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 = Кгс(6.1)

или в процентах:

с = 100·Кгс, (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 0), если оно выражается в единицах массы - массовой долей (см). Соотношение между ними таково:

смо·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).