不同封堵條件下巷道火災(zāi)煙氣溫度場預(yù)測模型

馬 礪，張鵬宇，李超華，劉 順

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 陜西省煤火災(zāi)害防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

0 引 言

在火災(zāi)的發(fā)展蔓延階段，高溫?zé)煔馐亲璧K人員疏散，造成人員傷亡的重要因素，研究煙氣蔓延的規(guī)律并準(zhǔn)確預(yù)測煙氣溫度對(duì)火災(zāi)的預(yù)防控制及人員的疏散救援有著重要意義[1-2]。巷道火災(zāi)按照時(shí)間順序一般可劃分為3個(gè)階段，即火災(zāi)初期增長階段、火災(zāi)充分發(fā)展階段、火災(zāi)衰減階段。在火災(zāi)充分發(fā)展階段，根據(jù)火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律分為5個(gè)階段[3]：火羽流上升階段、頂棚射流階段，二維徑向擴(kuò)散階段、一維縱向蔓延轉(zhuǎn)化階段以及一維縱向蔓延階段[4-5]。

對(duì)于火災(zāi)煙氣溫度場的研究，MODIC利用IDS通風(fēng)模擬軟件對(duì)公路隧道火災(zāi)中的氣流溫度和速度進(jìn)行研究，指導(dǎo)了消防安全疏散[6]；HWANG等通過模擬得到不同通風(fēng)條件下煙氣溫度和速度的分布規(guī)律以及對(duì)火災(zāi)的影響[7]；LEE等模擬了不同寬高比下的隧道火災(zāi)煙氣溫度場、速度場等影響規(guī)律[8]；BAILEY等通過LES大渦數(shù)值模擬得到了走廊煙氣溫度的縱向分布規(guī)律[9]；KHATTRI采用小尺寸數(shù)值模擬研究火災(zāi)煙氣溫度分布規(guī)律，得到煙氣溫度的衰減并不一定是指數(shù)函數(shù)分布規(guī)律[10]。郭慶華等通過對(duì)海拔4 100 m的全尺寸隧道進(jìn)行火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，得到3種火源功率下最高溫度及縱向溫度分布規(guī)律[11]；陶海軍等建立了1∶3.6小尺寸綜合管廊模型的火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，得到煙氣溫度在管廊電力艙室的衰減規(guī)律，并分析煙氣溫度在不同高度下的跳躍現(xiàn)象[12]；張鵬等基于1∶20地鐵換乘站相似實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，利用高溫輻射流取代火源，得到煙氣溫度在頂棚沿站臺(tái)方向和樓梯處衰減規(guī)律[13]；梁震寰等搭建圓形小尺寸管廊實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研究得?種火源形狀的距離、煙氣溫度以及頂棚溫度的函數(shù)關(guān)系[14]；劉斌等對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)隧道火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析得到不同縱向通風(fēng)對(duì)煙氣溫度的分布規(guī)律及煙流的擴(kuò)散影響[15]；姜學(xué)鵬等通過FDS模擬設(shè)置不同坡度的人字坡隧道模型，得到最高煙氣溫度與火源功率呈現(xiàn)3/4次冪的關(guān)系且沿隧道長度方向呈指數(shù)函數(shù)衰減[16]；姜濤利用CFD方法設(shè)計(jì)不同工況下的地鐵過江隧道模型，得到火災(zāi)煙氣溫度場及濃度場，為救援工作提供技術(shù)指導(dǎo)[17]。對(duì)于火災(zāi)封堵控制研究，YAO等通過建立小尺寸實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究火災(zāi)封堵窒息，結(jié)果表明完全密封的時(shí)間越早，燃燒時(shí)間越短，溫度越低，抑制火災(zāi)效果越好[18-19]；紀(jì)道溪通過數(shù)值模擬研究封堵控制因素對(duì)滅火效率影響規(guī)律[20]；董炳燕等通過數(shù)值模擬得出火源功率為50 MW的臨界封堵比例為75%，火源功率為100，150 MW的臨界封堵比例為50%[21].

