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绘制矿井通风网路图,一般可按如下步骤进行:
1.节点编号在矿井通风系统图上,沿风流方向将井巷风流的分合点加以编号。
编号顺序通常是沿风流方向从小到大,亦可按系统、按翼分开编号。
节点编号不能重复且要保持连续性。
2.分支连线将有风流连通的节点用单线条(直线或弧线)连接。
3.图形整理通风网路图的形状不是唯一的。
在正确反映风流分合关系的前提下,把图形画得简明、清晰、美观。
4.标注除标出各分支的风向、风量外,还应将进回风井、用风地点、主要漏风地点及主要通风设施等加以标注,并以图例说明。
绘制通风网路图的一般原则如下:
1.某些距离相近的节点,其间风阻很小时,可简化为一个节点。
2.风压较小的局部网路,可并为一个节点。
如井底车场等。
3.同标高的各进风井口与回风井口可视为一个节点。
4.用风地点并排布置在网路图的中部;
进风系统和回风系统分别布置在图的下部和上部;
进、回风井口节点分别位于图的最下端和最上端。
5.分支方向(除地面大气分支)基本应由下而上。
6.分支间的交叉尽可能少。
7.节点间应有一定的间距。
例5-1如图5-3所示为某矿通风系统示意图,试绘出该矿的通风网路图。
图5-3矿井通风系统示意图
解:
图中所示矿井两翼各布置一个采区,共有6个采煤工作面和4个掘进头;
独立通风硐室共有7个。
矿井漏风主要考虑4处风门漏风。
根据上述绘制网路图的一般步骤与一般原则,绘制的矿井通风网路图如图5-4所示。
绘制过程简述如下:
(1)在通风系统示意图上标注节点。
距离较近且无通风设施等处可并为一个节点,如图5-3中的5、13、14等处;
1和3之间也可不取节点2;
进、回风井口可视为一个节点。
(2)确定主要用风地点。
在网路图中可用长方形方框表示用风点,框内填写相应的名称,如图5-4中所示的采、掘工作面、独立通风各硐室等。
将它们在网路图中部“一”字形排开。
(3)确定进风节点。
根据用风地点的远近,布置在用风点的下部并一一标明清楚。
(4)确定回风节点。
根据用风地点的远近,布置在用风点的上部并一一标明清楚。
(5)节点连线。
连接风流相通的节点,可先连进风节点至用风点;
再连回风节点至用风点;
然后连各进、回风节点间的线路。
各步连线方向基本一致,总体方向从下向上。
(6)按
(2)~(5)绘出网路图草图,检查分合关系无误后,开始整理图形。
调整好各节点与用风地点的位置,使整体布局趋于合理。
此步较费力,需耐心反复修改直至满意为止。
(7)最后标注主要通风设施。
主通风机和局部通风机型号及其它通风参数等本图不作标示。
图5-4矿井通风网路图
(2)自然分配风量的计算
根据并联网路中各分支的风阻,计算各分支自然分配的风量。
可将公式(5-9)依次代入前述关系式(5-12)、(5-13)和(5-14)中,整理后得各分支分配的风量计算公式如下:
,m3/s(5-15)
,m3/s(5-16)
……
,m3/s(5-17)
四、角联通风及其特性
角联网路的特性是:
角联分支的风流方向是不稳定的。
现以图5-8所示的简单角联网路为例,分析其角联分支5中的风流方向变化可能出现的三种情况:
图5-8简单角联网路
1.角联分支5中无风流
(5-22)
式(5-22)即为角联分支5中无风流通过的判别式。
2.角联分支5中风向由②→③
即
(5-23)
式(5-23)即为角联分支5中风向由②→③的判别式。
3.角联分支5中风向由③→②
同理可推导出角联分支5中风向由③→②的判别式
(5-24)
