通风网络理论与技术.ppt

通风网络理论与技术,胡汉华电话13723893971QQ403101953,第一讲,通风网络基础,一、基本概念及特性,,节点,节点三条及三条以上风道的相交点称为节点。为处理特殊问题的需要,有时把同一条风道分成两条或两条以上风道,其分界点也称为节点。,节点,伪节点,分支,两节点的连接风道称为分支也称风路、边,记为eJJ1,2,,N。根据分支在网络中的特性,可分类成需风分支用风分支、定流分支固定风量分支和变流分支可变风量分支。为处理特殊问题的需要,有时把装风机风道分成两条，把装机风道的风阻视为0，该风道也称伪风道,分支,需风分支,采掘工作面、硐室等有人员作业或设备运行的场所,其风量是按排烟、排尘、调节气候条件等需要确定的,称需风分支。,需风分支,返回,定流分支,由于受风网结构的制约,当需风分支的风量确定后,其风量即被唯一确定的分支称为定流分支常流分支,定流分支,返回,变流分支,对风量的大小,风流方向无特定要求的分支称变流分支。网络图中除去所有的定流分支后,剩下的就是变流分支,变流分支,返回,伪分支,网络中虚设的分支,排风节点vJ与入风节点v1构成一条伪分支,伪分支,返回,通风网络,把一个通风系统转化成一个由节点和分支所构成的线性图,即为通风网络图。它可完全反映原系统节点和分支相连接的结构关系。在实践中,常将通风网络图简称为通风网络、通风网路或风网。,网络及类型,定流风网所有分支均为定流分支变流风网所有分支均为变流分支混合风网由定流分支与变流分支共同组成的风网,网络及类型,简单风网分支组成形式为串联、并联或两者混联,其计算方法较为简单复杂风网在简单风网中加入角联分支也称对角分支后,就形成复杂风网,回路与网孔,由两条以上分支首尾相接形成的闭合路径称为回路。沿着某回路循行一周,经过的分支和节点均不出现重复,则称此回路为基本回路,,基本回路,,非基本回路,通路,由进风节点v1经不同的分支到达出风节点vJ组成的路径称为通路，也称为流线,通路3,,,,通路1,通路2,树,树是通风网络图的子图。它满足下列三个条件一是连通的,二是不包含回路,三是包含风网的全部节点具有J个节点的任何一棵树,其树支数恰好等于J-1,树,余树,割集,网络的割集是把网络分成两个部分的某些分支的最小集合,,,,独立回路,树上若增加一条余支,那么,在这条余支的两个节点之间,除了原来的树支组成的通路外,又增加了余支通路,这样就构成了回路。这个回路是唯一的。由一条余支与若干树支组成的这种回路。叫单余支回路,或者叫做独立回路,,,,,独立割集,树的任意两个节点之间只有一条由树支组成的连通路径,移去树的任一条树支节点保留,必然割断了这条树支的两端点之间的联系,从而把树分成两个彼此分离的子图,并把全部节点分成两个彼此分离但各自连通的节点组。在这两个节点组之间虽然没有树支联系,但在原图中一般还有余支联系着。只有把这些余支一并移去,才能使原图分离成两个部分。由此可见,这条树支与一些连支一起,组成了一个割集,,,,二、通风网络拓扑关系的数学表达,通风网络图是对应于图论之中的有向连通图,故对于有向连通图中的图论知识均可直接引入到通风网络图中来,通风网络图,通风网络图用GV,E,F来表示,其中1.V{v1,v2,,vJ}是节点的集合,记作VG或V；元素vi为第i个节点。2.E{e1,e2,,eN}是分支的集合,记作EG或E；元素ei为第i条分支；3.F是从E到V中的有序偶对所集合的映射。,例,V{v1,v2,v3,v4,v5}E{e1,e2,,e7}。Fje1v1,v2je2v2,v3je3v2,v4je7v5,v1,基本关联矩阵,一个网络中分支和节点的关系,可以用一个矩阵来表示。这个矩阵叫关联矩阵,记作Aa,且AaaijJN,其中,aij1,分支j与节点i关联,方向背离节点；-1,分支j与节点i关联,方向指向节点；0,分支j与节点i不关联。,例,,回路矩阵与独立回路矩阵,,通风网络图中的回路和分支的关联关系可以用回路矩阵来描述。对于有向连通的网络图GV,E,节点数为J,分支数为N,S个回路,当规定了每个回路的方向后,有BabijSN,其中bij1，ej在回路i上,与回路同向；-1，ej在回路i上,与回路反向；0，ej不在回路i上。