[科普中国]-井巷风速

井巷风速(air velocity in airway)是指井巷风流单位时间内流经的路程。空气在井巷或管道中流动时，同一横断面上的风速分布不均匀。靠风道边壁处有一很薄的层流边层，流速较低。层流边层以外，风道断面上的绝大部分风流属于紊流风流，风速大于边层风速，并向轴心方向逐渐增大。1

概述井巷风速(air velocity in airway)是指井巷风流单位时间内流经的路程。空气在井巷或管道中流动时，同一横断面上的风速分布不均匀。靠风道边壁处有一很薄的层流边层，流速较低。层流边层以外，风道断面上的绝大部分风流属于紊流风流，风速大于边层风速，并向轴心方向逐渐增大。横断面上的风速分布大致呈抛物线状。断面上的风速平均值称为断面平均风速 ，它等于风道通过的风量Q( )除以断面面积S( )，即 。

矿井通风工程中均使用断面平均风速。为提高通风的有效性，对各类不同作业面的最低风速有一定要求。井巷的最高允许风速如右图所示。

井巷风速多用风表和热电式风速仪测量。风表由叶轮、传动机构和指针组成。根据叶片的不同形式，风表分为翼式和杯式两种。当风流吹动叶轮时，传动机构使指针转动，记录一定时间内指针所指的读数，读数经校正即为实际风速。翼式风表用于测量0.1～10m/s的风速，杯式风表用于测量1～20m/s的风速。风表使用前均需校正。热电式风速仪有热线式、热球式和热敏电阻式三种，可用以测量瞬时点风速。风筒中的高速风流可用皮托管——压差计测出风流的动压，再换算出测点的风速。

测量断面平均风速的方法有移动法和布点法两种。使用移动法测量时，将风表正对风流，并使其在巷道横断面上按一定路线均匀移动。使用布点法测量时，将巷道或风筒的横断面划分为若干个面积相等的方格或同心环，测点布置在方格的中心或环内特定位置，分别测出各点的风速，然后求其算数平均值。1

井巷风速测定空气在井巷中的风流速度是影响矿内环境条件与劳动效率的主要因素之一。由于风速的大小，对人体散热有十分明显的影响，所以风速过高或过低对井下的劳动环境，工人的身体健康和劳动效率都有不良的影响。为了检查矿井通风情况和通风效果，以改善井下的劳动环境，就必须测量井巷和采场内的风流速度。

井巷风速特征众所周知，空气在地面上流动时，没有固定边界，当进入井下后，就要受到井巷周壁的约束和阻挡，形成与地面大气流动所不同的连续稳定流动。

空气在井巷中流动时，由于与井巷周壁摩擦以及空气的粘性作用，井巷中的风流并不是沿着巷道的全断面等速前进。在同一断面上风流的速度是不相同的，巷道中心的风速最大，离中心向巷道周边逐渐减小，巷道周边处风速最小。矿井通风工程中所指的风速，通常是指单位时间内，井巷某断面上各点风速的平均值，即平均风速，所以在实测中要注意此点。一般情况下，井巷断面上的平均风速与最大风速之比为0.9。

井巷风速测定方法（1）近似法测量风速

在没有测风仪表的乡镇企业小型矿井可采用这种方法测定井巷内的风速。该方法的实施如右图所示，工作人员中一人站立在风流的上风侧位置1，从发味器或发烟器中，放出具有特殊气味的物质，如氨、梨汁香精等或能形成烟雾的物质，如四氯化锡、四氯化钛、四氯化硅等，并同时打开秒表，等到气味或烟雾随风流传到站在下风测位置2的另一观测者后，便立即发出信号，前者立即停止秒表，并记下时间。设两人相距为 米，则可按下式计算最大风速，即。

（2）精确法测量风速

矿山常用风表来精确测量井巷内的风速。风表按迎风转动部件的形式分为杯式风表和叶式风表两种。

在矿山实际通风测量工作中，通常采用侧身法测量井巷中的风速。用这种方法测风时，工作人员背向巷道壁站立，手持风表将手臂垂直风流方向伸出，并保持风表叶轮平面与风流方向垂直，然后在测量断面上，按如右图所示路线匀速移动风表1分钟(断面较大时用b线路，断面较小时用c线路，要求较准确时用a线路)，即关闭风表，根据指针读数和所用时间，按照公式计算出表速 ，其中n为风表盘刻度读数，表速计算出来后，再根据值查所用风表的校正曲线，得出真风速 。

（3）风量计算

所谓风量，是指单位时间内通过井巷的空气的容积，可按通过平巷的风量除以测风点井巷断面积来计算风速。

（4）风表校正

所谓风表校正，就是用专门的设备(如旋臂式风表校正装置和风洞式风表校正装置等)，测定出不同的表速与相应的真实风速之间的关系，然后在坐标纸上把它们绘成校正曲线。

每台新风表在出厂前都进行过校正，并附有校正曲线。但是，由于在使用过程中的磨损以及温度、湿度、风速、粉尘的影响，使风表测定精度降低。因此每台风表使用1年左右后，必须重新校正，即重新作出风表测定值和真风速之间的关系曲线——风表校正曲线。2