由上述三个判别式可以看出,简单角联网路中角联分支的风向完全取决于两侧各邻近风路的风阻比,而与其本身的风阻无关。
通过改变角联分支两侧各邻近风路的风阻,就可以改变角联分支的风向。
第三节复杂通风网路解算
二、解算复杂通风网路的方法
复杂通风网路是由众多分支组成的包含串、并、角联在内结构复杂的网路。
其各分支风量分配难以直接求解。
通过运用风量分配的基本定律建立数学方程式,然后用不同的数学手段,可求解出网路内各分支自然分配的风量。
这种以网路结构和分支风阻为条件,求解网路内风量自然分配的过程,称为通风网路解算,也称为自然分风计算。
目前解算通风网路使用较广泛的是回路法,即首先根据风量平衡定律假定初始风量,由回路风压平衡定律推导出风量修正计算式,逐步对风量进行校正,直至风压逐渐平衡,风量接近真值。
下面主要介绍回路法中使用最多的斯考德–恒斯雷法。
1.解算通风网路的数学模型
斯考德–恒斯雷法是由英国学者斯考德和恒斯雷对美国学者哈蒂∙克劳斯提出的用于水管网的迭代计算方法进行改进并用于通风网路解算的。
对节点为m、分支为n的通风网路,可选定N=n-m+1个余树枝和独立回路。
以余树枝风量为变量,树枝风量可用余树枝风量来表示。
根据风压平衡定律,每一个独立回路对应一个方程,这样建立起一个由N个变量和N个方程组成的方程组,求解该方程组的根即可求出
个余树枝的风量,然后求出树枝的风量。
斯考德–恒斯雷法的基本思路是:
利用拟定的各分支初始风量,将方程组按泰勒级数展开,舍去二阶以上的高阶量,简化后得出回路风量修正值的一般数学表达式为:
(5-29)
式中
——独立回路中各分支风压(或阻力)的代数和。
分支风向与余树枝同向时其风压取正值,反之为负值。
——独立回路中各分支风量与风阻乘积的绝对值之和。
——独立回路中的通风机风压,其作用的风流方向与余树枝同向时取负值,反之为正值。
——独立回路中的自然风压,其作用的风流方向与余树枝同向时取负值,反之为正值。
按公式(5-29)分别求出各回路的风量修正值
,由此对各回路中的分支风量进行修正,求得风量的近似真实值,即
(5-30)
式中:
分别为修正前后分支风量。
的正负按所修正分支的风向与余树枝同向时取正值,反之取负值。
如此经过多次反复修正,各分支风量接近真值。
当达到预定的精度时计算结束。
此时所得到的近似风量,即可认为是要求的自然分配的风量。
上述公式(5-29)和(5-30)即为斯考德–恒斯雷法的迭代计算公式,也称其为哈蒂·
克劳斯法。
当独立回路中既无通风机又无自然风压作用时,公式(5-29)可简化为
(5-31)
为便于理解,下面以并联网路来解释回路风量修正值
的计算公式。
如图5-11所示为由两个分支1和2组成的并联网路,其总风量
,风阻分别为
和
。
设两个分支自然分配的真实风量分别为
,拟定的初始风量分别为
,则初拟风量与真实风量的差值即为回路风量修正值
若
,必有
则
,
根据
,得
图5-11并联网路
忽略二次微量
,整理得近似式:
故
将上式写成一般形式,即可得公式(5-29)与(5-31):
或
修正风量的计算公式,即公式(5-30):
2.解算步骤
使用斯考德–恒斯雷法,一般经过以下步骤:
(1)绘制通风网路图,标定风流方向。
(2)输入网路结构及数据。
(3)确定独立回路数,选择并确定独立回路的分支构成。
(4)拟定初始风量。
通常,先给余树枝赋一组初值,再计算各树枝初始风量。
(5)计算回路风量修正值,及时修正回路中各分支的风量。
(6)检查精度是否满足要求
每修正完一次网路中所有分支的风量,称为迭代一次。
每次迭代后应判断是否满足给定的精度要求,当某次迭代中各独立回路风量修正值均小于预定精度ε,迭代计算结束,即
<ε,1≤i≤N(5-32)
