多火源狀態(tài)下巷道煙氣流動規(guī)律的數(shù)值模擬

黃 剛 ，王玉懷 ，趙啟峰 ，張 軍，張志科

(1.華北科技學(xué)院 環(huán)境工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

多火源狀態(tài)下巷道煙氣流動規(guī)律的數(shù)值模擬

黃 剛1，王玉懷1，趙啟峰2，張 軍2，張志科1

(1.華北科技學(xué)院 環(huán)境工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

為分析多火源對煤礦巷道火災(zāi)煙氣流動的影響，以某礦一運輸順槽為研究對象，采用數(shù)值模擬軟件FLUENT對單火源、雙火源及三火源條件下巷道內(nèi)煙氣擴散過程與流動規(guī)律進行了數(shù)值模擬與分析，結(jié)果表明：多火源燃燒時火源之間存在強烈的相互作用，同時，火源之間的空氣卷吸作用和熱輻射反饋作用使得燃燒程度更為劇烈。

多火源；巷道火災(zāi)；煙氣流動；數(shù)值模擬

Abstract: To analyze the effect of multi ignition on the fire smoke flow in coal mine roadway, a transport trough was taken as the research object and the numerical simulation software FLUENT was used to study the flue gas diffusion process and flow laws of single ignition source, double ignition sources and three ignition sources in roadway fire. The analysis results show that there is a strong interaction between the fire sources in the combustion of multi ignition condition, at the same time, the effect of air entrainment and heat radiation feedback between the fire ignition get the combustion more severe.

Keywords:multi ignition sources; fire of roadway; smoke flow; numerical simulation

0 引言

煤礦井下巷道一般縱深較長、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間狹小，一旦發(fā)生火災(zāi)，煙霧會迅速在巷道內(nèi)蔓延，影響人員的疏散和救援?；馂?zāi)產(chǎn)生的有毒有害煙霧是巷道火災(zāi)最容易引起群死群傷的因素，據(jù)統(tǒng)計，煤礦井下火災(zāi)過程中由于有毒有害煙霧中毒窒息死亡的人數(shù)占總?cè)藬?shù)的62.4%[1]。掌握火災(zāi)煙霧的流動規(guī)律是巷道火災(zāi)研究的關(guān)鍵所在。

目前對于煤礦巷道火災(zāi)的研究集中在對火災(zāi)時期風(fēng)流的紊亂和火災(zāi)火源燃燒特性的研究。文獻[2，3]通過分析水平巷道火災(zāi)煙流滾退時煙流與巷道壁間的熱交換理論，得到煙流逆行距離的表達式，在理想氣體狀態(tài)方程等理論的基礎(chǔ)上對表達式進行求解，發(fā)現(xiàn)滾退距離與火源基本參數(shù)、風(fēng)速、巷道斷面和巷道高度等均有聯(lián)系；文獻[4]對火煙羽流模型進行分析，導(dǎo)出了巷道火災(zāi)煙流滾退發(fā)生的條件式，并引出了2個可指導(dǎo)平巷火煙模擬實驗的無量綱準(zhǔn)則；文獻[5]分析了兩種煙氣逆流發(fā)生條件的分析方法：滯止點受力分析法和逆流層厚度分析法，從而探討出將煙氣逆流層為0厚度的臨界狀態(tài)進行分析的一種新的煙氣逆流發(fā)生的判定方法。針對火源燃燒特性的影響，文獻[6]通過運用錐形量熱計對木材和聚氯乙烯(PVC)、氯丁膠(CR)、PVG三種煤礦常用輸送帶進行燃燒特性實驗，發(fā)現(xiàn)非阻燃的CR輸送帶最容易產(chǎn)生熱害，而阻燃輸送帶的CO生成率則更大；文獻[7]根據(jù)可燃物燃料的化學(xué)元素構(gòu)成、熱化學(xué)反應(yīng)方程式、反應(yīng)物和生成物的焓變以及燃燒時氧氣濃度的變化規(guī)律，得到了求解燃燒時期任一時刻可燃物燃燒速率、釋熱速率和介質(zhì)吸熱率的表達式；文獻[8]在單因素火災(zāi)實驗的基礎(chǔ)上，采用正交實驗的方法對火焰長度和火源熱釋放率、火源直徑及可燃物擴散率之間的關(guān)系進行了研究，發(fā)現(xiàn)火焰長度受火源熱釋放率的影響最大、風(fēng)速和局部阻力系數(shù)的影響最??；文獻[9]針對不同截面形狀的礦井巷道，利用FDS數(shù)值模擬軟件就常見的矩形、拱形、梯形和圓形巷道進行煙氣蔓延、能見度、火災(zāi)溫度和有毒有害氣體濃度分布規(guī)律的數(shù)值模擬研究，得到不同截面巷道火災(zāi)參數(shù)的變化規(guī)律；文獻[10-12]則采用計算流體力學(xué)軟件FLUENT對火災(zāi)巷道煙流的變化規(guī)律進行了研究。

