风流的能量与压力

矿井通风系统中，风流在井巷某断面上所具有的总机械能（包括静压能、动能和位能）及内能之和叫做风流的能量。风流之所以能够流动，其根本原因是系统中存在着能量差，所以风流的能量是风流流动的动力。单位体积空气所具有的能够对外做功的机械能就是压力。能量与压力即有区别又有，除了内能是以热的形式存在于风流中外，其它三种能量一般通过压力来体现，也就是说井巷任一通风断面上存在的静压能、动能和位能可用静压、动压、位压来呈现。

一、静压能—静压

1、静压能与静压的概念

由分子热运动理论可知，不论空气处于静止状态还是流动状态，空气分子都在做无规则的热运动。这种由空气分子热运动而使单位体积空气具有的对外做功的机械能量叫静压能，用E静表示（J/m3）。空气分子热运动不断地撞击器壁所呈现的压力（压强）称为静压力，简称静压，用P静表示（N/m2，即Pa）。

由于静压是静压能的体现，二者分别代表着空气分子热运动所具有的外在表现和内涵，所以在数值上大小相等，静压是静压能的等效表示值。

2、静压的特点

（1）只要有空气存在，不论是否流动都会呈现静压；

（2）由于空气分子向器壁撞击的机率是相同的，所以风流中任一点的静压各向同值，且垂直作用于器壁；

（3）静压是可以用仪器测量的，大气压力就是地面空气的静压值；

（4）静压的大小反映了单位体积空气具有的静压能。

3、空气压力的两种测算基准

空气的压力根据所选用的测算基准不同可分为两种，即压力和相对压力。

（1）压力：以真空为基准测算的压力称为压力，用P表示。由于以真空为零点，有空气的地方压力都大于零，所以压力总是正值。

（2）相对压力：以当地当时同标高的大气压力为基准测算的压力称为相对压力，用h表示。对于矿井空气来说，井巷中空气的相对压力h就是其压力P与当地当时同标高的地面大气压力P0的差值。即：

                    h＝P － P0                          （2-7）

当井巷空气的压力一定时，相对压力随大气压力的变化而变化。在压入式通风矿井中，井下空气的压力都高于当地当时同标高的大气压力，相对压力是正值，称为正压通风；在抽出式通风矿井中，井下空气的压力都低于当地当时同标高的大气压力，相对压力是负值，又称为负压通风。由此可以看出，相对压力有正压和负压之分。在不同通风方式下，压力、相对压力和大气压力三者的关系见图2-1所示。

图2-1  压力、相对压力和大气压力之间的关系

二、动能—动压

1、动能与动压的概念

空气做定向流动时具有动能，用E动表示（J/m3），其动能所呈现的压力称为动压（或速压），用h动（或h速）表示，单位Pa。

2、动压的计算式

设某点空气密度为ρ（kg/m3），定向流动的流速为v（m/s），则单位体积空气所具有的动能为E动：

                   E动＝，J/m3                        （2-8）

E动对外所呈现的动压为：

                  h动＝，Pa                         （2-9）

3、动压的特点

（1）只有做定向流动的空气才呈现出动压；

（2）动压具有方向性，仅对与风流方向垂直或斜交的平面施加压力。垂直流动方向的平面承受的动压zui大，平行流动方向的平面承受的动压为零；

（3）在同*动断面上，因各点风速不等，其动压各不相同；

（4）动压无压力与相对压力之分，总是大于零。

三、位能—位压

1、位能与位压的概念

单位体积空气在地球引力作用下，由于位置高度不同而具有的一种能量叫位能，用E位（J/m3）表示。位能所呈现的压力叫位压，用P位（Pa）表示。需要说明的是，位能和位压的大小，是相对于某一个参照基准面而言的，是相对于这个基准面所具有的能量或呈现的压力。

2、位压的计算式

从地面上把质量为M（kg）的物体提高Z（m），就要对物体克服重力做功MgZ（J），物体因而获得了相同数量的位能，即：

                  E位＝Mg Z                        （2-10）

在地球重力场中，物体离地心越远，即Z值越大，其位能越大。

如图2-2所示的立井井筒中，如果求1—1断面相对于2—2断面的位压（或1—1断面与2—2断面的位压差），可取较低的2—2断面作为基准面（2—2断面的位压为零），按下式计算：

                      ＝ρ12gZ12，Pa            （2-11）

式中  ρ12——1、2断面之间空气柱的平均密度，kg/m3；

 Z12——1、2断面之间的垂直高差，m。

图2-2   立井井筒中位压计算图

矿井通风系统中，由于空气密度与标高的关系比较复杂，往往不是线性关系，空气柱的平均密度ρ12很难确定，在实际测定时，应在1—1和2—2断面之间布置多个测点（如图布置了a、b两个测点），分别测出各点和各段的平均密度（垂距较小时可取算术平均值），再由下式计算1—1断面相对于2—2断面的位压。

P位12＝ρ1agZ1a+ρabgZab+ρb2gZb2

            ＝∑ρijgZij ，Pa                                （2-12）

测点布置的越多，测段垂距越小，计算的位压越。

3、位压的特点

（1）位压只相对于基准面存在，是该断面相对于基准面的位压差。基准面的选取是任意的，因此位压可为正值，也可为负值。为了便于计算，一般将基准面设在所研究系统风流的zui低水平。

（2）位压是一种潜在的压力，不能在该断面上呈现出来。在静止的空气中，上断面相对于下断面的位压，就是下断面比上断面静压的增加值，可通过测定静压差来得知。在流动的空气中，只能通过测定高差和空气柱的平均密度用公式（2-12）计算。

（3）位压和静压可以相互转化。当空气从高处流向低处时，位压转换为静压；反之，当空气由低处流向高处时，部分静压将转化成位压。

（4）不论空气是否流动，上断面相对于下断面的位压总是存在的。

四、全压、势压和总压力

矿井通风中，为了研究方便，常把风流中某点的静压与动压之和称为全压；将某点的静压与位压之和称为势压；把井巷风流中任一断面（点）的静压、动压、位压之和称为该断面（点）的总压力。

井巷风流中两断面上存在的能量差即总压力差是风流之所以能够流动的根本原因，空气的流动方向总是从总压力大处流向总压力小处，而不是取决于单一的静压、动压或位压的大小。