不同風(fēng)速下巷道火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律的數(shù)值模擬

黃 剛 王玉懷 趙啟峰 張志科 張 軍 尹義超

(華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，河北省三河市，065201)

火災(zāi)是煤礦五大災(zāi)害之一，由于煤礦井下巷道一般縱深較長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間狹小，一旦發(fā)生火災(zāi)，煙霧會(huì)迅速在巷道內(nèi)蔓延，影響人員的疏散和救援，火災(zāi)事故占煤礦特大事故的40%～60%。煤礦巷道發(fā)生火災(zāi)后，若巷道進(jìn)風(fēng)側(cè)風(fēng)流速度與火源熱煙流釋放速度相比較小，當(dāng)巷道火災(zāi)趨于穩(wěn)定后，熱煙流受浮力影響上升至巷道頂部后會(huì)向巷道兩側(cè)流動(dòng)，出現(xiàn)煙流逆流層現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成煤礦巷道風(fēng)流方向發(fā)生逆轉(zhuǎn)，對(duì)井下人員的逃生和救援很不利。火災(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重要因素，據(jù)統(tǒng)計(jì)，因火災(zāi)產(chǎn)生的有毒有害煙流中毒窒息死亡的人數(shù)占煤礦火災(zāi)總死亡人數(shù)的62.4%。因此，火災(zāi)煙霧的流動(dòng)規(guī)律是巷道火災(zāi)研究的關(guān)鍵所在。

由于煤礦巷道實(shí)際條件復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成本高、難度大，而數(shù)值模擬方法準(zhǔn)確、方便、經(jīng)濟(jì)、可重復(fù)性高，因此現(xiàn)在多數(shù)學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法對(duì)巷道火災(zāi)進(jìn)行研究。本文以察哈素煤礦一運(yùn)輸平巷為研究對(duì)象，采用FLUENT數(shù)值模擬軟件，對(duì)不同風(fēng)速條件下水平巷道火災(zāi)煙氣溫度和煙流狀態(tài)的分布規(guī)律進(jìn)行了研究。

1 煙氣蔓延及邊界層影響

巷道發(fā)生火災(zāi)后造成周圍環(huán)境溫度升高，使得燃燒產(chǎn)生的煙氣溫度升高、密度降低，高溫?zé)煔馐芨×Φ淖饔煤笙蛏线\(yùn)動(dòng)。同時(shí)在壓力的作用下周圍的新鮮空氣會(huì)不斷涌入，形成火羽流。當(dāng)火災(zāi)煙流上升到一定高度到達(dá)巷道頂棚時(shí)，隨即沿巷道四周徑向蔓延，發(fā)生頂棚射流現(xiàn)象，隨著煙氣逐漸遠(yuǎn)離火源區(qū)域，煙氣溫度也隨之降低，密度逐漸變大，空氣和煙氣之間的密度差則逐漸減小，浮力也減小。煙氣在撞擊頂棚后向四周擴(kuò)散一定距離，在巷道風(fēng)流的影響下，發(fā)生煙氣逆流現(xiàn)象；不過(guò)隨著煙氣的蔓延，溫度會(huì)逐漸衰減，當(dāng)煙氣逆流所受浮力作用與巷道風(fēng)流產(chǎn)生的作用力相當(dāng)時(shí)，煙氣逆流將停止；同時(shí)，煙氣將隨著巷道風(fēng)流的流向繼續(xù)蔓延，當(dāng)煙氣蔓延一段時(shí)間后，由于溫度的降低導(dǎo)致空氣的浮力不足以抵消煙氣顆粒自身的重力，煙氣會(huì)逐漸沉降。巷道內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延過(guò)程如圖1所示。

圖1 巷道內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延過(guò)程

由于燃燒產(chǎn)生的煙氣溫度較高并處于過(guò)熱狀態(tài)，因此煙氣經(jīng)過(guò)巷道壁時(shí)主要以對(duì)流換熱的方式進(jìn)行熱量傳遞。此時(shí)，巷道壁面的摩擦阻力會(huì)對(duì)煙氣形成阻滯作用，使得巷道壁面附近的煙氣流速下降，形成一個(gè)明顯變化的流體減速薄層，即流動(dòng)邊界層。在邊界層內(nèi)，越靠近壁面處煙氣速度越?。辉谶吔鐚油?，煙氣的速度幾乎保持不變。邊界層內(nèi)流體的流態(tài)分為層流和紊流。隨著煙氣的蔓延，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一距離時(shí)巷道壁面的粘滯阻力對(duì)邊界層邊緣處煙氣的作用逐漸減弱，使得邊界層從層流向紊亂過(guò)渡，形成紊流邊界層。此時(shí)，紊流區(qū)內(nèi)煙氣速度分布呈線性規(guī)律，而在層流邊界層內(nèi)煙氣速度分布呈拋物線型。流體邊界層的形成和發(fā)展如圖2所示。

