煤礦避難硐室噴淋系統(tǒng)模擬分析研究

摘 要：噴淋系統(tǒng)是煤礦避難硐室安全防護(hù)的重要組成部分。利用計(jì)算機(jī)模擬軟件，分析不同配置方式的噴淋系統(tǒng)對過渡室內(nèi)有害氣體凈化效果的影響情況。根據(jù)模擬結(jié)果，設(shè)置3個(gè)噴淋裝置的噴淋系統(tǒng)，對過渡室內(nèi)有毒有害氣體去除效果最好。

關(guān)健詞：煤礦；避難硐室；噴淋系統(tǒng)；模擬分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.047

0 前言

煤礦避難硐室是煤礦安全生產(chǎn)的重要保障設(shè)施[1-2]。噴淋系統(tǒng)是煤礦避難硐室安全防護(hù)的重要組成部分，其通過噴出的高速氣流對避險(xiǎn)人員從外部攜帶的有毒有害氣體進(jìn)行沖洗、稀釋，使帶入生存室的有毒有害氣體大幅減少，在避險(xiǎn)人員進(jìn)入避險(xiǎn)設(shè)施的初期即可盡量降低有毒有害氣體濃度，保證生存艙內(nèi)的空氣質(zhì)量[3-4]。目前，對噴淋系統(tǒng)如何配置并沒有詳細(xì)具體的規(guī)定，在避難硐室建設(shè)時(shí)，大多根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)和配置，噴淋效果上有很大差異。筆者利用計(jì)算機(jī)模擬軟件，對避難硐室噴淋效果形成的流場以及噴淋氣體對過渡室內(nèi)有毒有害氣體的稀釋效果進(jìn)行分析研究，為避難硐室噴淋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

建模是基于典型煤礦避難硐室過渡室的實(shí)際尺寸，采用三維建模軟件UG建立滿足流體仿真需要的1：1尺寸過渡室模型，并在過渡艙空間中按盤管型噴淋裝置的實(shí)際噴氣平面位置與排氣管位置建立了噴頭與出風(fēng)口模型。由于過渡室區(qū)域空間較大，而噴盤局部又有較細(xì)微的噴嘴結(jié)構(gòu)，因此對網(wǎng)格數(shù)量和大小進(jìn)行了獨(dú)特的劃分，在噴嘴位置適當(dāng)加密，而遠(yuǎn)離噴嘴的開放空間適當(dāng)放大網(wǎng)格尺寸，以減小求解代價(jià)。使用FluentMeshing質(zhì)量檢查工具對網(wǎng)格劃分質(zhì)量進(jìn)行檢查，得到最差網(wǎng)格質(zhì)量為0.71，平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.2389。對于四面體網(wǎng)格，fluent計(jì)算要求網(wǎng)格質(zhì)量在0.9以下，推薦為0.8以下，因此網(wǎng)格質(zhì)量完全可滿足求解要求。網(wǎng)格數(shù)量控制在645萬，在可接受的求解范圍之內(nèi)。過渡室及噴淋出口網(wǎng)格劃分如圖1～2所示。

1.2 邊界條件與計(jì)算條件設(shè)置

流體介質(zhì)為常態(tài)空氣，密度取1.225kg/m3；入口取流量邊界條件，換算為質(zhì)量流量0.0565 kg/s；出口取為大氣條件，設(shè)為壓力出口，壓力為1atm，入口管線氣體流量為60m3/h，壓力為0.5MPa；出口為大氣狀況。

1.3 模擬工況條件

過渡室內(nèi)安裝噴淋裝置的位置如圖3所示。

根據(jù)過渡室室內(nèi)噴淋裝置布置情況，設(shè)計(jì)以下工況條件進(jìn)行模擬：

工況1：1#、2#、3#噴淋裝置均開啟；

工況2：1#、2#噴淋裝置開啟，3#噴淋裝置關(guān)閉；

工況3：1#、3#噴淋裝置開啟，2#噴淋裝置關(guān)閉；

工況4：2#、3#噴淋裝置開啟，1#噴淋裝置關(guān)閉；

工況5：1#噴淋裝置開啟，2#、3#噴淋裝置關(guān)閉；

工況6：2#噴淋裝置開啟，1#、3#噴淋裝置關(guān)閉；

工況7：3#噴淋裝置開啟，1#、2#噴淋裝置關(guān)閉。

2 模擬結(jié)果

按照設(shè)計(jì)工況條件，逐個(gè)進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算，數(shù)值模擬計(jì)算后形成的整體流場如圖4～10所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）當(dāng)有且僅有1個(gè)噴淋裝置開啟時(shí)，噴淋裝置僅能對其下方及周邊區(qū)域的空氣進(jìn)行擾動(dòng)，對過渡室整體的空氣擾動(dòng)范圍較??；對3個(gè)噴淋裝置獨(dú)立開啟時(shí)過渡室內(nèi)空氣的擾動(dòng)情況進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)噴淋裝置位于中間時(shí)雖然擾動(dòng)范圍仍然較小，但能帶動(dòng)整個(gè)過渡室的空氣進(jìn)行擾動(dòng)，噴淋裝置位于兩邊時(shí)僅能對自身一側(cè)的空氣進(jìn)行擾動(dòng)，對較遠(yuǎn)一端的空氣擾動(dòng)作用非常微弱，因此如果只安置1個(gè)噴淋裝置時(shí)，應(yīng)盡量放在過渡室的中心區(qū)域。

（2）當(dāng)有2個(gè)噴淋裝置同時(shí)開啟時(shí)，噴淋裝置對過渡室整體空氣的擾動(dòng)范圍增大；對2個(gè)噴淋裝置開啟時(shí)過渡室內(nèi)空氣的擾動(dòng)情況進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)噴淋裝置較為靠近時(shí)（即1#、2#同時(shí)開啟或2#、3#同時(shí)開啟）過渡室內(nèi)的氣體擾動(dòng)更為強(qiáng)烈，當(dāng)噴淋裝置位于過渡室兩側(cè)時(shí)（即1#、3#同時(shí)開啟）過渡室內(nèi)氣體擾動(dòng)范圍更廣但過渡室中間出現(xiàn)了死角，因此，如果可以安置2個(gè)噴淋裝置時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮噴淋裝置的距離和覆蓋范圍。

（3）當(dāng)3個(gè)噴淋裝置同時(shí)開啟時(shí)，噴淋裝置對過渡室整體空氣的擾動(dòng)范圍最大，從整體流場圖中也能看到過渡室的地面幾乎沒有死角，同時(shí)由于噴淋氣體的互相作用，氣體混合的更為均勻，噴淋效果也更好。

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基金項(xiàng)目：國家“十二五”科技支撐計(jì)劃“煤礦井下逃生及緊急避險(xiǎn)技術(shù)及裝備”（2012BAK04B09）

作者簡介：吳兆宏（1980-），男，江蘇鹽城人，碩士，主要從事礦用設(shè)備安全性能研究與安全標(biāo)志管理工作。