避難硐室蓄冰板應(yīng)急釋冷方案的數(shù)值模擬

由世俊，馮 彬，王津利，張 歡，劉 樹

（1. 天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津國際機械有限公司，天津 300450；3. 鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300142）

避難硐室蓄冰板應(yīng)急釋冷方案的數(shù)值模擬

由世俊1，馮 彬1，王津利2，張 歡1，劉 樹3

（1. 天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津國際機械有限公司，天津 300450；3. 鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300142）

礦難事故發(fā)生后，為滿足避難人員基本生存需求，避難硐室溫度應(yīng)維持在 20～30,℃，且不應(yīng)超過 35,℃，提出在無電力供給的情況下，采用蓄冰板作為應(yīng)急冷源對避難硐室進行降溫的方法，并運用 CFD對蓄冰板的不同釋冷方案進行數(shù)值模擬分析，確定最佳的釋冷方案.模擬結(jié)果顯示：蓄冰板的厚度對其釋冷效果影響很大，50,mm厚的蓄冰板釋冷效果最好；蓄冰板太厚不利于釋冷，而蓄冰板太薄，釋冷太快，導(dǎo)致避難硐室溫度偏低；蓄冰板初始溫度對釋冷效果影響不大，說明蓄冰板釋冷主要利用的是冰的相變潛熱；相比于自備氧供氧系統(tǒng)，礦井壓風(fēng)系統(tǒng)因送風(fēng)量大，釋冷效果更好，溫度場更均勻.

避難硐室；蓄冰板；應(yīng)急釋冷；數(shù)值模擬

在避難硐室和救生艙研究方面，國內(nèi)外學(xué)者投入了大量的精力：國外學(xué)者針對避難硐室的增壓送風(fēng)、安全控制、模塊化及密封性能進行了研究［1-4］；國內(nèi)專家研究了避難硐室的供風(fēng)量、制冷技術(shù)和儲熱相變材料［5-7］.本文將蓄冰技術(shù)應(yīng)用于避難硐室應(yīng)急冷卻方案中，該方案具有無大功率電源、無安全隱患、維護量小等優(yōu)點.

作為井下礦井救援系統(tǒng)的重要組成部分，避難硐室在礦井事故逃生和救援過程中都有很重要的作用.因此，有必要對避難硐室進行應(yīng)急冷卻方案的研究，以保證事故時避難硐室的環(huán)境溫度處于 20～30，℃，為逃生人員提供臨時適于生存的溫度環(huán)境，同時也為煤礦避難硐室的發(fā)展提供一些參考和依據(jù).

1　物理模型

避難硐室額定避險人數(shù) 10，凈面積 12.5，m2，凈高 2.5，m，避難硐室基本結(jié)構(gòu)示意如圖1所示.為滿足人體對氧氣的需求，硐室設(shè)置送回風(fēng)口，尺寸為150，mm×100，mm，風(fēng)量 300，m3/h.硐室及冰板沿中軸線對稱布置，取實際硐室1/2在Fluent模擬軟件中建立物理模型，如圖2所示.

圖1　避難硐室基本結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Fundamental structure of refuge chamber

圖2　避難硐室的物理模型Fig.2 Physical model of refuge chamber

研究蓄冰板釋冷效果，采用的蓄冰板尺寸為：600，mm×320，mm，厚度分別為 30，mm、50，mm和70，mm，為保證冰的總體積一致，對應(yīng)冰板數(shù)量 16塊、10塊和 7塊.冰板布置方式：相鄰冰板間距50，mm，組間距為 800，mm，距離地面 200，mm.圖3為3種蓄冰板布置方式的平面示意.

圖3　不同厚度蓄冰板的布置示意Fig.3 Arrangement of ISP with different thicknesses

2　數(shù)學(xué)模型

蓄冰板釋冷過程，硐室空氣溫度變化，屬于室內(nèi)空氣的流動問題，同時也屬于室內(nèi)不可壓縮氣體三維非穩(wěn)態(tài)傳熱問題；蓄冰板內(nèi)部發(fā)生相變傳熱過程，同時向周圍人體和墻壁進行輻射換熱［8］.

