1、工業(yè)通風(fēng)與除塵 李德順 沈陽(yáng)理工大學(xué)-安全工程教研室 E-mail:,第二章 空氣流動(dòng)的壓力與阻力,2.1 空氣流動(dòng)的能量方程及其應(yīng)用,一、空氣流動(dòng)連續(xù)性方程,風(fēng)流從1斷面流向2斷面，在流動(dòng)過(guò)程中既無(wú)漏風(fēng)又無(wú) 補(bǔ)給，則流入1斷面的空氣質(zhì)量M 1與流出2斷面的空氣 質(zhì)量M 2相等，即 M 1M 2，（kg/s ） 或 1v1S1dt2v 2S2dt 式中 1、21、2斷面上空氣的平均密 v1、v21、2斷面上空氣的平均流速，m/s S1、S21、2斷面的斷面積，m2。 式為空氣流動(dòng)的連續(xù)性方程，適用于可壓縮和不可壓 縮流體。,對(duì)于不可壓縮流體，即12，則有 v1S1v2S2 上式說(shuō)明，在流量一定

2、的條件下，斷面上風(fēng) 流的平均流速與過(guò)流斷面的面積成反比，斷面越 大流速越小，斷面越小流速越大?？紤]到風(fēng)流可 近似地認(rèn)為是不可壓縮流體，應(yīng)用空氣流動(dòng)的連 續(xù)性方程，可以方便地解決風(fēng)速、風(fēng)量測(cè)算和風(fēng) 量平衡問(wèn)題。,習(xí)題,例：風(fēng)流在如圖所示的巷道中流動(dòng)，已知121.12kg/m3，S18m2，S26m2，v14m/s。求1、2兩斷面上通過(guò)的質(zhì)量流量M 1、M 2；體積流量（風(fēng)量）Q1、Q2； 2斷面的平均風(fēng)速v 2。,解 ： （1）M 1M 21v1S11.124835.84kg/s （2）Q1Q2v1S14832m3/s （3）v2Q2/S232/65.33m/s,二 風(fēng)流流動(dòng)能量方程,根據(jù)機(jī)械能

3、守恒定律，單位質(zhì)量不可壓縮的實(shí)際流體從 1斷面流向2斷面的能量方程為： 式中 P1/、P2/單位質(zhì)量流體在1、2斷面所具有的靜 壓能，J/kg； v12/2、v22/2單位質(zhì)量流體在1、2斷面所具有的動(dòng)能， J/kg； Z1 g、Z2 g 單位質(zhì)量流體在1、2斷面上相對(duì)于基準(zhǔn) 面所具有的位能，J/kg； H損單位質(zhì)量流體流經(jīng)1、2斷面之間克服阻力所損 失的能量，J/kg,按習(xí)慣，常用單位體積的能量來(lái)代替方程中單位質(zhì)量的能量，即將 公式中的各項(xiàng)乘以，得到如下單位體積實(shí)際流體的能量方程： 式中 P1、P2單位體積風(fēng)流在1、2斷面所具有的靜壓能或絕對(duì)靜 壓，J/m3或Pa； v12/2、v22/2單

4、位體積風(fēng)流在1、2斷面所具有的動(dòng)能或 動(dòng)壓，J/m3或Pa； Z1g 、Z2g 單位體積風(fēng)流在1、2斷面上相對(duì)于基準(zhǔn)面所 具有的位能或位壓，J/m3或Pa； h阻12單位體積風(fēng)流克服1、2斷面之間的阻力所消耗的能量 或壓力，J/kg或Pa。,考慮到空氣密度畢竟有一定的變化，為了能正確反映能量守恒定律，用風(fēng)流在1、2斷面的空氣密度1、2代替上式動(dòng)能中的，用1、2斷面與基準(zhǔn)面之間的平均空氣密度1、2代替上式位能中的，得下式：,利用公式計(jì)算時(shí)，應(yīng)特別注意動(dòng)壓中1、 2與位壓中1、2的選取方法。動(dòng)壓中的 1、2分別取1、2斷面風(fēng)流的空氣密度，位 壓中的1、2視基準(zhǔn)面的選取情況按下述方法 計(jì)算：,（1）

5、當(dāng)1、2斷面位于礦井最低水平的同一側(cè)時(shí)，如圖2-13a所示，可將位壓的基準(zhǔn)面選在較低的2斷面，此時(shí)，2斷面的位壓為0（Z20），1斷面相對(duì)于基準(zhǔn)面的高差為Z12，空氣密度取其平均密度12，如精度不高時(shí)可取12（12）/2（1、2為1、2兩斷面風(fēng)流的空氣密度）。,（2）當(dāng)1、2斷面分別位于礦井最低水平的兩側(cè)時(shí)，如圖2-13b所示，應(yīng)將位壓的基準(zhǔn)面（00）選在最低水平，此時(shí)，1、2斷面相對(duì)于基準(zhǔn)面的高差分別為Z10 、Z20，空氣密度則分別為兩側(cè)斷面距基準(zhǔn)面的平均密度10與20，當(dāng)高差不大或精度不高時(shí)，可取10（10）/2，20（20）/2。,習(xí)題,例：某傾斜巷道如圖所示，測(cè)得1、2兩斷面的絕對(duì)靜