巷道火災(zāi)中多處火源同時起火現(xiàn)象很多，對巷道內(nèi)多火源火災(zāi)煙流流動規(guī)律進行研究是必要的。本文利用數(shù)值模擬的方法，以某礦一運輸順槽為研究對象，對礦井巷道多火源火災(zāi)煙氣流動規(guī)律進行了研究。

1 多火源燃燒

一般情況下當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后，正在發(fā)生燃燒的可燃物在外界風(fēng)力或火旋風(fēng)作用下會引起飛火從而造成火災(zāi)附近地域同時發(fā)生火災(zāi)，又或者是火災(zāi)發(fā)生后所造成的高溫?zé)彷椛渥饔脤?dǎo)致火源火焰向其臨近的可燃性區(qū)域蔓延而形成新的多處火源[13]。一般情況下火災(zāi)多火源燃燒與單火源燃燒大不相同。從燃燒性質(zhì)上看，多火源火災(zāi)實際就是非連續(xù)分布的可燃物同時被點燃后而形成的火災(zāi)場景。在多火源火災(zāi)的發(fā)展過程中，多個火源在燃燒時不僅受其各自的熱輻射影響，還受周圍其他火源的熱輻射影響，從而很大程度地加快了可燃物的燃燒速度，使得燃燒程度更為劇烈，甚至可能造成火焰發(fā)生融合等特殊火現(xiàn)象的產(chǎn)生，進而最終導(dǎo)致區(qū)域大火的形成。圖1是常見的單火源與多火源燃燒示意圖。

圖1 典型單火源與多火源燃燒示意圖

2 CFD數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬軟件

FLUENT是國際上流行的商用CFD軟件包，包含基于壓力的分離求解器、基于壓力的耦合求解器、基于密度的隱式求解器、基于密度的顯式求解器，并且具有很高的可信度，因此廣泛應(yīng)用于模擬礦井巷道火災(zāi)導(dǎo)致的煙氣傳播、蔓延等狀況。其基本程序結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本文采用FLUENT6.3軟件對單火源、雙火源、三火源礦井巷道火災(zāi)進行數(shù)值模擬，以便日后深入研究此類火災(zāi)熱流場內(nèi)煙氣等流體的蔓延情況。

圖2 FLUENT基本程序結(jié)構(gòu)

2.2 基本假設(shè)

由于煤礦井下巷道內(nèi)物理條件復(fù)雜，影響因素眾多，為了使數(shù)值模擬能夠更好的體現(xiàn)出多火源狀態(tài)下膠帶巷內(nèi)火災(zāi)煙氣的流動及其與溫度等的關(guān)系，現(xiàn)做如下幾點假設(shè)：

(1)巷道干燥且壁溫在整個模擬過程始終保持恒定溫度T=293K，巷道入口風(fēng)流溫度保持在T=293K；

(2)火災(zāi)產(chǎn)生煙流在巷道模型中視為理想流體，忽略巷道內(nèi)空氣由于受熱膨脹的影響，煙氣流動為均相、無化學(xué)反應(yīng)的流動，固體、氣體的物理特性參數(shù)視作常數(shù)，只考慮重力影響；

(3)本文主要研究火災(zāi)時期巷道內(nèi)煙流的流動規(guī)律，因此不考慮具體的化學(xué)反應(yīng)，僅模擬火災(zāi)產(chǎn)生高溫?zé)煔獾牧鲃樱锏阑鹪春喕癁橄锏乐胁恳恍￠L方體(1m×1m×0.5m)，并且保持以一定的速率釋放出CO2、HCL、CO和C4H6等高溫有毒氣體混合物，假設(shè)燃燒體表面釋放的高溫?zé)煔鉁囟葹?500K，另外火災(zāi)火源強度由火災(zāi)燃燒釋放的煙氣速度[14]來表示，并且在巷道通風(fēng)氣流中不存在熱源、熱匯等情況；