精度ε一般取0.01~0.001m3/s。
(7)计算通风网路总阻力、总风阻。
在斯考德–恒斯雷法中,其核心是每次迭代中各回路风量修正值的计算。
按上述步骤编写的计算机解算通风网路的应用软件较多。
此外,因该算法的回路修正值可逐个回路独立计算,简化了计算,因而也可以手算。
手算时要注意:
拟定的初始风量应尽量接近真实风量,以加快计算速度;
独立回路中分支的风压和回路风量修正值的符号也可按顺时针流向取正值,逆时针流向取负值确定,通风机风压和自然风压的符号按顺负逆正确定;
某分支风量,如在其它回路和后面的计算中再次出现,其风量的取值和风向应以最末一次渐近风量为准,而不再用初始值或前面的渐近值。
例5-2某通风网路图如图5-12所示,已知总风量为
m3/s,各分支风阻分别为:
,单位为Ns2/m8。
试用斯考德-恒斯雷法解算该网路的自然分风,并求其总阻力和总风阻。
(ε≤0.01m3/s)
图5-12角联通风网路
(1)判断角联分支3的风流方向
因
则
故知角联分支3的风向②→③。
(2)确定独立回路数
选定两个网孔
作为两个独立回路。
(3)拟定各分支的初始风量
可将角联分支3的风量初拟为0,即
风路①-②-④和①-③-④按两分支并联网路的风量自然分配拟定,具体如下:
m3/s
(4)迭代计算
回路
第一次迭代计算:
风量修正值
m3/s
风量修正
风量修正
按同样的方法,进行第二次、第三次……迭代计算,直到满足精度要求为止。
表5-1为本题计算过程和结果。
(5)计算精度校验
本例经过三次迭代计算即能满足指定精度要求,见表5-1。
(6)计算网路的总阻力与总风阻
Pa
Ns2/m8
表5-1迭代计算表
分
支
风阻
R(Ns2/m8)
第一次迭代计算
第二次迭代计算
第三次迭代计算
初始风量Q
(m3/s)
2RQ
RQ2
(Pa)
风量修正值ΔQ(m3/s)
渐近风量
Q/
初始风量
ΔQ
Q//
Q///
1
0.487
11.64
11.34
-65.98
13.39
13.04
-87.32
13.18
12.84
-84.60
13.16
2
0.652
13.36
17.42
+116.38
11.61
15.14
+87.88
11.82
15.41
+91.09
11.83
3
0.860
+1.75
2.99
5.14
-7.69
2.78
2.80
4.82
-6.74
2.79
小计
28.76
+50.40
-1.75
33.32
-7.13
+0.21
33.07
-0.25
+0.01
1.75
3.01
+2.63
4.78
+6.65
4.80
+6.70
4
0.984
22.91
-133.32
10.40
20.47
-106.43
10.38
20.43
-106.02
5
0.465
12.42
+83.00
14.60
13.58
+99.12
14.62
13.60
+99.39
38.34
-47.69
+1.24
38.83
-0.66
+0.02
+0.07
-0.002
三、计算机解算通风网络软件与应用简介
计算机解算复杂通风网路,速度快、精度高。
随着计算机的发展与普及,计算机解算通风网路得到了迅速发展,并已有了一些较成熟的通风网路解算软件。
下面介绍一个由安徽理工大学研制开发的通风网路解算软件MVENT。
1.MVENT软件的使用方法
在中文Windows环境下,启动MVENT软件,出现软件运行的主窗口如图5-13。
图5-13
MVENT软件主窗口
(1)通风网路原始数据的输入
从“数据”菜单选择“表格式数据”命令后,出现数据输入窗口。