6、壓分別為98200Pa和97700Pa；平均風(fēng)速分別為4m/s和3m/s；空氣密度分別為1.14kg/m3和1.12 kg/m3；兩斷面的標(biāo)高差為50m。求1、2兩斷面間的通風(fēng)阻力并判斷風(fēng)流方向。,解：取標(biāo)高較低的1斷面為位壓基準(zhǔn)面，并假設(shè)風(fēng)流方向?yàn)?2，根據(jù)能量方程： （9820097700）（1.1442/2 1.1232/2）050(1.141.12)/29.8 -54Pa 因?yàn)榍蟮玫耐L(fēng)阻力為負(fù)值，說(shuō)明1斷面的總壓力小 于2斷面的總壓力，原假設(shè)風(fēng)流方向不正確，風(fēng)流方向 應(yīng)為21，通風(fēng)阻力為54 Pa。,能量方程是通風(fēng)中的基本定律，通過(guò)實(shí)例分 析可以得出以下規(guī)律： （1）不論在任何條件下

7、，風(fēng)流總是從總壓力 大的斷面流向總壓力小的斷面； （2）在水平巷道中，因?yàn)槲粔翰畹扔诹悖L(fēng) 流將由絕對(duì)全壓大的斷面流向絕對(duì)全壓小的斷 面； （3）在等斷面的水平巷道中，因?yàn)槲粔翰睢?動(dòng)壓差均等于零，風(fēng)流將從絕對(duì)靜壓大的斷面流 向絕對(duì)靜壓小的斷面。,第2.2節(jié) 空氣流動(dòng)壓力,通風(fēng)系統(tǒng)中，風(fēng)流在井巷某斷面上所具有的總機(jī)械能（包括靜壓能、動(dòng)能和位能）及內(nèi)能之和叫做風(fēng)流的能量。風(fēng)流之所以能夠流動(dòng)，其根本原因是系統(tǒng)中存在著能量差，所以風(fēng)流的能量是風(fēng)流流動(dòng)的動(dòng)力。單位體積空氣所具有的能夠?qū)ν庾龉Φ臋C(jī)械能就是壓力。能量與壓力即有區(qū)別又有聯(lián)系，除了內(nèi)能是以熱的形式存在于風(fēng)流中外，其它三種能量一般通過(guò)壓力來(lái)體現(xiàn)

8、，也就是說(shuō)井巷任一通風(fēng)斷面上存在的靜壓能、動(dòng)能和位能可用靜壓、動(dòng)壓、位壓來(lái)呈現(xiàn)。,一、靜壓能靜壓,1. 靜壓能與靜壓的概念 由分子熱運(yùn)動(dòng)理論可知，不論空氣處于靜止?fàn)顟B(tài)還是流動(dòng)狀態(tài)，空氣分子都在做無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。這種由空氣分子熱運(yùn)動(dòng)而使單位體積空氣具有的對(duì)外做功的機(jī)械能量叫靜壓能，用E靜表示（J/m3）。空氣分子熱運(yùn)動(dòng)不斷地撞擊器壁所呈現(xiàn)的壓力（壓強(qiáng)）稱為靜壓力，簡(jiǎn)稱靜壓，用P靜表示（N/m2，即Pa）。 由于靜壓是靜壓能的體現(xiàn)，二者分別代表著空氣分子熱運(yùn)動(dòng)所具有的外在表現(xiàn)和內(nèi)涵，所以在數(shù)值上大小相等，靜壓是靜壓能的等效表示值。,2、空氣壓力的兩種測(cè)算基準(zhǔn),空氣的壓力根據(jù)所選用的測(cè)算基準(zhǔn)不同可分

9、為兩種，即絕對(duì)壓力和相對(duì)壓力。 （1）絕對(duì)壓力：以真空為基準(zhǔn)測(cè)算的壓力稱為絕對(duì)壓力，用P表示。由于以真空為零點(diǎn)，有空氣的地方壓力都大于零，所以絕對(duì)壓力總是正值。 （2）相對(duì)壓力：以當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)同標(biāo)高的大氣壓力為基準(zhǔn)測(cè)算的壓力稱為相對(duì)壓力，用h表示。對(duì)于礦井空氣來(lái)說(shuō)，井巷中空氣的相對(duì)壓力h就是其絕對(duì)壓力P與當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)同標(biāo)高的地面大氣壓力P0的差值。即：,當(dāng)井巷空氣的絕對(duì)壓力一定時(shí)，相對(duì)壓力隨大氣壓力的變化而變化。在壓入式通風(fēng)礦井中，井下空氣的絕對(duì)壓力都高于當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)同標(biāo)高的大氣壓力，相對(duì)壓力是正值，稱為正壓通風(fēng)；在抽出式通風(fēng)礦井中，井下空氣的絕對(duì)壓力都低于當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)同標(biāo)高的大氣壓力，相對(duì)壓力是負(fù)值，又稱為

