一种压变风阻测定实验装置及方法

摘要

本发明属于矿山通风技术领域，公开了一种压变风阻测定实验装置及方法，装置包括上位机、通风装置和变压装置，通风装置包括环形密闭管道和设置于环形密闭管道内部的风机，沿环形密闭管道均匀设置有多组气体参数测量装置，变压装置包括压力源、定压储罐、调压储罐，压力源、定压储罐和调压储罐依次连通，定压储罐和调压储罐之间设置有调压电磁阀，调压储罐与环形密闭管道之间设置有手动通气阀，调压储罐内设置有气压传感器，气体参数测量装置、气压传感器、调压电磁阀、泄压阀、风机与上位机电连接；本发明从实际因素出发研究大气压力对摩擦阻力系数的变化，直接进行摩擦阻力系数的确定，进而可以去确定高低压环境下的摩擦风阻。

权利要求

1.一种压变风阻测定实验装置，其特征在于，包括上位机、通风装置和变压装置，所述通风装置包括环形密闭管道和设置于环形密闭管道内部的风机，沿所述环形密闭管道均匀设置有多组气体参数测量装置，所述变压装置用于调节环形密闭管道内的气压,所述变压装置包括压力源、定压储罐、调压储罐，所述压力源、定压储罐和调压储罐依次连通，定压储罐和调压储罐之间设置有调压电磁阀，调压储罐设置有泄压阀，调压储罐与环形密闭管道之间设置有手动通气阀，调压储罐内设置有气压传感器，所述气体参数测量装置、气压传感器、调压电磁阀、泄压阀、风机与上位机电连接，通过上位机控制风机的转速，气压传感器将收集到的数据传输至上位机，上位机根据接收到的气压数据控制调压电磁阀和泄压阀的开启或关闭。

2.根据权利要求1所述的一种压变风阻测定实验装置，其特征在于，所述气体参数测量装置包括多功能参数测试仪和微压差计。

3.根据权利要求2所述的一种压变风阻测定实验装置，其特征在于，所述环形密闭管道采用金属材质制成，由若干段金属管道首尾连接而成，相邻的金属管道之间通过法兰接头连接，所述法兰接头包括分别设置于相邻的金属管道外表面的连接法兰、定位密封环和密封圈，两个连接法兰之间的金属管道外壁套设有定位密封环，两个相邻的金属管道与定位密封环同轴设置，定位密封环的两端与两个连接法兰之间均通过密封圈实现密封，相邻的金属管道两端的连接法兰之间通过螺栓固定。

4.根据权利要求3所述的一种压变风阻测定实验装置，其特征在于，所述定位密封环开设有定位探测孔，定位探测孔内装配有皮托管，气体参数测量装置通过皮托管与环形密闭管道内部连通。

5.根据权利要求4所述的一种压变风阻测定实验装置，其特征在于，所述风机的扇叶的安装角为30°、45°或60°。

6.根据权利要求5所述的一种压变风阻测定实验装置，其特征在于，所述风机的扇叶的安装角为60°。

7.根据权利要求6所述的一种压变风阻测定实验装置，其特征在于，所述定压储罐还设置有排气阀。

8.一种压变风阻测定实验方法，采用如权利要求1～7中任意一项所述的一种压变风阻测定实验装置，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、利用变压装置将环形密闭管道内的压力调节至实验所需数值；

步骤2、开启风机，利用上位机将风机调节至实验所需转速，待环形密封管道内达到动态平衡后，选择风流相对稳定的一段作为实验测试段，将气体参数测量装置的刷新时间间隔设置为1S；