,例,,,,回路14,-3,2回路25,7,1,2回路36,7,1,3,独立回路矩阵,回路矩阵,割集矩阵,,割集与分支的关系同节点与分支的关系类似,也可以用矩阵的形式来表示。为此,要规定割集的参考方向。割集的参考方向可以定为从N1到N2,也可以定为从N2到N1。这里,N2和N1为被割集分开的两部分网络节点的集合。直观上,割集的方向可以用一个箭头表示。,割集矩阵,,确定了割集的方向后,割集与分支的关系就可以用矩阵Ca来表示CacijEN矩阵Ca是一个EN阶矩阵,它的行对应着所有割集集合,它的列对应着所有的分支。元素cij的数值规定如下cij＝1,ej在割集i中且与割集同向；-1,ej在割集i中且与割集反向；0,其它,独立割集矩阵,,任意选取风网中的一棵树,对应于该树可得到一组基本割集。可以选取这组基本割集作为独立割集组,这是因为每个基本割集都是独立的。基本割集数等于树支数,即J-1。为了把基本割集与分支的关系用矩阵的形式表示出来,要规定基本割集的方向。习惯上总是把基本割集的方向规定为树支的方向。确定了基本割集的方向后,基本割集与分支的关系,就可以用独立割集矩阵C来表示,独立割集矩阵例,,,,,,,,通路矩阵,,设P是有向通风网络图G中某些分支的集合。从v1到vJ由不同的分支组成一条有向路径称为有向通路pii12,,W。分支与通路之间的关联关系也可以用矩阵的形式表达,即PpijWN其中其中pij,,例,,,,3号通路,1号通路,2号通路,,通风网络中各矩阵之间的关系,若网络矩阵A、B、C的列是按相同的顺序排列的,则有下列关系成立ABTBAT0BCTCBT0按先余支从1到M后树支M1～N的顺序排列,则基本网孔矩阵取如下形式B[IMBT]式中,IM是秩为M的单位阵；,通风网络中各矩阵之间的关系,类似地,割集包含分支Mii1,2,,J-1,则基本割集矩阵可以表达成C[CCIJ-1]式中,IJ-1是秩为J-1的单位阵；而基本关联矩阵可以分块成A[ACAT]式中,AC和AT分别是包含余支和树支的子矩阵。,通风网络中各矩阵之间的关系,B[IM–ACTAT-1T]CAT-1A[-BTTIJ-1]BT-ACTAT-1TCC-BTT,三、网络参量及基本方程,网络基本参量网络基本方程,网络基本参量,矿井通风网络基本分析以空气不可压缩和稳定流态假设为基础。对于任一分支其参量有hLj压力损失摩擦阻力与局部阻力之和,Pa；hRj调节风窗阻力,Pa；hFj风机压力该分支安风机时,Pa；hNj自然风压,Pa；rj分支风阻,Ns2/m8；qj风量,m3/s。,返回,hjhLjhRjhNjhFj阻力定律AtkinsonhLjrj|qj|qjj1,2,,N风机压头hFjajqj2bjqjgj,网络基本方程,,风量平衡Kirchhoff’sCurrentLaw,i1,2,,J-11.流入、流出任意一棵树的各分支风量代数和为零2.流入、流出任意一回路的各分支风量代数和为零。,风量平衡,,回路风压平衡方程Kirchhoff’sVoltageLaw,i1,2,,Mhi-,i1,2,,M,风压平衡,,,,第二讲,矿井通风网络风量自然分配,一、回路风量法,,,,,,fiQCfiq1,q2,,qM0i1,2,,M,,,一、回路风量法回路圈划与风机特性曲线的拟合,,,,①分支按风阻升序排列，但有调节要求的分支例外②从风阻最小的分支开始，逐条“访问”各分支③若与已加入的树的分支构成回路，则转第④步④留下该分支不加，转第⑥步⑤将此分支加入最小树分支集合中⑥若该分支是最后一条树支，则结束，否则转第②步,生成树,一、回路风量法回路圈划与风机特性曲线的拟合,,,,①从某一余支的终点开始，按照路的原则，移向某一树枝节点②若已回到该余树弦的起点，则转⑤③若此通路内所有树枝均找过后，则转④④在树枝内逐点后退，同时寻找新的通路，并对此后退树枝加以标记，以免重复，转②⑤若所有余枝均被圈划过，则结束；否则清除原不通之路的标记，转①,圈回路,1、牛顿法,,,,,设QCq1q2qMT为初始近似解其误差为DQCDq1Dq2DqMT则fiQCDQC0即,1、牛顿法,,,,,JDQC-F,,DQC-（J-1）F,,1、牛顿法,,