Основные понятия и определения. Механизм переноса газообразной субстанции.
Все изложенные рассуждения основываются на предположении, что используемый для проветривания горных выработок воздух является однородной средой, т.е. его химические компоненты перемешаны равномерно. Газообразной примесью такого воздушного потока будем считать любой газ, поступающий в него.
Газообразные примеси рудничного воздуха по их динамическим свойствам можно разделить на два класса - пассивные и активные.
Пассивной газообразной примесью является газ, присутствие которого в воздушном потоке не изменяет диффузионные свойства последнего. Активная примесь может изменять его диффузионные свойства. Активными примесями обычно бывают газы, плотность которых существенно отличается от плотности воздуха. В рудничных условиях это метан, водород, углекислый газ.
Количество газа в воздухе характеризуется его содержанием. В шахтной газовой динамике содержание газа в воздухе обычно выражается в долях этого газа в объеме газовоздушной смеси.
Долевое содержание в свою очередь может быть выражено в долях единицы:
с = Кг/Кс(6.1)
или в процентах:
с = 100·Кг/Кс, (6.2)
где Кг, Кс - количество соответственно газа и газовоздушной смеси, абсолютные или относительные единицы. Если это количество выражается в единицах объема, содержание называется объемным долевым (с0), если оно выражается в единицах массы - массовой долей (см). Соотношение между ними таково:
см=со·rг/rс, (6.3)
где rг,rс - плотность соответственно газа и газовоздушной смеси.
Соотношение между плотностью газовоздушной смеси rс и долевым содержанием газа в ней с имеет вид:
с = (rс - rв )/( rг - rв), (6.4)
где rв и rг - соответственно плотность воздуха и газа.
В газовой динамике рудников смесь воздуха и газообразной примеси (газовоздушная смесь) считается непрерывной. Ее характеристики (плотность, содержание, градиент содержания и др.) изменяются от точки к точке без скачков и разрывов. Физически это обусловлено равномерностью перемешивания молекул газов в любом элементарном объеме. Однако при рассмотрении механизма распространения газов в воздушном потоке удобно представлять газовоздушную смесь не как совокупность молекул газов, а как некоторый континуум элементарных объемов или частиц воздуха и распространяющегося в нем газа. Размеры таких газообразных частиц несравненно больше размера молекул, но, в то же время, они предполагаются достаточно малыми, чтобы не нарушать принципа равномерности распределения характеристик в газовоздушной смеси. Форма и размеры таких частиц не имеют строгого обоснования и являются гипотетичными. Так, согласно гипотезе Л. Прандтля, частицы имеют форму шара с диаметром, равным длине пути, который проходит этот шар до потери им своей индивидуальности вследствие смешения со средой. Можно представить себе газообразную частицу также как вихрь, перемещающийся в воздушном потоке.
Перенос газообразной примеси воздушным потоком может производиться путем перемешивания и увлечения.
В чистом виде процессы перемешивания проявляются на молекулярном уровне. В этом случае они носят характер молекулярной диффузии, при которой имеет место взаимное проникновение молекул диффундирующих газов.
Молекулярная диффузия существует в неподвижном и в движущемся воздухе. В последнем случае проявляется действие еще одного механизма распространения газообразной примеси - механизма увлечения ее воздушным потоком. Процесс увлечения можно представить как движение частиц газа под действием давления набегающих на них частиц воздуха, а также в результате трения между частицами газа и соседними частицами воздуха.
Процесс увлечения при турбулентном режиме движения воздуха можно расчленить на увлечение усредненным (основным) движением и увлечение пульсационным движением. Увлечение газа пульсационным движением качественно подобно молекулярной диффузии. Оно характеризуется хаотичностью, свойственной турбулентному движению, и распространением газа во всех направлениях, независимо от направления основного движения. Этот вид переноса называется турбулентной диффузией, а перенос газа усредненным (основным) движением — конвективным переносом. При совместном проявлении конвективного и диффузионного переносов говорят о конвективно-диффузионном переносе. Почти все задачи рудничной газовой динамики, имеющие практическое значение, относятся к классу конвективно-диффузионных.
Кроме конвективного и диффузионного переносов распространение газа, поступающего в некоторый объем, происходит также за счет вытеснения ранее находившегося в этом объеме газа последующими его поступлениями. При этом происходит увеличение (расширение) объема, занимаемого газом. Это вытеснение наиболее существенно у мест выделения газа, например, у газоотдающих стенок горных выработок. Оно должно учитываться при формулировании граничных условий процессов газопереноса.
В силу значительной неоднородности воздушных потоков в горных выработках интенсивность конвективного и диффузионного переносов газа в различных областях потоков различна. В пристеночной области, где усредненные и пульсационные скорости потока близки к нулю, преобладает молекулярный диффузионный перенос, а если стенка газоотдающая, - также процесс вытеснения. В ядре потока усредненные и пульсационные скорости имеют относительно большие значения. Здесь преобладают процессы конвективного и турбулентного диффузионного переноса. В условиях развитой турбулентности интенсивность турбулентного диффузионного переноса значительно выше, чем молекулярного.
При распространении газа от источников газовыделения у последних образуется область существенно переменного содержания диффундирующего газа, называемая диффузионным пограничным слоем. Его толщина измеряется расстоянием по нормали от газоотдающей поверхности источника до области, где соблюдается условие дс/дп = 0 (п - внутренняя нормаль к поверхности стенки). Этому условию, в частности, соответствуют случаи с = 0 и с = const. На практике может оказаться более удобным определять толщину диффузионного слоя как толщину области заданного изменения содержания (например, области, в пределах которой происходит 95% всего изменения содержания).