10、負(fù)壓通風(fēng)。由此可以看出，相對(duì)壓力有正壓和負(fù)壓之分。在不同通風(fēng)方式下，絕對(duì)壓力、相對(duì)壓力和大氣壓力三者的關(guān)系見(jiàn)圖2-1所示。,2、靜壓的特點(diǎn),（1）只要有空氣存在，不論是否流動(dòng)都會(huì)呈現(xiàn)靜壓； （2）由于空氣分子向器壁撞擊的機(jī)率是相同的，所以風(fēng)流中任一點(diǎn)的靜壓各向同值，且垂直作用于器壁； （3）靜壓是可以用儀器測(cè)量的，大氣壓力就是地面空氣的靜壓值； （4）靜壓的大小反映了單位體積空氣具有的靜壓能。,二、動(dòng)能動(dòng)壓,1、動(dòng)能與動(dòng)壓的概念 空氣做定向流動(dòng)時(shí)具有動(dòng)能，用E動(dòng)表示 （J/m3），其動(dòng)能所呈現(xiàn)的壓力稱為動(dòng)壓（或 速壓），用h動(dòng)（或h速）表示，單位Pa。,2、動(dòng)壓的計(jì)算式 設(shè)某點(diǎn)空氣密度為（kg

11、/m3），定向流動(dòng) 的流速為v（m/s），則單位體積空氣所具有的動(dòng) 能為E動(dòng)： E動(dòng) ，J/m3 E動(dòng)對(duì)外所呈現(xiàn)的動(dòng)壓為： h動(dòng) ，Pa,3、動(dòng)壓的特點(diǎn),（1）只有做定向流動(dòng)的空氣才呈現(xiàn)出動(dòng)壓； （2）動(dòng)壓具有方向性，僅對(duì)與風(fēng)流方向垂直 或斜交的平面施加壓力。垂直流動(dòng)方向的平面承 受的動(dòng)壓最大，平行流動(dòng)方向的平面承受的動(dòng)壓 為零； （3）在同一流動(dòng)斷面上，因各點(diǎn)風(fēng)速不等， 其動(dòng)壓各不相同； （4）動(dòng)壓無(wú)絕對(duì)壓力與相對(duì)壓力之分，總是 大于零。,三、位能位壓,1、位能與位壓的概念 單位體積空氣在地球引力作用下，由于位置 高度不同而具有的一種能量叫位能，用E位 （J/m3）表示。位能所呈現(xiàn)的壓力叫位

12、壓，用P 位（Pa）表示。需要說(shuō)明的是，位能和位壓的 大小，是相對(duì)于某一個(gè)參照基準(zhǔn)面而言的，是相 對(duì)于這個(gè)基準(zhǔn)面所具有的能量或呈現(xiàn)的壓力。,2、位壓的計(jì)算式,從地面上把質(zhì)量為M（kg）的物體提高Z（m），就要對(duì)物體克服重力做功MgZ（J），物體因而獲得了相同數(shù)量的位能，即： E位Mg Z 在地球重力場(chǎng)中，物體離地心越遠(yuǎn)，即Z值 越大，其位能越大。,如圖所示的立井井筒中，如果求11斷面相對(duì)于22斷面的位壓（或11斷面與22斷面的位壓差），可取較低的22斷面作為基準(zhǔn)面（22斷面的位壓為零），按下式計(jì)算：,通風(fēng)系統(tǒng)中，由于空氣密度與標(biāo)高的關(guān)系比較復(fù)雜，往往不是線性關(guān)系，空氣柱的平均密度12很難確定，

13、在實(shí)際測(cè)定時(shí)，應(yīng)在11和22斷面之間布置多個(gè)測(cè)點(diǎn)（如圖布置了a、b兩個(gè)測(cè)點(diǎn)），分別測(cè)出各點(diǎn)和各段的平均密度（垂距較小時(shí)可取算術(shù)平均值），再由下式計(jì)算11斷面相對(duì)于22斷面的位壓。,3、位壓的特點(diǎn),（1）位壓只相對(duì)于基準(zhǔn)面存在，是該斷面相對(duì)于基準(zhǔn)面的位壓差?；鶞?zhǔn)面的選取是任意的，因此位壓可為正值，也可為負(fù)值。為了便于計(jì)算，一般將基準(zhǔn)面設(shè)在所研究系統(tǒng)風(fēng)流的最低水平。 （2）位壓是一種潛在的壓力，不能在該斷面上呈現(xiàn)出來(lái)。在靜止的空氣中，上斷面相對(duì)于下斷面的位壓，就是下斷面比上斷面靜壓的增加值，可通過(guò)測(cè)定靜壓差來(lái)得知。在流動(dòng)的空氣中，只能通過(guò)測(cè)定高差和空氣柱的平均密度用公式計(jì)算。 （3）位壓和靜壓可以相互轉(zhuǎn)化。當(dāng)空氣從高處流向低處時(shí)，位壓轉(zhuǎn)換為靜壓；反之，當(dāng)空氣由低處流向高處時(shí)，部分靜壓將轉(zhuǎn)