,,,,,两式好象有矛盾,可以统一起来,牛顿法计算例,,通风网络图,独立回路矩阵,基本关联矩阵,返回,独立回路矩阵,重排序,基本关联矩阵,返回,回路风压平衡方程,,,回路风压平衡方程,,,回路风压平衡方程,,,节点风量平衡方程,,,q3q24-q1-q2q4q15q14-q24q1q5-q15-q14q24q6q15q14q7q24-q15-q14-q10q8q24-q15-q14-q10-q9q12q15q14-q11,q13q15-q11q16q15q14q17q24-q15-q14-q10q18q24-q15-q14-q19q20q24-q15-q14-q21-q19q22q15q14q21q23q24,雅可比矩阵,注意q3q24-q1-q2q4q15q14-q24q1,附,,,,,,,计算程序,,,,,,,①选择一棵生成树T,建立回路矩阵BIBT,给出初拟风量QC0q10q20qM0T；②由方程QTBTTQC,求出树支风量；③求得回路不平衡风压向量Ff1f2f3fMT；④计算出矩阵J及其逆矩阵J-1；⑤求出各回路的风量校正值DQC；⑥对QC进行风量校正QCK1QCKDQC；⑦求出树支风量QTK1BTTQCK1；⑧验算精度|Dqi|≤ESPil,2,,M若满足精度要求,计算结束,否则返回③,继续迭代。,2、Scott-Hensley法,,,,,是,否,DqiDqi0,i1,2,,M；,选生成树,BI,BT,qj0j1,2,,N,KKmax,Dqie,停,始,是,否,3、线性代换逼近法,hijrj|qj|qjrj΄qjj1,2,,N→HLR΄Q,,回路风压方程BHLBHFHN,HLR΄Q,BR΄QBHFHN,RC΄QCBTRT΄QTBHFHN,,QTBTTQC,3、线性代换逼近法,,回路风压方程BHLBHFHN,HLR΄Q,BR΄QBHFHN,RC΄QCBTRT΄QTBHFHN,,QTBTTQC,RC΄QCBTRT΄BTTQCBHFHN,令YCRC΄BTRT΄BTT,YCQCBHFHN,计算程序,①选树T,建立回路矩阵BIBT；②给定初始风量QC0,并求得QT0BTTQC0,求得HF或HFHN；③令rj΄rjqj,j1,2,,N,形成对角矩阵RC΄,RT΄；④计算矩阵YCRC΄BTRT΄BTT；⑤用高斯消去法解方程YCQCBHFHN,求得QC⑥求得风量几何平均数qjK←,j1,2,,M,QTKBTTQCK；⑦验算Dqi≤ESPi1,2,,M当不满足精度要求时,转③重新迭代,直到满足精度要求为止。,二、割集风压法,在风网计算分两步进行时,也可以设法求得分支风压,然后再利用分支特性方程求其风量。这种以分支风压为未知参量的解法,是与风量法相对的另一类解法。其实质是利用分支特性方程消去分支风量,以求解N个分支风压为目标。,数学模型,首先对于装机分支,用增加虚拟节点法把其分为两段,把风机安在风阻为零的伪风道中,这时分支特性方程分成两类hjhLj-hNjrj|qj|qj-hNjhj-hFj,三类分支,,qDjqj0,自由分支,装机分支,需风分支,方程组,,MN-J1,回路风压平衡方程,节点风量平衡方程,注意到,,,CC-BTT,,,例,,通风网络图,基本关联矩阵,独立割集矩阵,独立割集矩阵,独立割集矩阵,回路风压平衡方程,,节点风量平衡方程,,,1、牛顿法,设近似解为HTHT0,误差为DHT则fiHT0DHT0,将左侧按台劳级数展开,则有略去||DHT||2,可解出DHT0写成矩阵式JhDHT-FhDHT-Jh-1Fh,牛顿法,,,,牛顿法计算程序,,,,①选一棵生成树,按先树支后余支的顺序排列分支,得出割集矩阵CIJ-1CC；②给定一组风压列向量HTK,由HCKCCTHTK求出其余风压列向量；③计算出不平衡风量值fh；④计算出雅可比矩阵Jh的元素；⑤解线性方程组求得DHTK；⑥求HTK1HTKDHTK,HCK1CCTHTK1；⑦判定max{|Dh1|,|Dh2|,,|DhJ-1|}e是否成立,若成立则求出所有风量；否则转③。,雅可比矩阵,2、PSH法,,,,通过前面的分析,很自然地想到把ScottHinsley法用到风压解法之中,故称之为PSH法。