3. Обоснование методов рационального воздействия на атмосферу глубоких карьеров и принципов совершенствования средств и схем ее искусственного проветривания

3.1. Теоретические основы процессов искусственного проветривания карьеров

Аэродинамические характеристики воздушных потоков, со­здаваемых с целью обеспечения заданной интенсивности воз­духообмена при равновесном состоянии атмосферы, хорошо описываются теорией свободных турбулентных струй Г. Н. Абра­мовича [105, 106]. Образующаяся на выходе из вентилятора или воздуховода свободная струя развивается по схеме, указанной на рис. 3.1. Характерными свойствами турбулентных струй являются постоянство статического давления по всей области течения, автомодельность в широком диапазоне чисел Реинольдса и посто­янство количества движения по длине струи.

Рис. 3.1. Схема свободной осесимметричной турбулентной струи

В свободной струе выделяются два участка: начальный (длиной х_н), в пределах которого осевая скорость u_T равна скорости истечения и_о, и основной, где происходит постепенное затухание осевой скорости. Длина начального участка определяется из выраже­ния:

(3.1)

где D_о — начальный диаметр струи, м; α - коэффициент турбулен­тной структуры свободной струи, принимаемый по табл. 3.1.

Таблица 3.1

Значения коэффициента турбулентной структуры круглой свободной струи

Условия образования и истечения струи	Значения коэффициент а
Цилиндрическая труба	0,076÷0,080
Осевой вентилятор со спрямляющей решеткой	0,120
Осевой вентилятор без спрямляющей решетки	0,240
Двухлопастный авиационный винт без кожуха	0,078
То же, трехлопастный	0,086
Четырехлопастный	0,090
Пятилопастный	0,095
Шестилопастный	0,102
Восьмилопастный	0,107
Соосные четырехлопастные винты встречного вращения	0,067

Диаметр струи в произвольном сечении

D_х = 6,8∙D_о∙ (a∙х/D₀ + 0,145),м, (3.2)

где х — расстояние от начального сечения струи до ее произволь­ного сечения,м.

Расход воздуха в произвольном сечении струи

Q_x=4,36 ∙ Q_o ∙ (a ∙ x / D₀ + 0,145), м (3.3)

где Q_о — расход воздуха в начальном сечении струи, м³/с,

Как показывают теория и многочисленные опыты, поперечные составляющие скорости в любом сечении свободной турбулентной струи настолько малы по сравнению с продольной скоростью, что в инженерных расчетах ими можно пренебречь [106]. Продольную скорость на оси изотермической турбулентной струи на расстоя­нии х от начального сечения можно определить по формуле:

и_т=и_х = 0,61∙Q_о ∙ Q₀ ^-2 ∙ β₀ ^0,5 /(а ∙ х / D₀ + 0,145), м/с, (3.4)

где β_о — поправочный коэффициент, учитывающий неравномер­ность распределения скоростей воздуха в начальном сечении (при равномерном поле скоростей β_о= 1). Значения коэффициента для различных условий образования и истечения струи приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2