部阻力而影响破坏，引起风流流速大小、方向的变化。

产生漩涡等。

局部阻力的成因和摩擦阻力类似，
局部阻力h。

一般用动压的倍数来表示：式中局部阻力系数。

实验表明，在层流条件下，流体经过局部阻力物后仍然保持层流，则局部阻力还是由流层之间的黏性切应力引起的，只是由于巷道两边的变化，使流速重新分布．加强了相邻流层问的相对运动，而增加了局部能量损失。

此时，局部阻力系数ξ与Re成反比，即：ξ= B/Re 式中：B：因局部阻力物形式不同而异的常数。

说明层流的局部阻力也是和平均流速，的次方成ν下比。

为了探讨局部阻力的成因，分析几种典型局部阻力物附近的流动情况。

紊流流体通过突变部位时，由于惯性力的作用，不能随从边壁突然转折。

出现主流与边壁脱离的现象，在主流与边壁之间形成涡漩区，产生大尺度涡漩，不断地被主流带走，补充进的流体，义形成新的涡漩．因而增加了能餐损失。

风流经过转弯处流体质点受到离心力的作用，在外侧形成减速增压区，也能出现涡漩。

过了转弯处，如流速较大且转弯曲率半径较小，则由于埙性作用。

在内侧又出现涡漩区。

它的大小和强度都比外侧的涡漩区大．是能量损失的主要部分。

由上讨论可知，局部的能量损失主要和涡漩区的存在有关系，涡漩区愈大，能量损失愈多。

仅仅流速分布的改变，能量损失是不会太大的。

在涡漩附近，主流的速度梯度增大，也增加能量损失，在涡漩被不断带走和扩散的过程中．使下游一定范围内的紊流脉动加剧。

增加r能赞损失．这段长度称为局部阻力物的影响长度，在它以后，流速分布和素流脉动才恢复到均匀流动的正常状态。

经查阅大量资料表明，紊流局部阻力系数ξ一般取决于局部阻力物的形状、边壁的粗糙程度，前者是主要影响因素，后者在粗糙程度较大的支架苍道中也需要考虑。

2.2 摩擦阻力的分析
由于流动状态的不同，摩擦阻力与流速的关系有不同的规律。

而矿井支护形式是多种多样的。

断面有大小，支架规格不同，巷道的相对粗糙度差别很大。

尤其棚架巷道在巷道壁附近容易产生强烈的涡漩和扰动，造成很大的损失。

巷道摩擦阻力与巷道粗糙程度、断面、周长、空气密度等有关系，具体为：h f=R f Q2 式中R f巷道的摩擦风阻。

3 通风设备的流体力学依据
3.1通风设备选型的普遍程序
通风设备选型中，在满足其用途的前提下，首先要仔细计算出系统所需的风量、风压等参数．然后去选择型号已定的通风设备，以免造成浪费的现象。

以风机为例．其选型一般遵循的步骤如下：
3.1.1 运用柏努利方程对系统管路的工艺计
系统工艺参数的设计主要是依据流体力学中的柏努利方程进行的，设计者应当能够较熟练运用。

式中p、ρ、v分别为流体的压强、密度和线性速度；h为铅垂高度；g为重力加速度；c为常量。

3.1.2 风量和风压的换算与计算
风量和风压是通风设备选型中的两个重要的基本参数，不管选用哪一厂家的通风设备都必须满足。

而设计风压P、风量Q与选型风压Ps、风量Qs，一般按照下二式来换算：Ps=(1．10～1．15)P； Qs=(1．05～1．10)Q另外，由于通风设备出厂标示的流量和风
压等性能参数，通常都是以标准状态为基准(通常是指在温度20℃，大气压强101325Pa时，输送相对湿度50％，密度1．2 k咖3的干空气时的状况)，所以要注意使用条件与标准状态的差异。

在通风设备选型时。

当输送介质的温度、密度、使用地点大气压与标准状态有较为明显差异时。

需按下式换算
到正常状态：
式中t——气体实际温度(℃)；Pa——当地大气压（Pa）一般认为，完成以上工作，就可以根据所得的风压、风量数据去选择合适的通风设备，其实这还远远不够，还需要考虑其它因素。

3.2 通风设备选型的其他重要参数
3.2.1 风机效率η
风机效率是单位时间风机输出空气所获得的能量(即有效功率)与电动机所输出能量(轴功率)之比，即η=QsPs／(10.2×3600ηtN)；式中：Qs～风机的风量(m3／11)；Ps～风机的全压(Pa)；ηt一机械传动效率，联轴传动为0.98三角皮带传动为0．95；η风机效率，一般为0．5—0．75；N一轴功率(KW）
有一些厂商在给出风机型号的同时．也给出了风机的效率效率、所需的轴功率、风机的噪声等参数。

在各种指标不能兼顾俱优的情况下，尽可能选择效率高的风机。

3.2.2电机安全系数k
轴功率是风机输送空气时轴上所需的动力，配电功率是电动机铭牌上标定的功率NB ，其单位都是kW 。

为了电动机运行的安全性。

配电功率都应大于轴功率，其差值与轴功率的比值称为安全系数．以符号k 表示为：
轴功率与安全系数的关系
由表可见，电动机轴功率不同，其安全系数也不相同，在配电功率给定的情况下，一定要注意风机的轴功率，看它们之间的数量关系是否满足表的要求。

3.2.3 比转数n B
比转数，是将某型号风机按几何相似的方法制造一台标准风机，此标准风机流量达到l 立方米，压力9．81Pa 。

效率最高时的转数。

对某型号风机而言它是个定值。

其与工艺要求转速n 应满足以下关系：
据此从各型号风机的无因次曲线中，查取比转数与计算值相符或最接近且效率最高的型号即为可用风机。

4 结束语
通过对以上几种典型局部阻力分析，以及对矿井风机各参数计算，在矿井巷道通风过程中，为减少局部风阻，应尽量避免井巷断面的突然变化；断面大小悬殊的井巷，其连接处断面应逐渐变化；尽量避免井巷直角转弯或大于90度的转弯，转弯处内外侧要做成圆弧形，有一定的曲率半径；在选用支护材料时，尽量采用相对粗糙度小的支护方式，从而可有效降低风流在巷道中产生的涡漩和扰动。

风机为代表的通风设备．其选型最基本参数是风压和风量。

注意规范中规定风量和风压这两个参数的系统设计值与所选用的风机设备的实际运行值允许有±10％的偏差。

能够完全符合风量风压要求更好，不完全符合的，其中任何参数都不要超出设计参数的±10％。

还须注意的是，单纯凭风压和风量参数选择通风设备的传统做法不科学，只有在合理确定风压和风量后按比转数选型才是科学合理的。

换言之，在诸多因素中，当效率、电动机安全系数都基本满足的情
轴功率KW
< 0.5 05--1 1--2 2--5 > 5 安全系数K 0.5 04 0.3 0.2 0.15
况下．比转数是确定通风设备选型的最重要因素。

参考文献
《工程流体力学》哈尔滨工业大学出版社赵存友
流体力学的原理在煤矿通风系统中的应用王飞
风机选型及网管优化布局浅析孙胜
风机、水泵系统经济运行与节电瞿克俊
管路背压与泵/风机的变速工况确定和变速节能【期刊论文】符永正《通风安全学》中国矿业大学出版社张国枢。