步骤3、利用气体参数测量装置测量实验测试段的风速v和其两端的沿程阻力hf，并进行实验数据的记录；

步骤4、重复步骤2和步骤3，得到不同风机转速下的实验数据若干组；

步骤5、重复步骤1至步骤3，得到不同压力下的实验数据若干组；

步骤6、处理实验数据，计算不同压力条件下实验测试段的摩擦阻力系数，最终得到压力与摩擦阻力系数之间的关系；

步骤6.1、通过下式计算实验测试段的气体流量：

Q＝Sv

其中，Q为实验测试段内气体的单位时间流量，m3/s；

S为环形密闭管道的截面积，m2；

v为实验测试段内气体的平均速度，m/s；

步骤6.2、通过下式计算实验测试段的摩擦风阻：

R＝hf/Q2

其中，R表示实验测试段的摩擦风阻，kg/m7；

hf表示实验测试段的沿程摩擦阻力，Pa；

Q为实验测试段内气体的单位时间流量，m3/s；

步骤6.3、通过下式计算实验测试段的摩擦阻力系数：α＝R·S3/L·U

3

其中，α表示实验测试段的摩擦阻力系数，kg/m；

R表示实验测试段的摩擦风阻，kg/m7；

S为环形密闭管道的截面积，m2；

L表示实验测试段长度，m；

U表示实验测试段内壁的周长，m；

步骤6.4、重复步骤6.1至步骤6.4，直至计算出本实验所有压力条件下实验测试段的摩擦阻力系数，建立压力与摩擦阻力系数α的拟合方程，得到压力与摩擦阻力系数α之间的关系。

说明书

一种压变风阻测定实验装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于矿山通风技术领域，具体涉及一种压变风阻测定实验装置及方法。

背景技术

[0002] 进入21世纪以来，随着各式电气化、机械化设备进入矿山行业，井下资源开采规模的不断扩大，易于开采的东南部浅层地下资源以及东北部露天资源已不能满足我国重工业企业对于资源的庞大需求，所以加大对西部高海拔以及南方井下深部地区矿产资源的开采已成为一种迫切需求。矿井通风是保障矿井安全开采的最主要技术手段，但随着开采规模的扩大，矿业开采趋势向着更高、更深的方向发展，如此带来了大气压力环境的巨大变化，引发了井巷摩擦阻力系数的改变，造成摩擦风阻的激变，给矿井通风造成困扰，严重的甚至导致井下灾难的发生。

[0003] 矿井巷道摩擦阻力系数的确定，常用实际测量和查表选取这两种方法。实际测量法测量的巷道摩擦阻力系数值能反映矿井巷道的阻力特性。但是测量环境差、工作量大而且需要较多的测量人员，协调工作困难，测量过程中必然影响矿井正常的生产工作。查表法简单易操作，但目前我国矿井通风设计所采用的巷道摩擦阻力系数表上个世纪80年代制定的。由于矿井地貌特征、煤的赋存条件不同，导致矿井巷道摩擦阻力系数值不同。即便是同一个矿同种支护类型的巷道，也因巷道的断面、长度等的影响，矿井巷道摩擦阻力系数也存在很大差异。我国煤矿行业经过数十年的发展，除了其井型、规模、巷道布置、支护结构等方面有了很大的改变外，矿山整体也向着更高更深的方向发展，而已有的巷道摩擦阻力系数表并未与时俱进，及时进行更新，不能完全适应现在的实际情况。

发明内容

[0004] 为了解决现有技术存在的问题,本发明提供一种压变风阻测定实验装置及方法，技术方案如下：

[0005] 一种压变风阻测定实验装置，包括上位机、通风装置和变压装置，所述通风装置包括环形密闭管道和设置于环形密闭管道内部的风机，沿所述环形密闭管道均匀设置有多组气体参数测量装置，所述变压装置用于调节环形密闭管道内的气压,用于测试不同气压情况下环形密闭管道的风阻特性,所述变压装置包括压力源、定压储罐、调压储罐，所述压力源、定压储罐和调压储罐依次连通，定压储罐和调压储罐之间设置有调压电磁阀，调压储罐设置有泄压阀，调压储罐与环形密闭管道之间设置有手动通气阀，调压储罐内设置有气压传感器，所述气体参数测量装置、气压传感器、调压电磁阀、泄压阀、风机与上位机电连接，通过上位机控制风机的转速，气压传感器将收集到的数据传输至上位机，上位机根据接收到的气压数据控制调压电磁阀和泄压阀的开启或关闭。

[0006] 所述气体参数测量装置包括多功能参数测试仪和微压差计。

[0007] 所述环形密闭管道采用金属材质制成，由若干段金属管道首尾连接而成，相邻的金属管道之间通过法兰接头连接，所述法兰接头包括分别设置于相邻的金属管道外表面的连接法兰、定位密封环和密封圈，两个连接法兰之间的金属管道外壁套设有定位密封环，两个相邻的金属管道与定位密封环同轴设置，定位密封环的两端与两个连接法兰之间均通过密封圈实现密封，相邻的金属管道两端的连接法兰之间通过螺栓固定。

