井巷風速(air velocity in airway)是指井巷風流單位時間內流經的路程。空氣在井巷或管道中流動時，同一橫斷面上的風速分布不均勻。靠風道邊壁處有一很薄的層流邊層，流速較低。層流邊層以外，風道斷面上的絕大部分風流屬於紊流風流，風速大於邊層風速，並向軸心方向逐漸增大。
基本介紹
- 中文名：井巷風速
- 外文名：air velocity in airway
- 拼音：jǐng xiàng fēng sù
- 定義：井巷風流單位時間內流經的路程
- 相關名詞：井巷風流
- 套用學科：冶金術語
概述,井巷風速測定,井巷風速特徵,井巷風速測定方法,井巷風速分布規律,
概述
井巷風速(air velocity in airway)是指井巷風流單位時間內流經的路程。空氣在井巷或管道中流動時，同一橫斷面上的風速分布不均勻。靠風道邊壁處有一很薄的層流邊層，流速較低。層流邊層以外，風道斷面上的絕大部分風流屬於紊流風流，風速大於邊層風速，並向軸心方向逐漸增大。橫斷面上的風速分布大致呈拋物線狀。斷面上的風速平均值稱為斷面平均風速
，它等於風道通過的風量Q(
)除以斷面面積S(
)，即
。
礦井通風工程中均使用斷面平均風速。為提高通風的有效性，對各類不同作業面的最低風速有一定要求。井巷的最高允許風速如右圖所示。
井巷風速多用風表和熱電式風速儀測量。風表由葉輪、傳動機構和指針組成。根據葉片的不同形式，風表分為翼式和杯式兩種。當風流吹動葉輪時，傳動機構使指針轉動，記錄一定時間內指針所指的讀數，讀數經校正即為實際風速。翼式風表用於測量0.1～10m/s的風速，杯式風表用於測量1～20m/s的風速。風表使用前均需校正。熱電式風速儀有熱線式、熱球式和熱敏電阻式三種，可用以測量瞬時點風速。風筒中的高速風流可用皮托管——壓差計測出風流的動壓，再換算出測點的風速。
測量斷面平均風速的方法有移動法和布點法兩種。使用移動法測量時，將風表正對風流，並使其在巷道橫斷面上按一定路線均勻移動。使用布點法測量時，將巷道或風筒的橫斷面劃分為若干個面積相等的方格或同心環，測點布置在方格的中心或環內特定位置，分別測出各點的風速，然後求其算數平均值。
井巷風速測定
空氣在井巷中的風流速度是影響礦內環境條件與勞動效率的主要因素之一。由於風速的大小，對人體散熱有十分明顯的影響，所以風速過高或過低對井下的勞動環境，工人的身體健康和勞動效率都有不良的影響。為了檢查礦井通風情況和通風效果，以改善井下的勞動環境，就必須測量井巷和采場內的風流速度。
井巷風速特徵
眾所周知，空氣在地面上流動時，沒有固定邊界，當進入井下後，就要受到井巷周壁的約束和阻擋，形成與地面大氣流動所不同的連續穩定流動。
空氣在井巷中流動時，由於與井巷周壁摩擦以及空氣的粘性作用，井巷中的風流並不是沿著巷道的全斷面等速前進。在同一斷面上風流的速度是不相同的，巷道中心的風速最大，離中心向巷道周邊逐漸減小，巷道周邊處風速最小。礦井通風工程中所指的風速，通常是指單位時間內，井巷某斷面上各點風速的平均值，即平均風速，所以在實測中要注意此點。一般情況下，井巷斷面上的平均風速與最大風速之比為0.9。
井巷風速測定方法
（1）近似法測量風速
在沒有測風儀表的鄉鎮企業小型礦井可採用這種方法測定井巷內的風速。該方法的實施如右圖所示，工作人員中一人站立在風流的上風側位置1，從發味器或發煙器中，放出具有特殊氣味的物質，如氨、梨汁香精等或能形成煙霧的物質，如四氯化錫、四氯化鈦、四氯化矽等，並同時打開秒表，等到氣味或煙霧隨風流傳到站在下風測位置2的另一觀測者後，便立即發出信號，前者立即停止秒表，並記下時間。設兩人相距為 
米，則可按下式計算最大風速，即
。
（2）精確法測量風速
礦山常用風表來精確測量井巷內的風速。風表按迎風轉動部件的形式分為杯式風表和葉式風表兩種。
在礦山實際通風測量工作中，通常採用側身法測量井巷中的風速。用這種方法測風時，工作人員背向巷道壁站立，手持風表將手臂垂直風流方向伸出，並保持風表葉輪平面與風流方向垂直，然後在測量斷面上，按如右圖所示路線勻速移動風表1分鐘(斷面較大時用b線路，斷面較小時用c線路，要求較準確時用a線路)，即關閉風表，根據指針讀數和所用時間，按照公式
計算出錶速
，其中n為風錶盤刻度讀數，錶速計算出來後，再根據
值查所用風表的校正曲線，得出真風速
。
（3）風量計算
所謂風量，是指單位時間內通過井巷的空氣的容積，可按通過平巷的風量除以測風點井巷斷面積來計算風速。
（4）風表校正
所謂風表校正，就是用專門的設備(如旋臂式風表校正裝置和風洞式風表校正裝置等)，測定出不同的錶速與相應的真實風速之間的關係，然後在坐標紙上把它們繪成校正曲線。
