細水霧抑制巷道膠帶火災蔓延模擬

徐傳田,鄭澤坤

(1.淮北礦業(yè)股份有限公司渦北煤礦,安徽 亳州 233600;2.西安科技大學 安全科學與工程學院,陜西 西安 710054)

0 引言

礦用運輸膠帶火災是煤礦外因火災的種類之一[1-2]。巷道中可燃物質(zhì)較多,若防控不及時,火災會迅速蔓延,甚至誘發(fā)瓦斯/煤塵爆炸事故,嚴重威脅人員的生命財產(chǎn)安全[3]。據(jù)《科技創(chuàng)新導報》統(tǒng)計,巷道火災占煤礦火災重大惡性事故比例高達90%以上,傷亡人數(shù)占總數(shù)的約65%。如2015年黑龍江龍煤集團雞西礦業(yè)公司杏花煤礦“11·20”重大火災事故,造成22人死亡,直接經(jīng)濟損失約1 598.5萬元[4],2020年重慶松藻煤礦膠帶火災事故,死亡16人[5]。膠帶運輸對保證礦井正常生產(chǎn)起著非常重要的作用,大中型煤礦的井下煤炭運輸大都采用膠帶輸送機的運輸方式,膠帶火災燃燒發(fā)展速度快、高溫煙氣影響范圍大,會帶來嚴重損失以致發(fā)生人身傷亡事故[6]。從梁寶寺掘進巷“11·20”火災事故來看,目前尚缺少有效的巷道火災應急處置技術(shù)與裝備。為此課題組提出研發(fā)集高壓水射流與細水霧于一體的煤礦井下移動式滅火消防車。細水霧由于粒徑小、不導電、清潔環(huán)保,在抑制火災和減輕爆炸方面效果較好,且細水霧消防車用水量極小、滅火迅速、效率高、噴霧滲透力強,有效范圍廣,逐漸被研究者所重視。

學者們對細水霧在眾多火災場景中的應用展開了廣泛研究[7-9]。YUAN、王文和等[10-11]通過FDS模擬,分析比較不同液滴尺寸、噴射速度和環(huán)境風速下細水霧對火災的抑制作用,推導出抑制火災的最佳工況。WANG等[12]建立細水霧抑制管道內(nèi)甲烷/空氣的實驗系統(tǒng),得出45～100 μm的小水霧滴促進爆炸,且直徑越大越容易爆炸;直徑大于160 μm的細水霧抑制效果較好,抑爆效果與管長、管徑成正比,該研究為不同工業(yè)場合細水霧抑爆系統(tǒng)提供了理論依據(jù)。WANG、YOSHIDA等[13-14]采用數(shù)值模擬和實驗研究了細水霧通過熱效應、稀釋效應和化學效應等對層流火焰?zhèn)鞑ニ俣纫种坪蛯淄?空氣逆流擴散火焰滅火的影響。LIU等[15]采用FDS模擬細水霧作用于屏蔽火的過程,可視化分析不同噴頭工作壓力和遮擋條件下火焰溫度、輻射熱流和滅火過程,確定不同遮擋條件下滅火臨界情況,揭示霧滴的旁路運動及其對滅火的影響。JENFT等[16]利用FDS基于氣液兩相的質(zhì)量和能量平衡,對不同流速和粒徑2種情況的細水霧在火災中各種熱交換的影響進行實驗研究,討論散熱效應、蒸發(fā)效應、輻射屏蔽效應、壁間交換效應及稀釋效應。岳寧芳等[17]利用FDS模擬細水霧阻擋膠帶火災下風側(cè)煙氣,表明細水霧對膠帶火災下風側(cè)煙氣有良好的抑制作用。

上述研究大多都是研究細水霧對火源下風側(cè)火災有良好的抑制作用,忽視火災蔓延到火源上風側(cè)對火場溫度、煙氣產(chǎn)生的影響。鑒于此,采用數(shù)值模擬的方法,分析細水霧由上風側(cè)運移到下風側(cè)抑制膠帶蔓延火災的過程,探究巷道中風速、水霧粒徑、噴頭與火源距離等對膠帶蔓延火災煙氣和溫度演變規(guī)律影響,為研發(fā)煤礦井下移動式細水霧滅火消防車提供理論依據(jù)。