2.1控制方程

建立控制方程，主要考慮硐室內(nèi)空氣、蓄冰板以及蓄冰板與周圍輻射換熱.

2.1.1硐室空氣的控制方程

選擇模型小室內(nèi)的空氣作為控制體，其遵循質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程，控制方程通用形式［9］為

式中：ρ為密度；T為熱力學(xué)溫度；φ為通用變量，主要用于表示相關(guān)的求解變量，如 u、v、w、T等；Γφ為廣義擴散系數(shù)；Sφ為廣義源項.

針對特定的方程，φ、Γφ和 Sφ具有特定的表達(dá)式，如表1所示.

表1　通用控制方程中各符號的表達(dá)式Tab.1 Expression of each symbol for general equations

蓄冰板釋冷時，研究硐室內(nèi)空氣溫度流場，選擇三維、定常、不可壓縮的湍流模型.采用 Fluent進行模擬，利用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε 模型進行求解.

2.1.2蓄冰板的控制方程

蓄冰板釋冷采用Solidification & Melting模型，其基本理論是基于 Enthalpy-Porosity（焓-多孔介質(zhì)）技術(shù)來進行問題的求解.在融化、凝固求解過程用到的能量方程為

式中：H為焓能；v為流體速度；S為源項.

2.1.3輻射模型

考慮蓄冰板與周圍介質(zhì)輻射換熱，輻射模型采用DO模型，其表達(dá)式［10］為式中：r為位置向量；s為方向向量；α為吸收系數(shù)；σs為散射系數(shù)；σ為斯忒藩-玻耳茲曼常數(shù)；I為輻射強度，取決于位置（r）和方向（s）；n為緊靠壁面介質(zhì)的折射率；Φ為相位函數(shù)；?為空間立體角；α+σs為光學(xué)模糊度.

2.2單值性條件

1）幾何條件

幾何尺寸同第1節(jié)的物理模型.

2）物理條件

空氣、冰、聚苯乙烯泡沫以及盛冰容器（高密度聚乙烯）的熱物性參數(shù)見表2，混凝土墻體的密度為2，400，kg/m3，比熱容為 840，J/（kg·K），導(dǎo)熱系數(shù)為1.54，W/（m·K）；人員、凈化裝置等產(chǎn)生的熱量作為內(nèi)熱源（整體按照 120，W/人處理［11］），設(shè)置面熱源為91.6，W/m2.

表2　熱物性參數(shù)Tab.2 Thermal parameters

3）初始條件

避難硐室內(nèi)空氣的初始溫度設(shè)置為 28，℃，研究冰板厚度、布置方式和供氧方式對釋冷效果的影響時，蓄冰板初始溫度為-10，℃，研究蓄冰板初始溫度對釋冷效果影響時，冰板初始溫度分別設(shè)為-10，℃、-15，℃、-20，℃.

4）邊界條件

入口邊界：送風(fēng)口平均風(fēng)速 2.78，m/s，溫度按照避難硐室內(nèi)的初始溫度為 28，℃賦值；出口邊界：回風(fēng)口采用自然出流；壁面邊界：緊挨巷道壁面取第三類邊界條件，周圍空氣溫度取 55，℃［11-12］，空氣與墻面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)取 10，W/（m2·K）；其他外壁面由于與土壤接觸，均按絕熱面處理.

2.3Fluent求解

采用 Fluent軟件模擬蓄冰板釋冷情況下避難硐室的溫度變化和溫度場分布情況.蓄冰板采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；生存硐室采用尺寸函數(shù)進行網(wǎng)格劃分；其他部分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.

3　實驗驗證

3.1實驗內(nèi)容

驗證實驗在某模型小室進行，其目的是通過對比模型小室內(nèi)監(jiān)測點溫度的實測值和模擬值，檢驗建立數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性.小室尺寸：4.4，m×3.9，m× 1.75，m，內(nèi)壁四周貼敷電熱膜，作為壁面熱源，如圖4所示.將純凈水充注于蓄冰板［13］（尺寸 600，mm× 320，mm×50，mm，壁厚 2，mm，如圖5所示），充注體積為 90%，放入冰柜冷凍至-10，℃，將蓄冰板有規(guī)律地放置在初始溫度為 28，℃的模型小室中，觀察模型小室內(nèi)典型高度、位置的溫度變化.