[0008] 所述定位密封环开设有定位探测孔，定位探测孔内装配有皮托管，气体参数测量装置通过皮托管与环形密闭管道内部连通。

[0009] 所述风机的扇叶的安装角为30°、45°或60°。

[0010] 优选的，所述风机的扇叶的安装角为60°。

[0011] 所述定压储罐还设置有排气阀。

[0012] 一种压变风阻测定实验方法，采用前述的一种压变风阻测定实验装置，包括以下步骤：

[0013] 步骤1、利用变压装置将环形密闭管道内的压力调节至实验所需数值；

[0014] 步骤2、开启风机，利用上位机将风机调节至实验所需转速，待环形密封管道内达到动态平衡后，选择风流相对稳定的一段作为实验测试段，将气体参数测量装置的刷新时间间隔设置为1S；

[0015] 步骤3、利用气体参数测量装置测量实验测试段的风速v和其两端的沿程阻力hf，并进行实验数据的记录；

[0016] 步骤4、重复步骤2和步骤3，得到不同风机转速下的实验数据若干组；

[0017] 步骤5、重复步骤1至步骤3，得到不同压力下的实验数据若干组；

[0018] 步骤6、处理实验数据，计算不同压力条件下实验测试段的摩擦阻力系数，最终得到压力与摩擦阻力系数之间的关系；

[0019] 步骤6.1、通过下式计算实验测试段的气体流量：

[0020] Q＝Sv

[0021] 其中，Q为实验测试段内气体的单位时间流量，m3/s；

[0022] S为环形密闭管道的截面积，m2；

[0023] v为实验测试段内气体的平均速度，m/s；

[0024] 步骤6.2、通过下式计算实验测试段的摩擦风阻：

[0025] R＝hf/Q2

[0026] 其中，R表示实验测试段的摩擦风阻，kg/m7；

[0027] hf表示实验测试段的沿程摩擦阻力，Pa；

[0028] Q为实验测试段内气体的单位时间流量，m3/s；

[0029] 步骤6.3、通过下式计算实验测试段的摩擦阻力系数：

[0030] α＝R·S3/L·U

[0031] 其中，α表示实验测试段的摩擦阻力系数，kg/m3；

[0032] R表示实验测试段的摩擦风阻，kg/m7；

[0033] S为环形密闭管道的截面积，m2；

[0034] L表示实验测试段长度，m；

[0035] U表示实验测试段内壁的周长，m；

[0036] 步骤6.4、重复步骤6.1至步骤6.4，直至计算出本实验所有压力条件下实验测试段的摩擦阻力系数，建立压力与摩擦阻力系数α的拟合方程，得到压力与摩擦阻力系数α之间的关系。

[0037] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0038] 本发明从实际因素出发研究大气压力对摩擦阻力系数的变化，直接进行摩擦阻力系数的确定，进而可以去确定高低压环境下的摩擦风阻。一来可以减少在实际工程中重复的工作量和劳动强度达到节省人力物力的目标，二来为研究建立通风网络实时解算来说是个巨大的前提，具有非常重大的意义。

附图说明

[0039] 图1为本发明的结构示意图；

[0040] 图2为图1中B处的局部放大示意图；

[0041] 图3为图1中C处的局部放大示意图；

[0042] 图4为本发明法兰接头的结构示意图；

[0043] 图5为本发明风机的安装结构示意图；

[0044] 图6为本发明皮托管与气体参数测量装置的安装结构示意图；

[0045] 图7为本发明变压装置对环形密封管道升压的流程示意图；

[0046] 图8为本发明变压装置对环形密封管道降压的流程示意图。

[0047] 其中：上位机1；环形密闭管道21；风机22；通风装置2；变压装置3；法兰接头4；连接法兰41；定位密封环42；密封圈43；皮托管44；气体参数测量装置45。

具体实施方式

[0048] 需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

[0049] 如图1至图6所示，本发明提供了一种压变风阻测定实验装置，包括上位机1、通风装置2和变压装置3，所述通风装置2包括环形密闭管道21和设置于环形密闭管道21内部的风机22，沿所述环形密闭管道21均匀设置有多组气体参数测量装置45，所述变压装置3用于调节环形密闭管道21内的气压,用于测试不同气压情况下环形密闭管道21的风阻特性,所述变压装置3包括压力源、定压储罐、调压储罐，所述压力源、定压储罐和调压储罐依次连通，压力源具体为抽气充气两用气泵，定压储罐和调压储罐之间设置有调压电磁阀，调压储罐设置有泄压阀，调压储罐与环形密闭管道21之间设置有手动通气阀，调压储罐内设置有气压传感器和蜂鸣器，所述气体参数测量装置45、气压传感器、蜂鸣器、调压电磁阀、泄压阀、风机22与上位机1电连接，通过上位机1控制风机22的转速，气压传感器将收集到的数据传输至上位机1，上位机1根据接收到的气压数据控制调压电磁阀和泄压阀的开启或关闭。