1 火災模型建立及其參數(shù)設置

1.1 數(shù)值模擬數(shù)學模型

火災動力學模擬器(Fire Dynamics Simulator)采用數(shù)值方法求解熱驅(qū)動的低速流動粘性流體方程,主要用于火災中煙氣流動和熱傳遞過程的數(shù)值模擬,是研究火災模擬開發(fā)的計算流體動力學軟件[18]。采用FDS模擬細水霧作用下巷道火災煙氣流動和熱傳遞過程,模擬實驗原理基于質(zhì)量、動量、能量、理想氣體方程[19]見式(1)～(4)。

質(zhì)量方程

(1)

動量方程

(2)

能量方程

(3)

理想氣體方程

P0(t)=ρRT

(4)

式中,ρ為密度,kg/m3;t為時間,s;u為速度,m/s;p為壓力,Pa;g為重力加速度,m/s2;f為單位質(zhì)量,kg;τ為黏性壓力,Pa·s;h為焓,J;qr為熱輻射通量,W;k為傳熱系數(shù),W/m2·K;Di為擴散通量,kg/m2·s;Yi為體積熱源,W/m3;P0為環(huán)境壓力,Pa;R為通用氣體常數(shù),8.314 9 J/(mol·K)。

1.2 模型構(gòu)建

以煤礦膠帶運輸巷為對象,構(gòu)建50 m×3 m×3 m(長×寬×高)的狹長巷道模型。巷道兩端均開放,頂板和墻壁材料為混凝土;巷道內(nèi)架設40 m×2.5 m×1.2 m(長×寬×高)的膠帶,材料為PVC,膠帶鋪設于所建模型巷道內(nèi);細水霧噴頭設置于巷道上風側(cè);膠帶上方每隔6 m設置一個溫度傳感器和煙氣傳感器,共設有5個溫度傳感器與5個煙氣傳感器;膠帶中央設置一個尺寸為2 m×1 m的長方形火源,具體如圖1所示。巷道模型網(wǎng)格劃分為20 m×208 m×20 m,單元大小0.25 m×0.25 m×0.25 m,網(wǎng)格單元量為83 200,模擬燃燒時間為120 s,燃燒反應為PVC反應,當模擬進行到3 s時水霧開始排放,模擬所用材料參數(shù)見表1。

表1 模擬參數(shù)設置Table 1 Simulation parameter setting

圖1 FDS細水霧抑制膠帶火災模型Fig.1 FDS fine water mist suppressing belt fire model

1.3 模擬工況設置

通過模擬不同風速、細水霧粒徑、噴頭與火源的水平距離等因素,分析細水霧作用于膠帶火災后溫度、煙氣的特征變化,得出降溫、阻煙效果最佳參數(shù),工況設置參數(shù)見表2。

表2 工況設置參數(shù)設置Table 2 Working conditions setting parameter setting

工況1、2、3、4通過改變風速,在霧通量、噴頭與火源距離不變的條件下,研究風速對滅火效率的影響;工況2、5、6在其他條件不變的狀況下,改變細水霧粒徑,研究細水霧粒徑對滅火效率的影響;工況2、7、8改變噴頭與火源的距離,研究噴頭位置對滅火效率的影響;工況9為不添加細水霧時火災發(fā)展情況。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 風速對抑制效果的影響

為了研究風速對細水霧抑制火災蔓延的影響,分析3號溫度傳感器與3號煙霧傳感器在通風速度為1.0 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s、3.0 m/s,火源強度設置為5 MW時的溫度變化與煙氣擴散的情況,如圖2、圖3所示。