(4)所建立的巷道模型為水平光滑，忽略巷道內(nèi)設(shè)備、管線的影響，不考慮巷道沿傾向或走向的坡度變化。

2.3 物理模型

結(jié)合某煤礦巷道的實際尺寸，選定其一運輸順槽作為模擬對象，模型的長度定為70 m，巷道為矩形斷面，斷面尺寸為5.6 m×3.7 m。任一單火源均為1 m×1 m×0.5 m的高溫著火發(fā)煙區(qū)域，火源距風(fēng)流入口最短距離為20 m且位置固定，具體物理模型如圖3(a)所示。

2.4 邊界條件

巷道墻體邊界均設(shè)置為“CONCRETE”屬性且絕熱狀態(tài)，巷道初始溫度為293 K，當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?01325 Pa，開口處相對壓力為0 Pa。

2.5 巷道通風(fēng)設(shè)置

從滿足使巷道風(fēng)流中的瓦斯、風(fēng)速、溫度及每人供給的風(fēng)量符合《煤礦安全規(guī)程》等有關(guān)規(guī)定出發(fā)，巷道進風(fēng)量在2500 m3/min，綜合考慮進風(fēng)速設(shè)為2.5 m/s，風(fēng)流溫度為293 K。發(fā)火地點設(shè)在靠近風(fēng)流入口位置，巷道左入口作為進風(fēng)口，右側(cè)出口作為風(fēng)流出口。

2.6 網(wǎng)格劃分

在數(shù)值模擬實驗中，網(wǎng)格的劃分影響著實驗的成敗。本次模擬采用Gambit軟件創(chuàng)建火災(zāi)煙氣流動幾何模型，進行網(wǎng)格劃分,并且在受火災(zāi)煙霧影響較大區(qū)域處網(wǎng)格劃分較密，在遠離火源處網(wǎng)格劃分則較疏。具體網(wǎng)格劃分如圖3(b)所示。

圖3 CFD模型及網(wǎng)格劃分示意圖

2.7 火災(zāi)情景

為研究多火源對巷道火災(zāi)煙氣流動的影響規(guī)律，分別模擬位于巷道中部區(qū)域單火源、雙火源、三火源的火災(zāi)情景。各火源呈線性排列且距離均為1 m，具體見圖4，其中l(wèi)、w、h分別為巷道的長、寬、高，分別為70 m、5.6 m、3.7 m。

圖4 模型視圖

圖5 火災(zāi)煙氣溫度及速度分布圖(X=2.8 m)

3 模擬結(jié)果與分析

(1)圖5(a)、(b)展示了單火源條件下巷道火災(zāi)煙氣溫度及速度的分布狀況。由圖可知，當(dāng)巷道風(fēng)速保持在2.5 m/s時，火源下游空氣與燃燒所產(chǎn)生氣體的混合熱煙流的溫度快速上升，在局部已經(jīng)達到700 K，混合熱煙流在下部出口的溫度約為410 K，而火源上方巷道頂部溫度已達到900 K，在火源前方5～10 m處依然會受到熱煙流的影響，并且巷道上方溫度最高達到580 K左右；混合熱煙流在浮力的作用下豎直上升，當(dāng)運動至頂棚后形成頂棚射流，在巷道風(fēng)流的作用下主要沿順風(fēng)測蔓延。

巷道雙火源火災(zāi)煙氣蔓延如圖5(c)、(d)所示，不同于單火源火災(zāi)，雙火源之間存在相互作用。一方面火源之間的相互熱輻射使得燃燒熱量反饋加強，另一方面火源卷吸空氣導(dǎo)致相互競爭空氣，在巷道火災(zāi)流場內(nèi)火源火焰之間會相互靠攏，速度矢量也呈逐步交會的趨勢。當(dāng)巷道風(fēng)速保持在2.5 m/s時，火源下部混合煙流的溫度較單火源狀態(tài)下有所增加，且高溫?zé)熈鞯捏w積較單火源時增加明顯，并開始出現(xiàn)溫度梯度?；鹪聪虏砍隹诓课坏臏囟燃s為650 K，火源上方巷道頂端溫度約為1000 K，較單火源時都增加明顯，但是此時熱煙流對巷道前方的影響較單火源時則呈減少趨勢。