[0050] 具体的，上位机1包括风机控制台和变压装置控制台，风机22具体包括伺服电机和扇叶，伺服电机与风机控制台具体采用110ST-M06030型号的交流伺服电机套装，变压装置控制台的控制芯片型号为三菱FX2N系列plc，气压传感器具体为松下DP-100Y压力传感器。

[0051] 变压装置3的工作原理及流程如下：

[0052] 1、如图7所示，当欲将闭环形密闭管道21内的压力调节至高于大气压的某一定值P1(0.1Mpa＜P1＜0.2Mpa)时，首先开启气泵，对定压储罐进行气源压力储存，使得定压储罐内的气压大于P1；

[0053] 变压装置控制台控制调压电磁阀阀门打开，对调压储罐进行调压，气压传感器将收集到的气压数据传输至变压装置控制台，当调压储罐内的压力到达P1时，变压装置控制台控制蜂鸣器报警，此时手动开启手动通气阀，此时环形密闭管道21和调压储罐处于相通状态，直至环形密闭管道21和调压储罐气压相等，从而使环形密闭管道21内的气压等于P1。

[0054] 若未及时开启手动通气阀，致使调压储罐内的压力高于P1，气压传感器会将收集到的气压数据传输至变压装置控制台，变压装置控制台控制泄压阀开启，降低调压储罐内的压力，从而达到调压储罐内压力自平衡的目的。

[0055] 2、如图8所示，当欲将闭环形密闭管道21内的压力调节至低于大气压的某一定值P2(0.05Mpa＜P2＜0.1Mpa)时，首先开启气泵，对定压储罐进行气源压力储存，使得定压储罐内的气压小于P2；

[0056] 变压装置控制台控制调压电磁阀阀门打开，对调压储罐进行调压，气压传感器将收集到的气压数据传输至变压装置控制台，当调压储罐内的压力到达P2时，变压装置控制台控制蜂鸣器报警，此时手动开启手动通气阀，此时环形密闭管道21和调压储罐处于相通状态，直至环形密闭管道21和调压储罐气压相等，从而使环形密闭管道21内的气压等于P2。

[0057] 若未及时开启手动通气阀，致使调压储罐内的压力低于P2，气压传感器会将收集到的气压数据传输至变压装置控制台，变压装置控制台控制泄压阀开启，提高调压储罐内的压力，从而达到调压储罐内压力自平衡的目的。

[0058] 所述气体参数测量装置45包括多功能参数测试仪和微压差计。

[0059] 具体的，皮托管44具体为L型皮托管，其位于环形密闭管道21内部的一端与环形密闭管道21内气体流动方向相对，气体参数测量装置45具体为TSI 9565-P多功能通风表，微压差计具体为APG M7000微压差计。

[0060] 所述环形密闭管道21采用金属材质制成，由若干段金属管道首尾连接而成，相邻的金属管道之间通过法兰接头4连接，所述法兰接头4包括分别设置于相邻的金属管道外表面的连接法兰41、定位密封环42和密封圈43，两个连接法兰41之间的金属管道外壁套设有定位密封环42，两个相邻的金属管道与定位密封环42同轴设置，定位密封环42的两端与两个连接法兰41之间均通过密封圈43实现密封，相邻的金属管道两端的连接法兰41之间通过螺栓固定。

[0061] 具体的，相邻两个金属管道连接处的管路端头突出连接法兰41的连接平面，形成法兰后退安装的状态。使用一个定位密封环42和两个密封圈43，定位密封环42内壁与金属管路突出部分配合，使金属管路与定位密封环42同心，定位密封环42端面与连接法兰41之间夹紧密封圈43，使相邻两个金属管路之间的连接处达到较好的密封状态。