圖2 溫度隨風速的變化Fig.2 Temperature change with wind speed

圖3 60 s時煙氣隨風速的變化Fig.3 Change of flue gas with wind speed at 60 s

由圖2可知,在通風和細水霧共同作用下,火焰煙羽流向頂板彎曲并沿著膠帶向下風側(cè)蔓延。在風速為1.0 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s、3.0 m/s的情況下,細水霧運移到火源附近,細水霧通過冷卻、潤濕、隔絕熱輻射、隔絕氧氣窒息作用降低火焰溫度和煙氣濃度,火災溫度下降率分別為35.78%、42.56%、54.20%、23.47%。這是由于風的作用使到達火源的霧通量增大,更多的水霧與火焰反應進行冷卻從而降低火場溫度,但是當風速超過3 m/s時,風的作用促進空氣流通使更多的氧氣與火源接觸加重火勢的蔓延,且風速的增大縮短水霧經(jīng)過火源的時間,減小與火焰接觸的霧通量,導致細水霧對火場溫度冷卻作用減小。

由圖3可知,煙氣在風流的作用下被斜吹到頂板且迅速在火源下游蔓延,且風速為1 m/s時火源上游有短距離煙氣逆退,火源下游煙氣蔓延速度隨著風速變大而變快,巷道能見度迅速降低;當風速增大到2.0 m/s時,火源上游煙氣逆流現(xiàn)象消失,當水霧穿過煙氣時,煙氣直接被阻擋稀釋,煙氣濃度降低。風速為1.0 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s、3.0 m/s時煙氣濃度下降率分別為25.96%、35.40%、57.57%、15.67%,風速越大,煙氣的濃度越低。這是由于隨著風速的增大,到達火源的霧通量也增大,水霧凝聚、吸附的煙氣顆粒也更多。當風速達到3.0 m/s時,由于風的作用縮短了水霧經(jīng)過高溫煙霧的時間,削弱水霧對高溫煙氣顆粒的凝聚、吸附作用,使水霧冷卻效率降低[17]。煙氣逆流是由于火焰煙羽流隨進風流向下風側(cè)彎曲;在浮力和壓差作用下,燃燒產(chǎn)物和熱氣流沿上風側(cè)流動速度大于巷道通風速度[20-21],導致煙氣向上風側(cè)運動。說明風速為1.0 m/s的條件下,細水霧不能完全抑制煙氣向巷道上風側(cè)蔓延。

2.2 細水霧粒徑對抑制效果的影響

為了探究細水霧粒徑對膠帶火災蔓延的抑制效果,選取粒徑為Dv99(水霧最粗部分的水微粒直徑)200 μm、300 μm、400 μm的細水霧進行數(shù)值模擬分析。

溫度和煙氣變化情況如圖4、圖5所示。

圖4 溫度隨細水霧粒徑的變化Fig.4 Temperature change with water mist particle size

圖5 60 s時煙氣隨細水霧粒徑的變化Fig.5 Variation of flue gas with water mist particle size at 60 s

由圖4可知,相同工況下,巷道內(nèi)溫度受細水霧粒徑影響顯著,施加細水霧的火焰周圍溫度明顯低于沒有施加細水霧時的溫度;粒徑越小,冷卻效果越明顯。施加200 μm、300 μm、400 μm細水霧同不施加細水霧工況相比,溫度分別降低了54.17%、37.70%、31.35%。圖5展示不同粒徑細水霧噴頭開啟60 s后巷道煙霧的分布,觀察煙氣濃度切片可知,施加200 μm、300 μm、400 μm細水霧同不施加細水霧工況相比,煙霧濃度分別降低了53.48%、46.83%、30.63%。粒徑越小,細水霧對火場煙氣稀釋效果越好,這是因為水霧粒徑越小,比表面積越大,霧滴與煙霧的接觸面積就越大,更有利于煙氣的吸附與沉降,降低火場煙霧濃度[22-23]。相同壓力和流量工況下,霧滴粒徑越小,越容易阻擋和稀釋煙氣,從而影響煙氣濃度。