三火源巷道火災(zāi)煙氣流動規(guī)律與雙火源火災(zāi)情形類似，如圖5(e)、(f)所示，此時整個巷道所蔓延的混合熱煙流溫度更高、體積更多，火源點上方巷道頂端溫度達到1100 K，巷道內(nèi)熱煙流的溫度梯度非常明顯，高溫?zé)釤熈饔绊憛^(qū)域更大；而且三火源燃燒對于空氣卷吸的競爭比雙火源燃燒要激烈，兩側(cè)火源火焰向中間火源聚攏，其產(chǎn)生的熱煙流也有偏轉(zhuǎn)指向中間火源的趨勢。這是由于火源火焰受到熱輻射流場的影響從而形成空間壓力梯度，使得火源火焰會發(fā)生傾斜，高溫區(qū)域也會相互靠攏，而且在一定條件下還會發(fā)生火焰融合現(xiàn)象?；鹪椿鹧姘l(fā)生傾斜后兩側(cè)空氣由于卷吸所造成的壓力差與浮力會達到平衡狀態(tài)，多火源火災(zāi)將表現(xiàn)出大面積火災(zāi)的燃燒特征，并使得燃燒破壞程度加劇，此時混合熱煙流對火源前方的影響則可忽略不計了。

圖6 火災(zāi)煙氣溫度及污染物分布圖(Z=1.5 m)

(2)以井下人員平均身高1.5 m計算，對Z=1.5 m處煙氣溫度和巷道污染物分布進行研究。

圖6為三種火源條件下距巷道底板高度為1.5 m 處溫度及巷道內(nèi)污染物分布圖，圖中反映出煙氣在橫、縱兩個方向的蔓延情況，火源附近橫向溫度由火源中心向巷道兩側(cè)逐漸降低；在單火源條件下，高溫?zé)煔庀蛏线\動至頂棚后沿巷道頂部運動，所以在距巷道底板1.5 m處的煙氣溫度并不是很高，隨著距離火源的增大，污染物分布逐漸遞減；在巷道中下部距火源8 m左右范圍內(nèi)煙氣濃度較低，而在巷道中心距離火源17 m處污染物濃度突然增大，這是熱煙氣向上運動碰到巷道頂端后受到巷道頂端向下的反作用力和巷道風(fēng)流共同作用的結(jié)果；(c)、(d)圖展示了雙火源條件下X=1.5 m處煙氣溫度與污染物的分布情況，此時在2.5 m/s的風(fēng)速條件下煙氣層無法保持完整性，而是形成分岔的高溫?zé)煔饬餮刂锏纼蓭土鲃?，形成所謂的煙氣分岔流動現(xiàn)象[15]，在距離火源5 m左右處，局部煙流溫度能達到860 K，而且高溫?zé)熈鞒錆M整個出口，出口煙流平均溫度達530 K，而且此時污染物分布較單火源時密度增加，這對井下人員的處境極為不利；三火源時Z=1.5 m處煙氣和污染物分布情況與雙火源時類似，只是此時熱煙流分岔現(xiàn)象更為明顯，出口處附近熱煙流溫度更高，污染物分布更為密集。

4 結(jié)論

(1)本文以某煤礦一運輸順槽為研究對象，采用計算流體力學(xué)軟件FLUENT進行了單火源、雙火源和三火源礦井巷道火災(zāi)煙氣流動的數(shù)值模擬，得到了巷道中截面處(X=2.8 m)和橫截面(Z=1.5 m)處煙氣的溫度、速度和污染物分布等規(guī)律。

(2)根據(jù)單火源、雙火源、三火源燃燒模擬情況，通過分析巷道中截面X=2.8 m和橫截面Z=1.5 m處煙流溫度、速度和污染物分布情況表明：三火源燃燒時，熱煙流的分岔現(xiàn)象較雙火源時更為明顯；火源下方污染物呈層狀分布；火源下方巷道受熱煙流的影響區(qū)域較單火源、雙火源時增大，而且此時熱煙流還存在明顯的溫度梯度；三火源下方出口溫度和火源上方巷道頂端溫度較單火源、雙火源時均增加明顯，污染物分布也更為密集，對井下人員的逃生極為不利；不過三火源時熱煙流對火源前方巷道的影響可忽略不計，而單火源、雙火源時熱煙流對火源前方的巷道有一定影響。