令矩阵Jh的非对角线元素为零,则可以得到近似迭代公式,PSH法,,,,①选择一棵树,按树支在前余支在后的顺序排列各分支,并求得割集矩阵CIJ-1CC；②给定一组风压列向量HTK,由HCKCCTHTK求出余支风压；③对于i从1到M,计算hj←hjDhicij④若K到达初置迭代次数K0,停机检查,否则转⑤；⑤若|Dhi|e,i1,2,,J-1则计算出所有hj和qj,输出。否则转③。,三、节点风压法,,,,选择通风网络中某一节点为参考节点,则其余每个节点与参考节点的风压差,就叫做这个节点的节点风压。节点风压法是一种以节点风压为求解变量,求出节点风压后,进一步可得到分支风压,再求出分支风量。具体解法也有牛顿法,JSH法主节点偏微分近似法和线性代换法。,1、牛顿法,,,,hkpi-pjrk|qRk|qRk-hNj,K∈SR,qFkakhF2bkhFckk∈SF,qFkak|pj-pi|2bk|pj-pi|ckk∈SF,,Atkinson,风机曲线拟合,hj-hF,qDkqk0k∈SD,,,,,用基本关联矩阵建立节点风量平衡方程,用割集矩阵建立割集风压平衡方程,,,,,,fipfip1,p2,,pJ-10i1,2,,J-1,JpDp-Fp,,Dp-Jp-1Fp,,,2、JSH法,,,,,该法是姜仁义提出的,即把Scott-Hinsley计算法用于节点风压方程组。也就是令雅可比矩阵Jp中的非对角线上的元素为零,便有下列节点风压迭代公式,JSH法计算程序,,,,,①选一个参考节点vJ,令pJ0②形成基本关联矩阵A,风阻向量R,风机特性曲线系数数组a、b、c；③给定初始节点风压向量p0p1,p2,,pJ-1T,计算出分支风压向量H0h1,h2,hNT；④从i1到J-1,计算下列两步a计算Dpi-fi/∂fi/∂pi式中∂fi/∂pibpiKpiKDpiK,对于与节点i相关的分支,hj←hjaijDpiK；⑤判断,若满足,转⑥,否则转④继续迭代；⑥对纯风阻分支,对纯风机分支,,,,3、线性代换法,,,,ck1/rK|qK0|,k1,2,,N,,qKcKpi-pjhNK,EP-q,,AQ-q,,,,,,,,,,固定风量向量,eiieiki≠k,EACAT,ACATP-q,C为N阶对角矩阵ciici,计算程序如下,①给节点编号,读入固定风量,读入分支参量,起节点,终节点,风阻；②置参考节点,生成P向量,q向量,A矩阵和C矩阵；③计算E矩阵ACAT；④解式1-61得到节点风压；⑤计算piK-piK-1,i1,2,,J-1,如果满足精度要求,结束,否则转⑥；⑥用方程1-63求出风量近似值；⑦重新计算对角矩阵C,转③。,风网解算方法的比较分析,原始法以N个分支风量和N个分支风压为未知量,,分支风量法以N个分支风量为未知量,分支风压法以N个分支风压为未知量,,,割集风压法以J-1个割集风压为未知量,节点风压法以J-1个节点风压为未知量,回路风量法以N-J1个回路风量为未知量,网孔风量法以N-J1个网孔风量为未知量,回路风量法,J-1个风量平衡方程,N-J1个风压平衡方程,N个分支特性方程hhq,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,hFhFqF,以N-J1个回路风量为未知量的独立方程组,,牛顿法,SH法,线性代换,节点风压法,J-1个风量平衡方程,N-J1个风压平衡方程,N个分支特性方程qqh,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,hFhFqF,J-1个节点风压为未知量的独立方程组,,牛顿法,SH法,线性代换,割集风压法,J-1个风量平衡方程,N-J1个风压平衡方程,N个分支特性方程qqh,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,hFhFqF,J-1个割集分支风压为未知量的独立方程组,,牛顿法,SH法,线性代换,方程组解法,,牛顿法,SH法,线性代换,最一般方法,而且在理论上比较严密,更具有效性,SH法从牛顿法中演变而来,线性代换法的系数矩阵元素与牛顿法雅可比矩阵元素仅差一个倍数关系,,回路风量法中,选风阻赋权的最小树来构