选择“新建”命令,在对话框中选择“基本通风网络数据文件”,即出现图5-14表格,输入数据并存盘。
图5-14通风网络基础数据输入窗口
表中包括以下内容:
①分支:
是指各分支在网路图中的编号,应为正整数。
②巷道名称:
为不超过20个字符的连续字符串,不能有空格。
③类:
是指分支的类型,用来区别不同类型的井巷。
其取值如下:
1——一般分支,2——地面大气分支,3——风机分支,4——辅助通风机分支,5——漏风分支。
在本软件中,只要将风机分支正确标记,其余都可标为一般分支。
④形:
是指巷道的断面形状等的标识。
1——圆形,2——半圆形,3——三心拱,4——梯形(矩形),5——已知风阻,6——固定风量。
当取值为1-4时,分支风阻要根据阻力系数、分支长度、断面等计算;
取5时,则必须输入风阻值。
⑤始点、末点:
分别为分支的始节点和末节点号,应为正整数。
⑥系数:
是分支的摩擦阻力系数乘以10000后的数值。
当已知风阻时,可不输入(为0)。
单位可为国际单位或工程单位,注意单位应统一。
⑦长度:
是分支巷道的长度。
单位:
m。
⑧面积:
是分支巷道的平均断面积。
当已知风阻时可不输入(为0)。
m2。
⑨风阻:
当已知风阻(形为5)时输入。
⑩需风:
当分支为固定风量分支(形为6)时输入,否则无效。
m3/s。
(2)通风网络各分支位能差的输入
如果需要考虑通风网路中的自然风压时,应准备本文件。
通过给定各分支的位能差,软件将根据所选择的独立回路计算各回路的自然风压,并且在网路解算时起作用。
(解算前应在“选项”菜单中选择“读入分支位能差”。
)
从数据输入窗口的“文件”菜单下选择“新建”命令,选择对话框中“分支位能差数据文件”,即出现图5-15表格,输入数据并存盘。
图5-15通风网络分支位能差数据输入窗口
同上。
②密度:
是分支的平均风流密度。
如果输入0值,则软件自动赋为1.2kg/m3。
③位能差:
分支始末节点的位能差。
可按公式:
计算,式中
为分支平均密度,单位:
kg/m3;
分别为分支始末节点的标高,单位:
(3)风机特性数据的输入
从主窗口“数据”菜单中选择“风机数据”命令,即可调出风机特性数据输入对话框,如图5-16所示,输入数据并存盘。
风机数据输入对话框中包括如下数据输入项:
①风机名:
为不超过20个字符的连续字符串。
②风机所在分支:
为风机在通风网路中所在的分支号。
③风机风量:
是风机特性曲线上所取的一些特征点的风量,最多可输入12个特征点。
④风机风压:
是对应于上述风机风量的特征点的风机静压。
⑤风机功率:
是对应于上述风机风量时的风机输入功率。
图5-16风机特性数据输入对话框
(4)选项设定
在“网络解算”中选择“选项”,即可调出图5-17所示的选项设置对话框。
可设置独立回路选择方法、网路解算算法、是否读入自然风压文件和独立回路文件。
图5-17选项设置对话框
⑸网路解算
在“网络解算”中选择“网络解算”命令或单击工具栏上的计算器图标。
软件将自动提示输入所需的数据文件。
图5-18所示为提示输入“通风网络基础数据文件”的对话框。
同样按提示可输入“风机数据文件”和“分支位能文件”。
图5-18数据文件输入对话框
⑹结果分析
解算结果以表格形式显示,如图5-19所示。
图5-19网络解算结果显示窗口
2.网路解算应用
通风网路解算软件可用于解决矿井通风设计和矿井通风管理的实际问题:
(1)矿井设计时的风量分配、通风总阻力、风机工况点等的计算及风机选型和通风系统优化。
(2)生产矿井的风量调节计算、通风状态预测及矿井系统改造等。
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