圖2 流體邊界層的形成和發(fā)展

2 數(shù)值模擬

本文采用FLUENT軟件以運(yùn)輸巷道的一部分作為幾何模型對(duì)不同風(fēng)速條件下水平巷道內(nèi)火災(zāi)煙氣的蔓延規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬巷道為矩形斷面，設(shè)定模型具體尺寸為70 m×5.6 m×3.7 m(長(zhǎng)×寬×高)。

在進(jìn)行巷道火災(zāi)模擬時(shí)將巷道進(jìn)風(fēng)風(fēng)口設(shè)為速度入口，分別設(shè)置風(fēng)速為0.5 m/s、1.5 m/s、2.5 m/s、3.5 m/s，巷道出口設(shè)為自由出口，巷道入口溫度設(shè)為293 K，入口物質(zhì)為空氣，表壓力為0 Pa，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和無(wú)反應(yīng)組分輸運(yùn)模型，考慮浮力和重力的影響，加速度取值為-9.8 m/s2，巷道四周壁面設(shè)為“CONCRETE”屬性，選擇壁面無(wú)滑移條件，溫度為283 K，假設(shè)壁面和高溫?zé)熈鞑话l(fā)生換熱。

模擬采用Gambit軟件進(jìn)行巷道模型的建立和網(wǎng)格的劃分。由于巷道模型的長(zhǎng)寬比例較大，而且火源區(qū)域和巷道區(qū)域相比也差距較大，因此采用對(duì)火源區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，達(dá)到計(jì)算精確性和快捷性相協(xié)調(diào)。

燃燒是一個(gè)復(fù)雜、迅速的物理化學(xué)反應(yīng)，要完整、準(zhǔn)確地對(duì)燃燒進(jìn)行模擬是非常困難的，因此在進(jìn)行數(shù)值模擬前首先要對(duì)巷道火災(zāi)火源進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：巷道火源為巷道中部一固定小長(zhǎng)方體(1 m×1 m×0.5 m)，距離風(fēng)流入口為20 m，立方體上表面釋放燃燒所產(chǎn)生的高溫?zé)煔?，燃燒產(chǎn)物為CO2、HCL、CO的混合氣體，假設(shè)燃燒體上表面所釋放高溫?zé)煔鉁囟葹?500 K，火源強(qiáng)度由高溫?zé)煔馑尫潘俣鹊拇笮?lái)表示。具體模型如圖3所示。

圖3 CFD模型示意圖

3 模擬結(jié)果與分析

煤礦巷道發(fā)生火災(zāi)后，對(duì)井下人員影響最大的是火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣和高溫，因此研究煙氣溫度分布和蔓延規(guī)律非常有必要。

3.1 頂棚煙流溫度分析

巷道火災(zāi)火源上方及火源影響區(qū)域的高溫往往會(huì)對(duì)巷道的結(jié)構(gòu)造成破壞，在巷道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)巷道結(jié)構(gòu)進(jìn)行防火保護(hù)非常重要，因此需要獲取火災(zāi)時(shí)期巷道頂棚處煙流的最高溫度。

火源附近水平方向溫度分布以火源為中心點(diǎn)向巷道兩側(cè)壁逐漸降低，隨著煙氣的蔓延，豎直方向的溫度隨著與火災(zāi)火源距離的增大而降低，并且豎直方向溫度的衰減程度要大于水平方向溫度。這是由于高溫?zé)煔馀c巷道兩側(cè)壁存在溫度差從而形成對(duì)流換熱的結(jié)果。巷道發(fā)生火災(zāi)后煙流的最高溫度出現(xiàn)在頂棚附近位置。巷道頂棚處水平截面溫度分布如圖4所示。由圖4可知，火源火羽流上方頂棚附近的煙流溫度最高；風(fēng)速為0.5 m/s時(shí)火源上方溫度最高，大約為1000 K，隨著風(fēng)流速度的增大，火源上方的溫度逐漸降低，3.5 m/s風(fēng)速條件下火源上方最高溫度大約為700 K。這是因?yàn)轱L(fēng)速的增加使得聚集的高溫?zé)煔庵饾u擴(kuò)散開(kāi)，同時(shí)風(fēng)流的快速流動(dòng)稀釋了高溫?zé)熈鳌?/p>

圖4 不同風(fēng)速條件下巷道頂棚水平截面溫度分布圖

3.2 煙氣熱分層分析

不同風(fēng)速下巷道出口斷面的溫度分布如圖5所示。火災(zāi)發(fā)生后，巷道內(nèi)高溫?zé)煔庠跓岣×Φ淖饔孟轮饾u演變?yōu)樯舷路€(wěn)定的煙氣層和空氣層，據(jù)此Emmons提出了雙區(qū)域模型。