造回路矩阵,风压法中则选风阻赋权的最大树来构造割集矩阵,第三讲,通风网络优化,通风网络,,自然分风网络,控制分风网络,一般型通风网络,全部分支自由分配风量,全部分支给定风量,部分分支自由分配,部分分支给定风量,一、自然分风网络优化,,总功耗约束条件,3riqi2L0,i1,2,,n,,riqi2-L/3,HFiriqi2r0Q02-L/3r0Q02,i1,2,,n,,自然分风时,各风机风压相等时,全矿总功耗最小,,自然分风网络优化一般结论,,minfmin,,B[IBT]Q,qj,树支风量,回路风量,回路风压平衡方程,在满足矿井风量等于Q0的条件下,按自然分风时,其功耗是最小的,二、控制型分风网络优化模型,,,,在控制型分风网络中,各分支的风阻已知,而且一组连支分支的风量亦已给定,故各分支的风量也随之确定。换言之,所有分支的风量都是固定了的,,,hRj≥0,hFi≥0,j1,2,...,N,,通风网络中满足上述条件的最优解不是唯一的。如果对安装风机不加限制,则最优解总可能包含不多于M个正值的hFj；如果在某些分支不允许安风机或调节器,则相应的hFj和hRj可以从方程中删去。上述方程是标准的线性规划,有很多成熟而有效的求解线性规划的方法,如通路法、回路法和关键路径法等,均可以用于解算控制型分风的优化问题,hRj≥0,hFi≥0,j1,2,...,N,,,,,,,通风网络与工程网络的类比关系,道路更新工程网络计划图,,,,单台风机,hRj≥0j2,3,,N,,,,关键路径－前向算法,1给各节点编号,设节点总数为J,先把入风节点编为1,然后,按照风流方向使得全部分支i,j,有ij；2设节点1的风压p10；3对所有终点为J的分支i,j,令各节点风压pjmaxpihLij,J2,3,,J；4计算xijpj-pi-hLij,对虚拟分支以外的所有分支；5把节点J的风压pJ作为扇风机风压；hFpJ。,,,,关键路径－后向算法,1把pJ赋给gJgJpJ；2对iJ-1,J-2,,1,置gimingi-hLij对于初节点为i的所有分支；3计算yijgj-gi-hLij,对所有分支；,,,,关键路径算法,前向算法和后向算法分别得到相同最小风机风压hF的两组最优解,为区别起见,后向算法中的节点风压用gi表示；两组解中的调节风窗的风压分别用xij和yij表示。,前向算法结果,表,计算,把解算的节点风压标在图中。可以看到,调节风窗hRij0的分支形成一棵生成树,,,,,后向算法结果,[例1]如图所示的通风网络,其节点号已由程序给出,各分支风阻rij,风量qij和风压损失hij列于表中,用关键路径法计算如下,前,后,p10；p2p1hL12300；p3p2hL23384；p4p3hL3438450434；p52p2hL25300125425,p54p4hL4543463497,取p5p54497；p63p3hL3638463447,p64p4hL4643463497,取p6p64497；p75p6hL57497100597,p76p6hL67497125622,取p7622；hF622；x12p2-p1-hL120；x23p3-p2-hL230；x34p4-p3-hL340；x45p5-p4-hL450；x25p5-p2-hL2572；x36p6-p3-hL3650；x46p6-p4-hL460；x57p7-p5-hL5725；x67p7-p6-hL670。,前,调节分支的移动,①选择一包含分支s,t和u,v的基本割集,该割集满足于1割集中各分支hRij值不同；2相对割集方向来说,分支s,t和u,v的方向相反；3hRst在割集分支中是最小的调节量且与分支s,t同向；4分支u,v不在最大阻力路径上,且hRuv0；②如果分支s,t在割集中是个负分支,则令DphRst；否则,Dp-hRst；③对于所有N2中的节点,进行pNi←pNiDp的运算；④对于割集中所有正分支i,j,进行hRij←hRijDp的运算；⑤对于割集中所有负分支i,j,进行hRij←hRij-Dp的运算；,,,,多台风机,多风机多井口并联,对多井口多风机并联的情况,首先可以把所有进口或出口连成一个节点,在虚拟回风道上安一台风机,用关键路径法解得一个过渡解,然后,用割集运算把虚拟分支上的风机移到各个进风口或排风口分支上。