圖4　釋冷模型小室Fig.4 Model of energy releasing

圖5　蓄冰板實物Fig.5 Real product of ISP

圖6為驗證實驗?zāi)Ｐ托∈覂?nèi)蓄冰板布置及監(jiān)測點位置示意，每個監(jiān)測位置布置 3個測點，分別距離地面300，mm、800，mm和1，400，mm，共計27個測點.

圖6　蓄冰板和監(jiān)測點位置分布Fig.6 Layout of ISP and monitoring points

3.2實測值與模擬值對比分析

將模型小室27個溫度監(jiān)測點的實驗結(jié)果和模擬結(jié)果進行對比，選取最為典型的 E點的 3組實驗數(shù)據(jù)進行分析，其溫度變化曲線對比結(jié)果如圖7所示.

圖7　實驗值與模擬值的溫度對比曲線Fig.7 Correlation curves of experimental and simulated temperatures

從圖7可以看出，大多數(shù)實驗值高于模擬值0.8，℃，釋冷初期溫度實驗值與模擬值最大偏差3.2，℃，這是由于模擬蓄冰板釋冷過程較為理想，而實際工況比較復(fù)雜，不確定性因素較多.例如：搬運蓄冰板需要一定時間，門保持敞開狀態(tài)，致使冷量會有一定的損失.從整體上看，理論模擬值與實驗監(jiān)測值吻合度較好，變化趨勢基本保持一致.

表3列出高度為 800，mm時監(jiān)測點溫度實測值和模擬值的平均相對偏差和平均偏差.總體來看，各監(jiān)測點平均相對偏差均小于 5%，說明建立的數(shù)學(xué)模型是準(zhǔn)確、可信的，采用的模擬方法是可行的，可以用于進一步模擬分析蓄冰板釋冷效果的研究.

表3　實驗值與模擬值的偏差Tab.3 Deviation between experimental and simulated results

4　模擬分析結(jié)果

通過第 3節(jié)實驗驗證，說明數(shù)學(xué)模型可靠，采用Fluent模擬研究蓄冰板釋冷效果可行.進一步研究蓄冰板應(yīng)急釋冷方案，為更好地觀察模擬過程避難硐室內(nèi)空氣溫度變化，硐室設(shè)置了 5個監(jiān)測點，距離地面1，m，圖8為各監(jiān)測點分布示意.模擬分析結(jié)果如下.

圖8　監(jiān)測點位置示意Fig.8 Positions of monitoring points

4.1蓄冰板厚度對釋冷效果的影響

3種厚度蓄冰板釋冷時監(jiān)測點溫度變化如圖9所示.對模擬結(jié)果進行分析，蓄冰板厚度為30，mm和50，mm時，監(jiān)測點溫度變化趨勢基本一致.厚度為30，mm時，1，h內(nèi)硐室溫度偏低，最低可達(dá) 23，℃，2，h之后溫度穩(wěn)定在26.5，℃；厚度為50，mm時，1，h內(nèi)溫度最低達(dá) 25.5，℃，屬于人員比較舒適的溫度，而 2，h之后溫度穩(wěn)定在29，℃左右；厚度為70，mm時，1，h內(nèi)最低溫度達(dá) 26.5，℃，而 2，h之后溫度穩(wěn)定在 30，℃左右.

圖9　3種厚度蓄冰板釋冷時監(jiān)測點溫度變化曲線Fig.9 Temperature variation curves of monitoring points for ISP's energy releasing with three different thicknesses

從圖9還可以看出，隨著蓄冰板厚度增加，2,h后保持穩(wěn)定的溫度越來越高，說明蓄冰板越厚，釋冷越緩慢，釋冷效果越差，反之蓄冰板越薄釋冷效果越好，但蓄冰板太薄又會導(dǎo)致避難硐室內(nèi)溫度較低.為了更清楚地解釋上述現(xiàn)象，截取典型時刻（12，h）典型平面（x=4.25，m）的溫度分布云圖做進一步說明，如圖10所示.