[0062] 所述定位密封环42开设有定位探测孔，定位探测孔内装配有皮托管44，气体参数测量装置45通过皮托管44与环形密闭管道21内部连通。

[0063] 为满足实验需求，定位探测孔内在配备专用的设备接头的情况下，也可以安装其他检测设备或传感器。

[0064] 所述风机22的扇叶的安装角度可调，以适应不同的实验需求,在本实施例中具体为60°。

[0065] 所述定压储罐还设置有排气阀，当实验结束后，可通过排气阀将卸掉调压储罐和环形密闭管道21内的压力。

[0066] 一种压变风阻测定实验方法，采用前述的一种压变风阻测定实验装置，包括以下步骤：

[0067] 步骤1、利用变压装置3将环形密闭管道21内的压力调节至实验所需数值；

[0068] 步骤2、开启风机22，利用上位机1将风机22调节至500rpm，待环形密封管道内达到动态平衡后，选择风流相对稳定的一段作为实验测试段，在本实施例中,实验测试段的截面为圆形,但也可以为三角形、梯形、矩形、半圆拱形、三心拱形，将气体参数测量装置45的刷新时间间隔设置为1S；

[0069] 步骤3、利用气体参数测量装置45测量实验测试段的风速v和其两端的沿程阻力hf，并进行实验数据的记录，具体的，每隔一分钟记录一组数据(一组数据中包括60个风速数据和60个沿程阻力数据)，如此记录6组数据；

[0070] 具体的，在本实施例中，实验测试段至少包括两段金属管道，通过实验测试段两端的微压差计测量实验测试段两端的沿程阻力hf，通过实验测试端中部的气体参数测量装置45测量实验测试段的风速v；

[0071] 步骤4、重复步骤2和步骤3，将风机22转数分别调至1000rpm、1250rpm、1500rpm、1750rpm、2000rpm、2200rpm、直至风机22最大转数，得到不同风机22转速下的实验数据若干组；

[0072] 步骤5、重复步骤1至步骤3，得到不同压力下的实验数据若干组；

[0073] 步骤6、处理实验数据，将环形密闭管道21内的压力分别调至0.07Mpa、0.08Mpa、0.09Mpa、0.11MPa、0.12MPa、0.13Mpa，计算不同压力条件下实验测试段的摩擦阻力系数，最终得到压力与摩擦阻力系数之间的关系；

[0074] 具体的，对步骤4中实验数据的处理方式为，先进行正态分布处理，得出多组最佳沿程阻力hf和风速v，然后再去掉最大值和最小值，以得到较为准确和客观的实验数据。

[0075] 步骤6.1、通过下式计算实验测试段的气体流量：

[0076] Q＝Sv

[0077] 其中，Q为实验测试段内气体的单位时间流量，m3/s；

[0078] S为环形密闭管道21的截面积，m2；

[0079] v为实验测试段内气体的平均速度，m/s；

[0080] 步骤6.2、通过下式计算实验测试段的摩擦风阻：

[0081] R＝hf/Q2

[0082] 其中，R表示实验测试段的摩擦风阻，kg/m7；

[0083] hf表示实验测试段的沿程摩擦阻力，Pa；

[0084] Q为实验测试段内气体的单位时间流量，m3/s；

[0085] 步骤6.3、通过下式计算实验测试段的摩擦阻力系数：

[0086] α＝R·S3/L·U

[0087] 其中，α表示实验测试段的摩擦阻力系数，kg/m3；

[0088] R表示实验测试段的摩擦风阻，kg/m7；

[0089] S为环形密闭管道21的截面积，m2；

[0090] L表示实验测试段长度，m；

[0091] U表示实验测试段内壁的周长，m；

[0092] 步骤6.4重复步骤6.1至步骤6.4，直至计算出本实验所有压力条件下实验测试段的摩擦阻力系数，建立压力与摩擦阻力系数α的拟合方程，得到压力与摩擦阻力系数α之间的关系。

[0093] 本发明的优异之处在于，通过拟合方程可以了解到大气压P与摩擦阻力系数α的具体关系。一方面解决矿山因地理位置的不同而引起的摩擦阻力系数α不同，可以减少在实际工程中重复的工作量和劳动强度达到节省人力物力的目标。二来是因为大气中的压力随时变化，导致矿山的摩擦阻力系数也随时发生变化，而大气压P与摩擦阻力系数α关系的确定为研究建立通风网络实时解算来说是个巨大的前提。

[0094] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。