(3)三火源燃燒時火源間存在強烈相互作用，該相互作用導(dǎo)致多火源燃燒行為與單火源燃燒行為呈現(xiàn)顯著差異。在多火源同時自由燃燒的火災(zāi)情形中，中間火源不僅受自身熱輻射的反饋影響，而且受周圍火源和空氣卷吸受限的影響，從而導(dǎo)致火源自身及相鄰火源的燃燒加劇，火災(zāi)產(chǎn)生的高溫?zé)釤熈鞯穆右?guī)律也與單個火源條件下大不相同。從燃燒區(qū)域全局來說，其燃燒行為與火源數(shù)目密切相關(guān)。

[1] 褚燕燕，蔣仲安. 礦井巷道火災(zāi)煙氣運動模擬研究[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保, 2007, 34(5): 13-14.

[2] 周心權(quán)，王海燕，趙紅澤. 平巷煙流滾退逆行規(guī)律[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報, 2004, 26(2): 118-121.

[3] 王海燕，周心權(quán). 平巷煙流滾退火煙羽流模型及其特征參數(shù)研究[J]. 煤炭學(xué)報, 2004, 29(2): 190-194.

[4] 周延，王省身. 水平巷道煙流滾退發(fā)生條件的研究[J]. 煤炭學(xué)報, 1998, (4): 362-365.

[5] 邱長河，周延. 水平巷道火災(zāi)時期煙氣逆流發(fā)生條件的研究[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保, 2003, 30(6): 14-16.

[6] 王德明，程遠平，周福寶，等. 礦井火災(zāi)火源燃燒特性的實驗研究[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2002, 31(1): 30-33.

[7] 傅培舫，周懷春. 巷道火災(zāi)過程中燃燒速率和釋熱速率的預(yù)測[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù), 2006, 12(5): 408-412.

[8] 褚燕燕，蔣仲安. 巷道火災(zāi)火焰長度影響因素正交實驗[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報, 2009, 28(6): 894-897.

[9] 李小菊，朱杰，代君雨，等. 不同截面形狀礦井巷道火災(zāi)數(shù)值模擬研究[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保, 2015, 42(4): 4-8.

[10] 劉業(yè)嬌，田志超，王文才，等. 火災(zāi)巷道煙流速度變化規(guī)律研究[J]. 煤炭工程, 2016, 48(3): 85-87.

[11] 段軍，林俊森，陳紹祥，等. 基于Fluent的火災(zāi)時期掘進巷道煙流變化的數(shù)值模擬[J]. 煤炭技術(shù), 2014, 33(9): 310-312.

[12] 程衛(wèi)民，姚玉靜，吳立榮，等. 基于Fluent的礦井火災(zāi)時期溫度及濃度分布數(shù)值模擬[J]. 煤礦安全, 2012, 43(2): 20-24.

[13] 劉瓊. 多火源燃燒動力學(xué)機制與規(guī)律研究[D]. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2010.

[14] 宋遠卓，代昌標(biāo)，陸愈實. 煤礦火災(zāi)過程仿真模擬系統(tǒng)的研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2006, 2(5): 55-58.

[15] 李開源，霍然，劉洋. 隧道火災(zāi)縱向通風(fēng)下羽流觸頂區(qū)溫度變化研究[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報, 2006, 6(3): 38-41.

Numericalsimulationofsmokeflowundermultiignitionsourcesconditionincoalmineroadway

HUANG Gang1, WANG Yu-huai1, ZHAO Qi-feng2, ZHANG Jun2, ZHANG Zhi-ke1

(1.SchoolofEnvironmentalEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 065201,China;2.SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 065201,China)

TD75+2

A

1672-7169(2017)03-0034-07

2017-06-03

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費項目(3142017019)

黃剛(1993- )，男，安徽池州人，華北科技學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：礦井火災(zāi)防治技術(shù)。E-mail:firehg@sina.com