圖10　典型時刻（12，h）典型平面（x=4.25，m）的溫度分布云圖Fig.10 Temperature contours of typical plane （x=4.25，m） at typical time（12 h）

由溫度分布云圖可知，在冰量體積相等的情況下，冰板厚度越小，其表面有效換熱面積越大，換熱越充分，釋冷速率越快，在釋冷過程的前階段產(chǎn)生的溫度梯度越大，并且某一時間段內(nèi)避難硐室底部溫度達(dá)到19，℃（厚度為30，mm的蓄冰板），一定程度上給人體造成不舒適感；相反地，蓄冰板厚度越厚，與周圍空氣的有效換熱面積減少，換熱不充分，致使釋冷過程中避難硐室內(nèi)的溫度偏高.

通過溫度分布云圖上蓄冰板的內(nèi)部溫度還可以看出，30，mm厚的蓄冰板融化速度最快，雖然此厚度蓄冰板釋冷效果最好，但是導(dǎo)致避難硐室內(nèi)溫度梯度很大，溫度分層現(xiàn)象明顯.對比蓄冰板內(nèi)部溫度的變化，12,h時 3種蓄冰板的內(nèi)部溫度依次為 22～26，℃、13～19，℃、1～4，℃.由此說明 70，mm厚的蓄冰板釋冷緩慢，不能充分與周圍空氣進行熱量交換，導(dǎo)致硐室內(nèi)的溫度偏高.綜合考慮以上 3種厚度蓄冰板的釋冷效果以及人體的舒適性，建議采用50，mm厚的蓄冰板作為冷源釋冷.

4.2蓄冰板初始溫度對釋冷效果的影響

根據(jù)第4.1節(jié)模擬分析結(jié)果，確定最優(yōu)蓄冰板厚度為 50，mm，保持其他參數(shù)不變，分別選取蓄冰板初始溫度-15，℃、-20，℃，與第 4.1節(jié)的蓄冰板（厚度為50，mm，初始溫度為-10，℃模擬結(jié)果做對比，研究蓄冰板初始溫度對釋冷效果的影響.3種初始溫度蓄冰板釋冷時監(jiān)測點溫度變化曲線如圖11所示.

圖11　3種初始溫度蓄冰板釋冷時監(jiān)測點溫度變化曲線Fig.11 Temperature variation curves of monitoring points for ISP's energy releasing with three different initial temperatures

對比圖11中3種情況，可知蓄冰板的初始溫度對典型監(jiān)測點的影響不是很大.前15,min，蓄冰板初始溫度越低，監(jiān)測點的溫度驟降幅度越大；但 2,h后，3種初始溫度蓄冰板監(jiān)測點溫度均趨于穩(wěn)定，監(jiān)測點 1、2和3基本趨于28.8，℃，監(jiān)測點4和5均趨于29.5，℃.

蓄冰板的潛熱蓄冷量很大，釋冷過程主要利用冰的相變潛熱釋冷，而蓄冰板初始溫度對釋冷效果的影響主要在于前30 min，初始溫度越低，硐室內(nèi)溫度下降得也越低，而后硐室內(nèi)溫度的變化基本保持一致.因此，建議選擇初始溫度為-10，℃的蓄冰板，相比于更低初始溫度的蓄冰板節(jié)能.

4.3供氧方式對釋冷效果的影響

對于避難硐室而言，在滿足人體對氧氣需求的前提下，一般采用礦井壓風(fēng)供氧系統(tǒng)或高壓氧瓶（即自備氧供氧系統(tǒng)），對這兩種送風(fēng)方式進行比較.圖12為兩種供氧方式監(jiān)測點的溫度變化曲線.