綜上所述，當(dāng)前對(duì)于火災(zāi)煙氣溫度的研究中，多數(shù)學(xué)者通過建立小尺寸實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠硌芯繜煔鉁囟鹊姆植加绊懸?guī)律，對(duì)于封堵過程研究的模型較少。文中主要研究在巷道火災(zāi)封閉過程中煙氣一維蔓延階段溫度預(yù)測模型，為井下封閉火區(qū)的蔓延控制提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及條件

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)利用西安科技大學(xué)煤火災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室巷道裝置模型[22]，建立了1∶10比例的巷道火災(zāi)發(fā)展封堵過程實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。巷道模型頂部為拱形，底部為矩形，如圖1所示。該系統(tǒng)采用分段式設(shè)計(jì)，單節(jié)長度0.7 m，共11節(jié)，巷道模型截面寬度0.48 m，高度0.42 m，為便于觀察巷道火災(zāi)煙氣溫度的變化趨勢，巷道一面采用耐高溫玻璃制成，另一面采用角鋼制成。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)布置Fig.1 Layout of test bed

實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用自然通風(fēng)，風(fēng)速以實(shí)際測量為準(zhǔn)，本實(shí)驗(yàn)為0.3 m/s，火源距進(jìn)風(fēng)側(cè)250 cm。實(shí)驗(yàn)布置19個(gè)K型鎧裝熱電偶，且相對(duì)火源中心對(duì)稱布置，分別距火源中心點(diǎn)距離為12.5，25，56.5，75，93.5，140.5，159，199.5和240 cm.火源及熱電偶分布如圖2所示，采用C-7108溫度數(shù)據(jù)模塊采集溫度。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品

為了模擬井下巷道火災(zāi)，火源大小設(shè)計(jì)為4，6，8 MW.火源類型為柴油，熱值為42 kJ/g，火源相似計(jì)算值見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)油盤尺寸Table 1 Dimensions of experimental oil pan

圖2 火源及熱電偶布置Fig.2 Fire source and thermocouple layout

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 頂棚最高煙氣溫度分析

3種火源功率下頂棚煙氣溫度封堵曲線如圖3所示。結(jié)果表明：隨著火源功率增加，封堵比例升高頂棚煙氣溫度增加，這是由于在巷道內(nèi)燃燒消耗的氧氣增多，造成熱量聚積。0～50%封堵火災(zāi)充分燃燒時(shí)間和溫度情況相近，50%封堵的燃燒時(shí)間更長溫度更高。表明在封堵比例小于50%時(shí)，隨著新鮮風(fēng)流進(jìn)入巷道，氧氣的供給足夠維持柴油的充分燃燒，使得熱量難以聚積，但由于火災(zāi)充分燃燒時(shí)間長，不利于人員的疏散。75%封堵比例時(shí)，火災(zāi)的充分燃燒時(shí)間相比0～50%封堵明顯縮短，且隨著火源功率的增加，達(dá)到充分燃燒階段的時(shí)間提前，燃燒所需的時(shí)間隨之減少，且衰減階段溫度下降較快，表明75%封堵比例對(duì)氧氣的供給造成了極大阻礙，火源功率越高消耗氧氣越多，供氧不足，火災(zāi)得到了明顯的抑制。完全封堵(比例100%)時(shí)火災(zāi)充分燃燒階段最短，溫度上升和衰減的幅度也最大，這是由于阻斷了火災(zāi)燃燒消耗所需的氧氣來源，導(dǎo)致頂棚熱量聚集，燃燒不充分，火災(zāi)熄滅的時(shí)間快。

圖4表示的是在熄滅時(shí)，各封堵比例的縱向最高煙氣溫度變化曲線，從圖中可以看出隨著封堵比例升高，溫度衰減的幅度越大；綜合圖3圖4可知，當(dāng)封堵比例大于50%時(shí)，在距火源240 cm處的下風(fēng)側(cè)各封堵比例的溫度相近，當(dāng)時(shí)間到達(dá)500 s時(shí)，100%封堵的溫度最低，75%封堵的溫度與0～25%的溫度接近。綜上所述，由于100%封堵導(dǎo)致熱量聚集過快，溫度快速上升至600 ℃，對(duì)巷道頂棚破壞嚴(yán)重，考慮到保護(hù)救援人員，當(dāng)封堵50%以上時(shí)，隔氧滅火效果明顯。

2.2 不同封堵條件對(duì)縱向煙氣溫度的衰減規(guī)律

KUNSCH通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究得到了頂棚煙氣溫度縱向分布模型[23]，經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者驗(yàn)證該模型服從指數(shù)衰減規(guī)律，如公式(1)所示。文中取距火源中心點(diǎn)距離x-x0為自變量，煙氣溫ΔT/ΔT0為因變量，利用該模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合后各參數(shù)數(shù)據(jù)見表2。

(1)

分析表中擬合數(shù)據(jù)得到封堵條件對(duì)參數(shù)a和b的影響。

圖3 3種火源功率下不同封堵條件的頂棚煙氣溫度曲線Fig.3 Temperature curves of ceiling flue gas with different plugging conditions under three fire source powers

圖4 3種火源功率下不同封堵條件的煙氣溫度縱向分布曲線Fig.4 Longitudinal distribution curves of flue gas temperature under different plugging conditions