選取1～5號溫度傳感器120 s時的溫度數(shù)據(jù),見表3。

表3 120 s時不同粒徑條件下各溫度傳感器溫度Table 3 Temperature of each temperature sensor under different particle size conditions at 120 s

由表3可知,施加200 μm、300 μm、400 μm細水霧時,對比不施加細水霧的工況,1號溫度傳感器最大相差498.76 ℃,最小相差328.1 ℃;2號最大相差480.72 ℃,最小相差266.2 ℃;5號最大相差85.61 ℃,最小相差6.75 ℃?？梢?水霧粒徑減小到200 μm時,由于霧滴粒徑變小,蒸發(fā)吸熱變快,并且隔離火源與氧氣,從而更加有效地發(fā)揮冷卻和隔氧窒息抑制效果,更快熄滅火焰,降低火災損失。

2.3 噴頭距離對抑制效果的影響

相同工況下,通過改變細水霧噴頭與火源的水平距離,探究噴頭距離對細水霧抑制火災的影響,考察細水霧對不同位置火源滅火作用的大小。溫度變化與煙氣運動如圖6、圖7所示。

圖6 溫度隨噴頭與火源距離的變化Fig.6 Temperature change with the distance between nozzle and fire source

圖7 60 s時煙氣隨噴頭與火源距離變化Fig.7 Flue gas changes with the distance between nozzle and fire source at 60 s

由圖6可知,相比于不施加細水霧,距離火源12.5 m、14.5 m、16.5 m施加細水霧時溫度分別下降39.00%、35.68%、26.90%,滅火效率隨著噴頭與火源距離的縮小而提高,細水霧的滅火有效性也逐漸增加。這是由于噴頭距離火源越近,細水霧到達火焰周圍的速度越快,動量就越大,對火焰的穿透力就越強,有更多的水霧進入火焰內(nèi)部與膠帶表面接觸,通過冷卻和隔絕氧氣,更加高效地冷卻火焰溫度、抑制火災蔓延。

由圖7可知,當噴霧時間為60 s時,隨著噴頭與火源距離減小,煙氣體積由φ(soot)=0.06降到φ(soot)=0.045,煙氣濃度隨著噴頭與火源距離的減小而減小,這是因為在一定壓力和流量下,細水霧噴頭有一定的水平作用距離,當火源處于水平距離范圍內(nèi)時,細水霧滴具有足夠的動量去克服空氣阻力,從而到達火源區(qū)域,使火源區(qū)域內(nèi)的霧通量增加,霧滴通過蒸發(fā)吸熱、隔絕氧氣、衰減熱輻射等作用,降低火焰溫度;通過吸附、阻擋和沉降作用降低煙氣濃度;當火焰產(chǎn)生的熱量不足以使膠帶繼續(xù)熱解揮發(fā)時,火焰燃燒范圍就會逐漸縮減,直至熄滅;當火源處于細水霧的水平作用距離之外時,霧滴依靠自身的初始動量和風流的作用進入火源區(qū)域,對火焰產(chǎn)生抑制作用。

3 結(jié)論

(1)細水霧可以有效抑制膠帶火災蔓延,降低膠帶火災產(chǎn)生的高溫,抑制煙氣的擴散。在一定范圍內(nèi),風速越大,越有利于細水霧抑制火災蔓延。在風速為2.5 m/s時抑制效果最好,與未添加細水霧相比溫度下降了54.20%;當風速小于1.0 m/s時,煙氣會發(fā)生逆流現(xiàn)象,風速大于3.0 m/s抑制效果會減弱。

(2)隨著霧滴粒徑減小,火災溫度越容易得到控制,水霧對煙氣的吸附沉降能力增強,煙氣濃度逐漸減小。粒徑由200 μm增加到400 μm,冷卻與阻煙效率分別降低了35.20%、22.85%。

(3)噴頭與火源的距離越近,水霧到火焰周圍動量越大,穿透力越強,可以更好地抑制膠帶火災產(chǎn)生的高溫和煙氣。當噴頭距離火源12.5 m時,細水霧冷卻效率最高。