圖12　不同供氧方式蓄冰板釋冷時監(jiān)測點溫度變化曲線Fig.12　Temperature variation curves of monitoring points for ISP's energy releasing with different oxygen supply modes

隨著釋冷的進行，對于自備氧供氧系統(tǒng)，2,h后避難硐室溫度穩(wěn)定在 31.8，℃左右，相比于礦井壓風(fēng)供氧系統(tǒng)，監(jiān)測點1、2和3溫度相差3，℃，監(jiān)測點4和 5溫度相差 2.2，℃，這是因為沒有送風(fēng)的情況下，蓄冰板周圍空氣流動緩慢，對流換熱強度小；10,h后，由于冰全部融化，溫度大幅上升，并且自備氧供氧系統(tǒng)12,h后溫度已達(dá)到38，℃，超出避難硐室設(shè)計的極限溫度，不利于避難人員生存.

從圖12還可以看出，自備氧供氧系統(tǒng)5個監(jiān)測點的溫度基本相差不大，這是由于硐室內(nèi)的空氣流動基本為自然對流，容易出現(xiàn)溫度分層現(xiàn)象，所以導(dǎo)致同一平面的溫度基本接近.因此，建議采用礦井壓風(fēng)系統(tǒng)進行補充氧氣.

5　結(jié)　論

（1） 蓄冰板厚度越薄，與周圍空氣換熱越充分，釋冷的前一階段產(chǎn)生的溫度梯度越大，避難硐室內(nèi)溫度越低，但釋冷時間短；而蓄冰板厚度越厚，換熱不夠充分，致使硐室內(nèi)的溫度偏高.因此，建議采用50，mm厚的蓄冰板作為冷源釋冷.

（2） 蓄冰板初始溫度對釋冷效果的影響主要在于前30 min，初始溫度越低，避難硐室內(nèi)溫度下降越低，給人員造成很大的冷感，而后硐室內(nèi)溫度的變化基本保持一致.因此，建議選擇初始溫度為-10，℃的蓄冰板，并且相比于更低初始溫度的蓄冰板節(jié)能.

（3） 從不同的供氧方式看，在滿足人體對氧氣需求的前提下，礦井壓風(fēng)系統(tǒng)供氧方式蓄冰板的釋冷效果更好，溫度場更均勻，而自備氧供氧系統(tǒng)會產(chǎn)生明顯的溫度分層.因此，對于避難硐室的供氧方式而言，建議在條件適宜時首選礦井壓風(fēng)系統(tǒng)進行供氧.

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（責(zé)任編輯：田 軍）

Numerical Simulation of Ice Storage Plate Emergency Energy Releasing Applied in Refuge Chamber

You Shijun1，F(xiàn)eng Bin1，Wang Jinli2，Zhang Huan1，Liu Shu3
（1.School of Environmental Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Tianjin International Machinery Group，Tianjin 300450，China；3. The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300142，China）

To guarantee the safety of personnel taking refuge after mining accidents， the temperature of the refuge chamber should be maintained between 20—30 ℃ and the maximum value should not exceed 35 ℃. In this paper ， a method was proposed using ice storage plate （ISP） as emergency cold source for refuge chamber cooling without power supply. Computational fluid dynamics （CFD） was applied to simulate and analyze different energy releasing schemes， which aims to determine the optimal solution. The simulation results imply that the thickness of ISP has a great influence on the energy releasing process. The excessively thick ISP is not beneficial for energy releasing while the excessively thin ISP causes over-fast energy releasing， which leads to low indoor temperature. This results indicate that the optimal thickness of ISP is 50 mm. The initial ISP temperature has little effect on energy releasing process，which reveals that the ISP energy releasing mainly depends on the latent heat of ice. Due to a larger air supply volume， the energy releasing effect with mine compressed air system is better than that with spare oxygen system， and the temperature distribution is more uniform.

refuge chamber；ice storage plate；emergency energy releasing；numerical simulation

TU831.6

A

0493-2137（2016）08-0841-07

10.11784/tdxbz201504072

2015-04-24；

2015-05-29.

由世?。?955— ），男，博士，教授，yousj@tju.edu.cn.

馮 彬，fengbin@tju.edu.cn.

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2015-07-15. 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20150715.1128.001.html.