此种情况下,风机风压和调节风窗风压均包含在割集运算中,为使功耗达最小,根据关键路径的前向算法或后向算法的结果,用割集运算求取并联排风或并联送风的风机工况。,hDijpNj-pNi-hLij,hRijhDij,hFij0hDij≥0,hRij0,hFij-hDijhDij0,,h΄DijhDijdijDp,,dij,1,若分支i,j是割集中的正向分支-1,若分支j,j是割集中的负向分支0,若分支i,j不在割集中。,省下的功耗Wc∑hRij-h΄Rijqij∑hFij-h΄Fijqij,割集运算,割集运算实例,,,hD7l-622,hD5725,hD670；取Dp-622进行割集运算,得h΄D71hD71d71Dp-622-1-6220；h΄D57hD57d57Dp25-622-597；h΄D67hD67d67Dp0-622-622；p7622-6220,相当于在分支5,7和6,7上安两台风机Wc∑hFij-h΄Fij622-01000-597500-622501250W,多排风井风机并联前向算法,①给节点编号同算法a；②设节点1的风压p10同算法a；③对所有终点为j的分支i,j,令各节点风压pjmaxpihLij；J2,3,,J-1,对最后一个节点J,取pJ0；④计算xijpj-pi-hLij,对不包括节点J的所有其它分支；⑤对与节点J相连的排风分支i,J取hFiJpihLiJ。,通路法,对于控制型分风网络,应用通路亦称流线法进行解算,不但有运算速度快,精度高的特点,而且能找出通风网络中的关键通路和起主导作用的分支,对网络特性分析十分有利,原理,根据通路的定义可知,一条通路实际上是从入风节点到排风节点的一条闭合回路。当风网满足风压平衡定律时,各条通路的风压应该相等。在控制型分风网中,分支的风量是固定了的,各通路的风压就会出现差异,在通路的某些分支上采取调控措施来平衡这种差异,就可以实现最优调节的目的。若一个通风网络有多个装机分支并联工作,则可以将网络分成几个子网络分别应用通路法进行计算。,调节计算方法,先对每一扇风机工作的子网络,以入风节点1为起点,以排风节点J为终点,按相同的方向,选出S1,S2,,Sb条通路b为风机数则可得到b个有向通路矩阵通路风压向量HPipihL,i1,2,,bhLijrijqij2DhtijHBi-HPiji1,2,,b,j∈Si,,调节位置的确定,选择以阻力赋权的风网最长树,并且要求装机分支都选为树支,这样,每一条通路都包含一条余支,调节设施就设在余支上。一般的,这些余支就是采场需风分支。,寻找通路的方法节点邻接矩阵法,D{dij}JJ,dij,,eK,当分支eK的两端为节点i和j时；0,当节点vi和vj之间不存在分支时。,UDII为单位矩阵，对U取行列式,并按最末行第1列展开,以求出行列式U的值符号运算；S|U|-1,寻找通路的方法实例,,最长树为ETe8,e9,e1,e3,e4连支ECe5,e6,e7,e2,,节点邻接矩阵,,寻找通路的方法实例,,,UDI＝,,,S|U|-1e1e3e4e7e8e1e2e8e1e3e4e6e9e1e3e5e9,结果,对于e8,两条通路形成通路矩阵Pl为p1,HP1P1hL对于e9,有p2,HP2P2hL,若全部选用增阻调节,则HF8HB1597Pa,HF9HB2622Pa,Dht1597-52572Pa,在分支2上安风窗；Dht2622-57250Pa,在分支5上安风窗,图,寻找通路的方法搜索法,从进风井口出发，顺着分支方向确定一条流线，然后沿该流线后退一个节点，检查是否有出口，若有，则得到一个新的流线，再将流线后退一个节点，检查是否有新的出口，若没有则再后退一个节点，直到后退到进风井口为止。矿山通风系统分析与优化,寻找通路的方法搜索法,计算程序①从进风井口找一条有向路径至回风井口，存储该路径，顺序记下节点标号L个和分支号L-1个，同时给这些分支标数。②令LL-1，k0。当L0运行结束，否则进行下一步。③检查所有以第L个记录的节点为始点的分支中是否有没有标数的，若有，则转④，否则转⑤④令k1，对检查到的分支标数，LL1。