LAB4.DOC

Ćwiczenie laboratoryjne nr 4

Rodzaje przepływów powietrza. Depresja naturalna

Ćwiczenie pomiarowo składa się z trzech części. Część I ma na celu znalezienie liczby Reynoldsa (prędkości powietrza) przy której następuje zmiana rodzaju przepływu np. z laminarnego w turbulentny, część II obejmuje wyznaczanie profilów prędkości w przekroju poprzecznym rurociągu, natomiast część III związana jest z wyznaczeniem depresji naturalnej (cieplnej) w oczku (bocznicy) sieci wentylacyjnej.

1.     ZAKRES MATERIAŁU DO OPANOWANIA

1)     Kopalniana sieć wentylacyjna i jej właściwości,

2)     Rodzaje przepływów powietrza, krytyczne liczby Reynoldsa,

3)       Równanie przepływu powietrza w bocznicy sieci wentylacyjnej,

4)     Dyssypacja energii w bocznicy, opór bocznicy i współczynniki oporu,

5)       Równanie ciągłości strumieni powietrza,

6)     Depresja naturalna, metody wyznaczania depresji naturalnej.

2.      WPROWADZENIE

              W przewodach, a także w bocznicach kopalnianej sieci wentylacyjnej, mogą zachodzić dwa rodzaje przepływów powietrza:

- laminarny (uwarstwiony),

- turbulentny (burzliwy).

Istnieje też inny podział przepływu na:

- laminarny,

- przejściowy,

- turbulentny.

Przy przepływie laminarnym przepływ powietrza odbywa się warstwowo, przy czym oddzielne warstwy powietrza przesuwają się równolegle do osi przewodu nie mieszając się między sobą.

Turbulentny przepływ powietrza charakteryzuje się tym, że elementy płynu poruszają się w sposób nieuporządkowany i po bardzo zawiłych torach, wskutek czego powstają ciągłe chaotyczne zaburzenia przepływu.

Dla stwierdzenia z jakim przepływem mamy do czynienia wyznacza się liczbę Reynoldsa Re z zależności:

                                                                                                                                                                                                                                                            (1)

gdzie:

              - prędkość średnia powietrza, m/s,

              - średnica ekwiwalentna (zastępcza, równoważna) wyrobiska górniczego,                                                         przy czym

                                                                                                                                                                                                                                                                          (2)

              - lepkość kinematyczna powietrza kopalnianego; = 15×10­-6 m2/s,

              A - pole przekroju poprzecznego wyrobiska, m2,

              B - obwód wyrobiska, m.

Wstawiając do wzoru (1) zależność (2) i uwzględniając wzór Szwyrkowa (słuszny dla obudowy ŁP)

                                                                                                                                                                                                                                                            (3)

otrzymamy relację

                                                                                                                                                                                                                                (4)

lub po przekształceniu (dla wyrobisk w obudowie ŁP):

                                                                                                                                                                                                                                              (5)

W praktyce rozróżnia się pierwszą (dolną) krytyczną liczbę Reynoldsa Rekr1 i drugą (górną) liczbę Reynoldsa Rekr2.

              Dla wyrobisk górniczych pierwsza liczba krytyczna wynosi Rekr1 = 1000¸1500 i charakteryzuje utratę stateczności laminarnego przepływu powietrza w wyrobisku.

              Statecznie burzliwy przepływ powietrza w wyrobiskach górniczych występuje po przekroczeniu drugiej krytycznej liczby Reynoldsa, przy czym nie ma jednolitego poglądu co do wartości tej liczby. Zazwyczaj przyjmuje się, ze statecznie burzliwy przepływ powietrza występuje, gdy Rekr2=50000¸80000.

              Laminarny przepływ powietrza może zachodzić w szczelinach górotworu, w otamowanych zrobach i polach pożarowych, w podsadzce suchej itp.

W czynnych wyrobiskach górniczych na ogół przepływ powietrza ma charakter turbulentny.

A. Strumiński proponuje przyjmować:

              - dla kopalń niemetanowych                 Remin = 30000,                                                                                                                (6)

              - dla kopalń metanowych                             Remin = 60000.                                                                                                                (7)

              Przy przepływie powietrza przez długi gładki przewód kołowy krytyczna liczba Reynoldsa wynosi

                                                                                                                              Re @ 2300.