表2 擬合后各參數(shù)數(shù)據(jù)Table 2 Fitted parameter data

1)當(dāng)封堵比例η=0時(shí)，煙氣溫度與距離的關(guān)系

(2)

2)當(dāng)封堵比例η>0時(shí)，煙氣溫度會(huì)隨著封堵比例呈線性變化

(3)

3 巷道火災(zāi)封堵煙氣溫度預(yù)測模型

3.1 巷道火災(zāi)一維溫度場分布

通過分析火災(zāi)煙氣溫度場控制方程和質(zhì)量流率的卷吸方程[3]，建立符合礦井巷道條件下的一維溫度場分布模型。該模型增加了封堵條件，巷道截面如圖5所示。

巷道火災(zāi)的煙氣層在x方向質(zhì)量流率變化，等于煙氣層卷吸空氣質(zhì)量流率變化，得到連續(xù)性方程

(4)

巷道火災(zāi)煙氣層在x方向上的焓值變化，等于煙氣層卷吸空氣的焓值增量與對(duì)流輻射損失的焓值量總和，得到能量方程

(5)

其中Kunsch提出一維水平蔓延的煙氣卷吸的質(zhì)量流率可以表示為[23]

(6)

巷道火災(zāi)煙氣的能量損失可以看成是煙氣層與環(huán)境溫度之間的能量交換(忽略壁面厚度)

(7)

在一維蔓延階段，卷吸系數(shù)β的值很小，在數(shù)量級(jí)上可以趨近于0

(8)

為了建立封堵比例η與空氣流速u的關(guān)系，文中簡化在封堵情況下的封堵兩側(cè)的體積流量變化，即自然通風(fēng)風(fēng)量減去進(jìn)入巷道風(fēng)量等于被封堵處風(fēng)量的損失值

Q進(jìn)-Q=Q損

(9)

損失值可以用進(jìn)入巷道風(fēng)流體積流量減去開口處進(jìn)入風(fēng)流體積流量Q損=uA-uA1，帶入化簡可以得到

(10)

綜合以上因素，聯(lián)立化簡方程，根據(jù)參考點(diǎn)位置x0,T0可以積分得到

圖5 巷道截面Fig.5 Roadway section

圖6 0～100%封堵條件下理論值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Fig.6 Comparison of theoretical and experimental values under 0～100% plugging conditions

當(dāng)封堵比例η=0

1)當(dāng)h≤R時(shí)

(11)

2)當(dāng)h≥R時(shí)

(12)

當(dāng)封堵比例η>0

1)當(dāng)h≤R時(shí)

(13)

2)當(dāng)h≥R時(shí)

(x-x0))

(14)

3.2 理論模型預(yù)測結(jié)果

采用平均絕對(duì)誤差(MAE)、平均絕對(duì)百分誤差(MAPE)、根均方誤差(RMSE)和確定系數(shù)(R2)等指標(biāo)來評(píng)價(jià)預(yù)測模型的準(zhǔn)確性[24-25]。

(15)

(16)

(17)

(18)

3.3 理論模型的預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比

圖6表示的是5種封堵條件下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果和理論模型預(yù)測結(jié)果，從圖中可以看出兩者曲線相近，計(jì)算得到各曲線之間相關(guān)系數(shù)R2均在0.9以上，表明實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測值存在較強(qiáng)的相關(guān)性，理論模型預(yù)測值較好。

文中將不同封堵條件下理論值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，為了量化模型的預(yù)測性能，將其誤差指標(biāo)(MAE<0.075 1，MAPE<0.132 1，RMSE<0.077，R2>0.906 9)列于表3中。結(jié)果表明，封堵條件下的巷道火災(zāi)煙氣理論模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測巷道火災(zāi)煙氣溫度。

表3 預(yù)測模型的誤差分析Table 3 Error analysis of prediction model

4 結(jié) 論

1)根據(jù)封堵過程中巷道內(nèi)外體積流量變化的平衡條件，得到流速與封堵比例之間的函數(shù)關(guān)系，基于巷道火災(zāi)實(shí)驗(yàn)臺(tái)建立了不同封堵條件下的煙氣溫度預(yù)測模型。

2)通過分析不同封堵比例下巷道火災(zāi)煙氣溫度的預(yù)測模型，得到溫度的衰減主要受巷道尺寸、空氣流速和煙流質(zhì)量流率影響。

3)實(shí)驗(yàn)分析得到頂棚煙氣溫度隨著火源功率的增加而升高；當(dāng)封堵比例為50%時(shí)，火災(zāi)充分發(fā)展時(shí)間最長；當(dāng)封堵比例大于50%時(shí)，隨著封堵比例增加，煙氣溫度下降的時(shí)間越早。