记下该分支及其末节点，返回③。⑤若k0，转②，否则转⑦⑥检查最后一个记录的节点是否为出风井口，若是，则现记录中的分支和节点是一条新流线，保存该流线并令k0，转③，否则转⑦⑦找到一条以最后一个记录节点为始节点的分支，记录该分支及节点，转⑥。,寻找通路的方法搜索法,,,,,,,,,,,,,,,,1,5,8,3,2,4,7,12,11,6,9,10,,,,,,,,,,,,,,回路法,用回路法求解控制型分风网的问题是基于调节分支数等于独立回路数,每一回路的连支分支设调节装置以平衡该回路中的不平衡风压的基本思想的,对于任一控制型分风网,由于风量已定,故各分支的风压组成风压向量为HTHCHTT,独立回路矩阵为BIBT；由于风机风压和风窗风压是待求参量,当不考虑自然风压时,有BH≠0DHCTDh1,Dh2,,Dhb,,,同向树,,,同向树是指树中的所有分支,其流向都是一致的,,例,ECe5,e7,e8,e9ETe1,e2,e3,e4,e6HCT63,63,100,125,300,125,84,50,63,结果,该方案为除主扇HF8525Pa,HF9622Pa外,设一辅扇分支7和一风窗分支5,其总功耗N6225052550722559.15kW。如果选的不是同向树如图1-8d,则调节分支在3和4上,得到调节方案为全用辅扇调节方案,即HF322Pa,HF450Pa,HF8525Pa,HF9550Pa,其总功耗与通路法计算的全用辅扇调节方案一致,但两方案的调节位置有所不同。,典型调控方案比较,当风网中调节风窗都被辅扇所取代时,全网络功耗是最小的。这一结论用数学规划可表示如下。hRj,hFj≥0j1,2,,B式中B为调节装置的个数。对于控制型分风网,qj,hj均为常数,优化模型可等价于于是,当hRj0jl,2,,B,全网络动力消耗最小,控制型分风网优化调节的一般性结论,①增阻调控方案中,只要不在最大阻力路线上加阻,各调节方案功耗相等,不随调节分支的改变而改变。②主辅扇调控方案中只要不出现负作用的风机,各调节方案功耗相同,与调节位置的变化无关。③不出现风窗的调控系统功耗最低。,三、一般型通风网络,具有部分固定风量分支,部分自然分风分支的网络,称一般型通风网络。矿山现场的通风网络一般都是这种型式的分风网络。这类网络的优化依然是使矿井空气动力消耗最小和使通风费用最低。由于它的某些分支的风量是未知的,故目标函数是非线性的；风量、风阻与风压损失之间的关系以及回路风压平衡关系也是非线性的。这些导致一个没有通用解答、更为复杂的非线性规划问题,分解解算法,长期以来,人们大多采用分解解算法采解决这类通风网络的分风问题,即分别对自然分风网进行自然分风解算,这样可使得所有分支的风量都成为已知,变成控制型分风网；然后,再用1.2节中的任何一种方法,对“控制型风网”进行“优化调节”。分解解算法的理论根据主要是,对于不加调控措施的通风网络,无论是全网络；或是子网络,其自然分风的风量分配方式是最省能量的。于是,凡是能遵守自然分配的网络,先用自然分风计算程序解算出自然分配风量,再在需风分支加调节装置辅扇或风窗进行全网阻力调平,不能不说是一种快捷的计算手段。但是,很多研究者经过研究后发现,分解解算法至少对按需分支加风窗调节来说不是功耗最小解跟同样是用风窗调节,但不在需风分支调节的方案相比,于是出现了一些新的最优算法,如黄翰文提出的角联巷道最优风阻调节法,刘承思提出的递推法。并且,对分解解算法的理论根据-“自然分风能耗最小律”产生了怀疑,提出了所谓“分风新原理”等等一些说法,简单角联网络的调节分析几个重要结论,,①分解解算法的辅扇调节解是功耗最小解的一个解。②分解解算法的增阻调节解是不合理的解。③角联分支有很好的调风特性,可充分利用。,一般型通风网络的可分解条件,,一般型通风网络的分解,含需风点的分支称用风分支,也称定流分支。非需风分支中,汇集用风分支由一条分支引出时,该分支也是定流分支,除去所有定流分支后,剩下的分支构成的网络为部分通风网络。一般地,有入风网和排风网两种,一个复杂通风网络可分解为入风网、排风网和定流分支集三部分。