每台新風表在出廠前都進行過校正，並附有校正曲線。但是，由於在使用過程中的磨損以及溫度、濕度、風速、粉塵的影響，使風表測定精度降低。因此每颱風表使用1年左右後，必須重新校正，即重新作出風表測定值和真風速之間的關係曲線——風表校正曲線。
井巷風速分布規律
礦山井巷多為梯形、拱形、方形或圓形，大體上近似圓形。為研究問題方便起見，以圓形巷道作為分析研究的基礎。井巷中的風流可劃分為兩部分。靠近巷道邊壁有一層很薄的層流邊層，大部分斷面上充滿著紊流風流，其風速大於邊界風速，並由巷道壁向軸心方向逐漸增大。研究中，將大於邊界風速的那部分稱為紊流風速，以
表示。巷道風速
等於邊界風速
與紊流時均風速
之和。即：
。
紊流風速是脈動的，以
表示軸向的真實風速，以
表示軸向的脈動風速，以
代表徑向的脈動風速。在軸方向則有：
。
在徑向方向則有：
。
式中，
——經向的真實風速，m/s。
水平圓管巷道中，風流紊流運動的基本方程式可套用式
。該式等號左邊第一項為風流由斷面Ⅰ流到斷面Ⅱ的壓力降。第二項是由流體黏性而引起的內摩擦力。等號右邊的
項是由於紊流脈動而引起的紊流切應力。對於像空氣這樣黏度很小的流體，黏性的作用僅在靠近巷道邊壁很薄的一層內起主導作用，少許離開巷道壁遠一些，黏性力作用已經很小。實際上主要是紊流切應力的作用。在井巷風速分布研究中，將黏性力項忽略不計，
簡化成
。
式中
——巷道斷面上某點距巷道軸心的距離，m。
從礦井通風工程套用的角度來看，風流脈動速度
與
在實際計算中不能套用，必須建立起脈動風速和它們的乘積
與時均速度
或它的導數
之間的關係。
根據東北大學通風實驗室的測定資料和對礦山巷道紊流風流排煙過程的實際觀察，井巷中的紊流風流具有強烈的不規則的擾動，擾動的尺度與巷道橫截面的尺寸成比例。在靠近巷道邊壁附近，擾動氣流受邊壁的限制，趨於平行巷道壁而流動，其橫行脈動分量逐漸減小，縱向脈動分量逐漸增大。在巷道中心附近，橫向脈動風速有所降低的原因是由於各擾動氣流互相影響的結果。假定紊流切應力
知；是巷道橫截面直徑
、紊流時均風速
和紊流時均流速隨巷道半徑的變化率
的函式，即：
。
當紊流切應力與
成正比時，套用因次分析方法，有：
。
式中 ：
——無因次比例係數；
列量綱方程式：
。
根據量綱平衡原則，可得：
，則
。
由此可得：
。
式中，負號表示
中的
與
的變化方向相反。此關係式還可變換成如下形式：
將此關係式代入式
中，並已知
，其中
為巷道半徑，得：
在靠近巷道邊壁的層流邊層上，
處，紊流風速
，將上式積分，可得：
整理後可得計算紊流核心中紊流時均風速
得公式：
巷道時均風速
為邊界風速
和時均風速
之和，即：
礦山通風中，測定和計算風量均以斷面平均風速為基礎，此風速是巷道通過的實際風量與巷道橫截面面積之比。對圓形巷道可按下式求算：
在高雷諾數條件下，層流邊層很薄，可近似地取
，積分上式，整理後可得：
在高雷諾數情況下．巷道的通風阻力符合平方阻力定律，即壓力降與斷面平均風速的平方成正比。其數學表達式為：
λ
。
式中
——摩擦阻力，m；
λ——摩擦阻力係數，無因次；
上式亦可寫成單位長度的壓力降
的形式，即：
λ
。
將此關係式代入
式中，在計算紊流風速
的式
中，取
後，再將壓力比降
的關係式代人，可得：
巷道斷面上任意一點的時均風速
，由式
和上式之和可求得：
在巷道軸心處
，時均風速有最大值，其最大風速
：
礦井通風中所使用的摩擦阻力係數
是有因次的，與流體力學中使用的 λ值之間，存在如下關係：
λ/8 。
在國家法定計量單位制中，礦內空氣的密度
，於是：λ=6.667a或者a=0.15λ 。進一步得：
通過上述分析，對井巷中的風流分布可得如下結論：
(1)井巷中的風流可劃分為兩個組成部分，靠近巷道邊壁有一層很薄的層流邊層，其風速較低，可按下式計算：
，巷道粗糙度越大，層流邊層的風速越低。
(2)在井巷中央絕大部分斷面上，充滿著紊流風速。紊流時均風速越靠近巷道中心越高，可按下式計算：
，巷道壁越光滑，速度分布越平緩；巷道壁越粗糙，速度圖形越陡峭。
(3)井巷斷面上的風速
可按公式
計算。井巷中心最大風速 
可按公式 
計算。
可按公式 
計算。巷道越光滑，
值越高。
(4)從礦井通風效果來看，光滑的井巷，邊層風速高，斷面風速分布較均勻，排煙排塵較容易，通風效果好。粗糙的巷道，情況相反，通風效果差。有放礦漏斗的電耙道和斷面不規則的採礦場，雖屬巷道型風流，但由於主風流不能充分清洗整個斷面，在邊角地帶風流微弱，煙塵排除較慢，通風困難。井巷的粗糙程度和邊壁凹凸不平的狀況，對煙塵排出過程的影響，不可忽視。