Krytyczne prędkości powietrza, zależnie od średnicy rurociągu, mają wartości:

              Wartość liczby Re, przy której następuje przejście z przepływu laminarnego na turbulentny, zależy od wielu czynników, takich jak odległość od wlotu do wyrobiska, chropowatość ociosów, zaburzenia mechaniczne, cieplne itp.

              Bezwymiarowy współczynnik oporu liniowego (liczba oporu) zależy od liczby Re oraz chropowatości względnej przewodu, czyli od stosunku chropowatości bezwzględnej do promienia hydraulicznego r = d/2.

Wykres Nikuradse (rys.1) przedstawia zależność od Re i dla przewodu o przekroju kołowym.

              W przedziale liczb Re odpowiadającym przepływowi laminarnemu nie zależy od chropowatości ścian wyrobiska.

Dla ruchu turbulentnego maleje ze wzrostem liczby Re.

W przypadku przewodów chropowatych dla liczb Re z przedziału od około 4000 (przy dużych ) do około 630000 (przy małych) zależy od i Re.

              Dla wyższych Re wykresy wykonane dla różnych chropowatości stają się równoległe do osi odciętych, a tym samym nie zależy od Re.

Obszar przepływu laminarnego odpowiada liniowej zależności pomiędzy dyssypacją energii i prędkością przepływu powietrza.

Rys.1. Wykres Nikuradse

W obszarze w pełni rozwiniętego ruchu turbulentnego, gdy zależy tylko od , dyssypacja energii jest proporcjonalna do przepływu w drugiej potędze.

Przepływy dzielimy ponadto na:

              - stacjonarne,

              - niestacjonarne.

Przepływy stacjonarne nie zależą od czasu, natomiast przepływy niestacjonarne zależą od czasu.

3.      PRZEBIEG ĆWICZENIA

Część I. Wyznaczenie krytycznej liczby Reynoldsa przy której następuje przejście z ruchu laminarnego w turbulentny (rys. 2)

Dla wyznaczenia krytycznej liczby Reynoldsa należy na stanowisku (rys.2) obserwować zachowanie przepływającego powietrza.

Rys. 2. Schemat stanowiska

Przepływ powietrza wizualizowany jest za pomocą dymu. Zwiększając bardzo wolno strumień przepływającego przez rurę powietrza zaobserwować moment zmiany charakteru ruchu powietrza z laminarnego w turbulentny. Dla tego stanu określić strumień objętości powietrza przez pomiar w rurociągu doprowadzającym powietrze do rury (za pomocą termoanemometru). Dla wyznaczenia prędkości średniej wykorzystać metodę punktową. Następnie wykorzystując zasadę ciągłości strumienia powietrza określić prędkość powietrza w rurze centralnej. Mając prędkość przepływu powietrza w rurze centralnej wyznaczyć krytyczną (dolną) liczbę Reynoldsa.

Część II. Wyznaczenie rozkładu prędkości w przekroju poprzecznym rury o średnicy 292 mm (rys. 3)

              W tym celu dla dwóch różnych strumieni objętości powietrza zadanych przez prowadzącego należy określić rozkład prędkości wzdłuż dwóch, prostopadłych do siebie, kierunków. Pomiaru prędkości należy dokonać termoanemometrem. W oparciu o wyniki pomiarów prędkości  wykreślić profil prędkości w rurociągu.

Rys. 3. Schemat stanowiska do badania profilów prędkości powietrza

Część III. Wyznaczenie depresji naturalnej w oczku sieci wentylacyjnej (rys. 4)

              Wyznaczenia depresji naturalnej dokonać metodami:

A.    Metodą pomiaru wydatku przy zatrzymanym wentylatorze

W metodzie tej musimy znać opór sieci wentylacyjnej. W tym celu włączamy wentylator i mierzymy strumień powietrza przepływający przez sieć wentylacyjną i spiętrzenie wentylatora.

Dla wyznaczenia strumienia objętości powietrza mierzymy prędkość maksymalną powietrza wmax termoanemometrem i następnie, zgodnie z metodą punktową, wyznaczamy prędkość średnią wm , a dalej, znając pole przekroju poprzecznego rurociągu, strumień objętości powietrza.

Dla wyznaczenia spiętrzenia wentylatora mierzymy podciśnienie  w punkcie 6.

Wartość oporu sieci wyznaczymy z zależności:

                                                                                                                                                                        ...