为解算方便,把定流分支与联接定流分支端点的非定流分支角联分支一起构成的网络称为用风网络或称需风网,这样,全系统就被划分为入风网、用风网和排风网,一般型通风网络的可分解条件,所有定流分支可用辅扇调节这一条件称为一般型通风网络的可分解条件,用非线性规划技术进行全局优化,对于一般型通风网络,可以直接用非线性规划方法进行全局优化计算。建立的数学模型以连支风量QC为独立变量,目标函数是非线性的。对于全用风机调节和部分用风窗调节而言,目标函数中相差一风窗功耗项；约束条件为节点风量平衡方程以及需风分支风量条件,因而是线性的,至于风压平衡方程则自动满足。当需风分支的约束矩阵可以写成单位阵时,演变为对控制型分风网络的优化问题；一般情况下,约束系数矩阵不是单位阵。用乘子法将模型变成无约束问题,再用DFP法求其解,其中,直线搜索采用改进的黄金分割法。,模型,选择一棵生成树,先连支后树支排列各分支,则独立回路矩阵为BI,BTMN,而NP1可变换成,开始,输入原始数据,选连支，圈网孔，形成B、G矩阵,置m15000,Kc5,用DFP法求解min{fmkaQKk},得QCK,mkaQCKEPS,KK1,mK1mKKC,另选树,输出解，停,,,,第四讲,扇风机选优,一、机站最优工况的确定,机站最优工况点的风压由所负担的通路风压部分和机站局部阻力所组成；而最优工况点的风量则由装机分支风量加上机站漏风而得,1、通路风压的分配,对于控制型分风网或者用分解法求解的。一般型分风网,优化后得到的通路风压中,存在最大通路风压和最小通路风压。若用辅扇调节,把最小通路风压作为标准通路风压,记为HB,各通路风压与HB之差就是需风分支的调节风压。当全矿就设一级机站时,该标准风压就是主扇应负担的阻力,它与各排风井或进风井的风量一起构成相应机站的工况。,,多级机站,2、机站的局部阻力,,机站风压确定之后,要加上一定的局部阻力后才构成装机风机的工况风压。对于地面机站,其风机风压一般取；HFhF100～150,对轴流风机；HFhF100～1500.018v2,对离心风机；当采用主扇系统时,增加的部分取大值；当采用多级机站系统时,取小值,3、地面机站的风量,,QF为QF1.051.1qF主扇系统风量系数取大值,多级机站系统取小值,风机优选,,根据求得的各机站风机的最优工况QF,HF,利用存贮在计算机里的风机数据库,就能选出相应的最优风机,风机数据库,,选择扇风机有两种方法,一是按风机类型特性曲线选择,另一种是按个体特性曲线选择。因此,扇风机数据库也相应有两种形式,类型特性曲线数据库,,对于特定型号、特定叶片安装角的风机,有一条相应的类型风压特性曲线和一条效率特性曲线。类型特性曲线一般用二次代数方程表示,即Ha0a1Qa2Q2hb0b1Qb2Q2式中H-类型风压系数,无因次；Q类型风量系数,无因次；h风机运转效率,无因次；ai,bi-方程拟合系数,个体特性曲线数据库,,HA0A1QA2Q2hB0B1QB2Q2,风机筛选,计算QDQ,确定D和n,区间选择将风压特性曲线位于坐标点MQF,HF左下侧和位于坐标点Ml1.1QF,1.21HF右上侧的风机筛去,留下与曲线MM1相交的特性曲线的风机。,求当量风阻曲线RDHF/QF2与风机特性曲线的交点tQt,Ht,筛去Qt1.1QF的风机,计算风机的个体特性曲线系数,计算HukHHu,由A0A1QA2Q2RDQ2计算扇风机工况点,计算效率htB0B1QtB2Qt2,图,,风机筛选过程,,第五讲,高温矿井通风网络,复杂高温矿井通风网络的特点,一、机械化水平低，导致网络复杂我国地下矿山因为机械化水平普遍低于国外矿山，为了确保生产能力而不得不采取多中段同时作业的方式，因而使其在同等生产能力条件下，通风系统比国外同类矿山复杂得多。凡口铅锌矿是我国少有的几个机械化程度较高的大型矿山之一，其生产中段达20多个，通风网络分支已达1400多条，节点近900个。这充分说明我国地下矿山通风网络结构是十分复杂的,复杂高温矿井通风网络的特点,二、复杂通风网络数据量大常规的通风网络中，通常定义一条普通分支只需确定其起、止节点编号、风路的风阻或计算风阻的诸参数即可。对于安设风机的分支，只需在此基础上加上风机型号即可，对于用风分支，只需在此基础上加上需风量即可。但由于通风网络的极端复杂，处理这些原始数据的工作量是十分浩大的。如