井巷风速分布规律矿山井巷多为梯形、拱形、方形或圆形，大体上近似圆形。为研究问题方便起见，以圆形巷道作为分析研究的基础。井巷中的风流可划分为两部分。靠近巷道边壁有一层很薄的层流边层，大部分断面上充满着紊流风流，其风速大于边界风速，并由巷道壁向轴心方向逐渐增大。研究中，将大于边界风速的那部分称为紊流风速，以 表示。巷道风速 等于边界风速 与紊流时均风速 之和。即： 。

紊流风速是脉动的，以 表示轴向的真实风速，以 表示轴向的脉动风速，以 代表径向的脉动风速。在轴方向则有： 。

在径向方向则有： 。

式中， ——经向的真实风速，m/s。

水平圆管巷道中，风流紊流运动的基本方程式可应用式 。该式等号左边第一项为风流由断面Ⅰ流到断面Ⅱ的压力降。第二项是由流体黏性而引起的内摩擦力。等号右边的 项是由于紊流脉动而引起的紊流切应力。对于像空气这样黏度很小的流体，黏性的作用仅在靠近巷道边壁很薄的一层内起主导作用，少许离开巷道壁远一些，黏性力作用已经很小。实际上主要是紊流切应力的作用。在井巷风速分布研究中，将黏性力项忽略不计， 简化成 。

式中 ——巷道断面上某点距巷道轴心的距离，m。

从矿井通风工程应用的角度来看，风流脉动速度 与 在实际计算中不能应用，必须建立起脉动风速和它们的乘积 与时均速度 或它的导数 之间的关系。

根据东北大学通风实验室的测定资料和对矿山巷道紊流风流排烟过程的实际观察，井巷中的紊流风流具有强烈的不规则的扰动，扰动的尺度与巷道横截面的尺寸成比例。在靠近巷道边壁附近，扰动气流受边壁的限制，趋于平行巷道壁而流动，其横行脉动分量逐渐减小，纵向脉动分量逐渐增大。在巷道中心附近，横向脉动风速有所降低的原因是由于各扰动气流互相影响的结果。假定紊流切应力 知；是巷道横截面直径 、紊流时均风速 和紊流时均流速随巷道半径的变化率 的函数，即： 。

当紊流切应力与 成正比时，应用因次分析方法，有： 。

式中 ： ——无因次比例系数；

——巷道直径，m；

——未知指数。

列量纲方程式： 。

根据量纲平衡原则，可得： ，则 。

由此可得： 。

式中，负号表示 中的 与 的变化方向相反。此关系式还可变换成如下形式：

将此关系式代入式 中，并已知 ，其中 为巷道半径，得：

在靠近巷道边壁的层流边层上， 处，紊流风速 ，将上式积分，可得：

整理后可得计算紊流核心中紊流时均风速 得公式：

巷道时均风速 为边界风速 和时均风速 之和，即：

矿山通风中，测定和计算风量均以断面平均风速为基础，此风速是巷道通过的实际风量与巷道横截面面积之比。对圆形巷道可按下式求算：

在高雷诺数条件下，层流边层很薄，可近似地取 ，积分上式，整理后可得：

在高雷诺数情况下．巷道的通风阻力符合平方阻力定律，即压力降与断面平均风速的平方成正比。其数学表达式为： λ 。

式中 ——摩擦阻力，m；

λ——摩擦阻力系数，无因次；

——巷道长度，m。

上式亦可写成单位长度的压力降 的形式，即： λ 。

将此关系式代入 式中，在计算紊流风速 的式 中，取 后，再将压力比降 的关系式代人，可得：

巷道断面上任意一点的时均风速 ，由式 和上式之和可求得：

在巷道轴心处 ，时均风速有最大值，其最大风速 ：

矿井通风中所使用的摩擦阻力系数 是有因次的，与流体力学中使用的 λ值之间，存在如下关系： λ/8 。

在国家法定计量单位制中，矿内空气的密度 ，于是：λ=6.667a或者a=0.15λ 。进一步得：

通过上述分析，对井巷中的风流分布可得如下结论：

(1)井巷中的风流可划分为两个组成部分，靠近巷道边壁有一层很薄的层流边层，其风速较低，可按下式计算： ，巷道粗糙度越大，层流边层的风速越低。

(2)在井巷中央绝大部分断面上，充满着紊流风速。紊流时均风速越靠近巷道中心越高，可按下式计算： ，巷道壁越光滑，速度分布越平缓；巷道壁越粗糙，速度图形越陡峭。

(3)井巷断面上的风速 可按公式 计算。井巷中心最大风速 可按公式 计算。 可按公式 计算。巷道越光滑，值越高。

(4)从矿井通风效果来看，光滑的井巷，边层风速高，断面风速分布较均匀，排烟排尘较容易，通风效果好。粗糙的巷道，情况相反，通风效果差。有放矿漏斗的电耙道和断面不规则的采矿场，虽属巷道型风流，但由于主风流不能充分清洗整个断面，在边角地带风流微弱，烟尘排除较慢，通风困难。井巷的粗糙程度和边壁凹凸不平的状况，对烟尘排出过程的影响，不可忽视。3

本词条内容贡献者为:

胡启洲 - 副教授 - 南京理工大学