圖5 不同風(fēng)速條件下巷道出口斷面溫度分布圖

由圖5可以看出，不同風(fēng)速條件下煙氣均發(fā)生熱分層現(xiàn)象，但是在風(fēng)速較低時(shí)分層更加明顯、也更加密集，風(fēng)速較大時(shí)熱煙氣層厚度會(huì)逐漸增大。隧道火災(zāi)方面已有研究表明空間發(fā)生火災(zāi)后，縱向通風(fēng)對(duì)通道內(nèi)煙氣分層有較大影響，會(huì)使熱煙氣層的厚度顯著增大，這與本次模擬結(jié)果是相符合的。另外在狹長(zhǎng)的空間內(nèi)火災(zāi)煙氣會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)升至幾百攝氏度，而一般人體對(duì)高溫的忍耐是有限的。當(dāng)周圍環(huán)境溫度在373 K左右時(shí)人體皮膚就會(huì)覺(jué)得難受；當(dāng)溫度達(dá)到393 K左右時(shí)，皮膚便會(huì)被灼傷；而當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到443 K時(shí)，人在此溫度下僅能忍受1 min；溫度若繼續(xù)增高，則可能會(huì)使人員致死。風(fēng)速為0.5 m/s時(shí)出口處煙流最高溫度為500 K左右，但是煙氣下部溫度較低為350 K左右，其他風(fēng)速條件下出口處煙流溫度則更低。由于火災(zāi)產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈱?duì)人員的逃生和救援帶來(lái)很大的困擾，因此當(dāng)巷道發(fā)生火災(zāi)時(shí)井下人員不能隨意進(jìn)入火區(qū)，以免發(fā)生灼傷、中毒甚至窒息。

3.3 煙氣逆流分析

不同風(fēng)速條件下巷道中截面煙流分布如圖6所示。一般情況下將可燃物的燃燒區(qū)段和燃燒火焰所到達(dá)的范圍稱為火區(qū)，由圖6可得出不同風(fēng)速條件下巷道火災(zāi)火區(qū)的范圍。巷道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，高溫?zé)煔馐芨×ψ饔蒙仙较锏理斉锔浇捎陧斉锏淖钃踝饔?，高溫?zé)煔鈱⑾蚯昂髢蓚€(gè)相反的方向流動(dòng)即是頂棚射流現(xiàn)象，此時(shí)當(dāng)巷道的風(fēng)流速度與高溫?zé)煔獾牧鲃?dòng)速度相比太小時(shí)，即風(fēng)流不足以使得高溫?zé)煔忭樦L(fēng)流流動(dòng)，而是沿著與巷道通風(fēng)方向相反的方向流動(dòng)，這即是煙氣逆流現(xiàn)象。隨著巷道風(fēng)速的增加，風(fēng)流動(dòng)壓會(huì)呈拋物線增長(zhǎng)，從而使高溫?zé)熈骷铀僭诨鹪聪嘛L(fēng)側(cè)蔓延，抑制逆流現(xiàn)象的發(fā)生。在巷道縱向風(fēng)速為0.5 m/s和1.5 m/s的條件下，巷道發(fā)生煙氣逆流現(xiàn)象，煙氣逆流會(huì)攜帶有毒有害氣體擴(kuò)散至進(jìn)風(fēng)區(qū)域，擴(kuò)大影響范圍，此時(shí)逆流的煙氣會(huì)威脅到火源上風(fēng)側(cè)人員的逃生和救援，更為嚴(yán)重的是逆流的高溫?zé)煔饪赡軙?huì)使火源下風(fēng)側(cè)含有可燃揮發(fā)物的風(fēng)流再次流經(jīng)著火帶，增加了火區(qū)爆炸的可能性，極大地增加了事故的影響范圍；當(dāng)巷道風(fēng)速增加到2.5 m/s以上時(shí)，機(jī)械風(fēng)壓作用要強(qiáng)于火災(zāi)熱力作用，抑制逆流現(xiàn)象的發(fā)生，煙氣的擴(kuò)散距離減少，煙氣在巷道中的擴(kuò)散受到阻礙。

圖6 不同風(fēng)速條件下巷道中截面煙流分布圖

4 結(jié)論

(1)火源煙氣最高溫度出現(xiàn)在火源上方巷道頂棚附近，高溫?zé)煔鈱?duì)巷道結(jié)構(gòu)會(huì)造成破壞。風(fēng)速越小時(shí)巷道頂棚附近溫度越高，隨著風(fēng)速的增加，聚集的高溫?zé)煔鈺?huì)逐漸擴(kuò)散開(kāi)來(lái)。

(2)火災(zāi)產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈺?huì)在巷道內(nèi)發(fā)生熱分層現(xiàn)象，在巷道風(fēng)速條件較低時(shí)，煙氣的熱分層會(huì)更密集，隨著風(fēng)速的增加，煙流熱煙氣層厚度會(huì)顯著增加。

(3)當(dāng)巷道風(fēng)流不足以使得高溫?zé)煔忭樦L(fēng)流流動(dòng)，而是沿著與巷道通風(fēng)方向相反的方向流動(dòng)，就會(huì)發(fā)生煙氣逆流現(xiàn)象；隨著巷道風(fēng)速的增加，風(fēng)流動(dòng)壓會(huì)呈拋物線增長(zhǎng)，從而使高溫?zé)熈骷铀僭诨鹪聪嘛L(fēng)側(cè)蔓延，抑制逆流現(xiàn)象的發(fā)生。

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