汪 澍,金龍哲,楊 喆,黃志凌,李芳瑋,歐盛南

(北京科技大學(xué)礦井避險技術(shù)研究中心,北京 100083)

壓風(fēng)供氧狀態(tài)下避難硐室污染物分布特性及熱舒適性研究

汪 澍,金龍哲,楊 喆,黃志凌,李芳瑋,歐盛南

(北京科技大學(xué)礦井避險技術(shù)研究中心,北京 100083)

為確定井下避難硐室合理供風(fēng)量,采用RNGκ-ε模型和SIMPLE算法,對某100人避難硐室壓風(fēng)供氧狀態(tài)下,不同供風(fēng)量、散流器布置方案、空載和載人時生存區(qū)的污染物凈化時間、通風(fēng)效率、污染物(CO,CO2)濃度場分布和人體熱舒適性等進行了數(shù)值模擬分析,并與現(xiàn)場實測結(jié)果進行了對比。模擬結(jié)果表明,若硐室內(nèi)CO體積分數(shù)偏高,供風(fēng)量應(yīng)不低于0.1 m3/(min·人),并配合使用凈化藥劑盡快去除;常規(guī)避難狀態(tài)下,供風(fēng)量減小至600 m3/h,配合局部通風(fēng)措施,即可滿足人員避險和熱舒適性基本要求。

壓風(fēng)供氧系統(tǒng);避難硐室;污染物分布特性;人體舒適性

氧氣供給功能是避難硐室的基本保障之一。現(xiàn)有的供氧方式中,壓風(fēng)供氧方式除提供氧氣外,還能同時除去有毒有害氣體、溫濕度,在操作性、成本、維護管理等方面具有很大優(yōu)勢,因此也成為目前使用較為普遍的一種供氧方式[1]。

避難硐室所需的供風(fēng)量,文獻[2-3]通過理論計算認為密閉空間人均供風(fēng)量最低為6 m3/h,通過載人試驗確定的滿足最低生存需要的人均供風(fēng)量為2.5 m3/h,考慮安全因素及人員活動情況的最低供風(fēng)量為6 m3/h,與理論計算值吻合。

而壓風(fēng)供氧時,生存區(qū)內(nèi)空氣品質(zhì)、熱舒適性受供風(fēng)量、散流器布置、回風(fēng)口等諸多因素的影響,其影響規(guī)律難以通過實驗獲得。因此,筆者采用Fluent軟件,對某100人避難硐室生存區(qū)內(nèi)的三維湍流流動進行了數(shù)值模擬,得到了不同供風(fēng)量、散流器數(shù)量、空載和載人條件下生存區(qū)的速度場、溫度場、污染物(CO, CO2)濃度場分布,分析了不同送風(fēng)工況污染物凈化時間、通風(fēng)效率、人體熱舒適性等,并與載人試驗結(jié)果進行對比,進而確定避難硐室供風(fēng)量及合理的氣流組織形式,本文研究結(jié)論對避難硐室壓風(fēng)供氧系統(tǒng)的設(shè)計具有重要的借鑒參考意義。

1 模型的建立

避難硐室生存區(qū)幾何參數(shù):長26.8 m,寬4.4 m,直墻高1.5 mm,半圓拱高2.2 m,內(nèi)部設(shè)備包括壓風(fēng)控制柜、蓄冰空調(diào)、空氣凈化器、干燥箱、空氣再生裝置、氧氣控制柜、電視、座椅等。為簡化計算,模型未考慮照明燈、傳感器等小型設(shè)備。

硐室回風(fēng)口布置在兩側(cè)密閉墻上,內(nèi)徑300 mm,如圖1所示。壓風(fēng)布氣管路末端采用方形散流器(200 mm×200 mm),散流器沿硐室頂板中心線布置,氣流出口距硐室地面2 800 mm;根據(jù)散流器數(shù)目不同,分為4種散流器布置方案(表1)?？偣╋L(fēng)量(Q)包括300,600,900,1 200,1 500,1 800m3/h共6種情況,布氣管道按均勻布氣考慮;入口氣體為空氣。

圖1 避難硐室生存區(qū)示意Fig.1 Schematic of living chamber in refuge station

表1 散流器布置方案Tab le 1 Laying p lan of air diffuser

另外,本文的計算考慮了硐室空載和載人兩種情況:①空載時,生存區(qū)內(nèi)初始環(huán)境參數(shù),2%CO2,400× 10-6CO、溫度35℃,進風(fēng)口為空氣(25℃),監(jiān)測計算區(qū)域內(nèi)污染物濃度和溫度的衰減情況;②載人時,人為空間內(nèi)的污染源,散熱量取120W/人[4],CO2排放量取0.5 L/(min·人)[5],未考慮人體散濕和其他微量氣體代謝量;按人體坐姿50%分位數(shù)據(jù)[6],將人體簡化成400 mm×900 mm×200 mm的立方體,均勻布置于坐凳上方,因同一排坐凳上人與人之間距離相對于整個計算空間比較小,計算時忽略不計[7];計算空間內(nèi)CO2和溫度的分布情況。

綜上,本文共涉及8個計算模型。圖2為5個散流器時的硐室生存區(qū)空載和載人計算模型。

圖2 硐室生存區(qū)計算模型(5個散流器)Fig.2 Calculationmodel of living chamber

為簡化計算,對所有模型做如下假設(shè)[8-9]:①生存區(qū)內(nèi)空氣不可壓縮;②流動為穩(wěn)態(tài)湍流;③不考慮墻體和設(shè)備等的輻射換熱、對流換熱;④不考慮外界傳熱;⑤除散流器和回風(fēng)口,生存區(qū)氣密性良好;⑥送風(fēng)口處氣流速度、溫濕度均勻。

2 邊界條件和數(shù)值求解方法

模擬選用RNGκ-ε模型,采用SIMPLE算法求解離散控制方程,濃度場的計算采用彼此不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的多重組分運輸模型。邊界條件采用壁面函數(shù)法處理[1015]。

(1)入口邊界條件。設(shè)置為速度入口,入口氣流溫度(Tin)25℃,κ=0.04,ε=0.008[16]。

(2)出口邊界條件。設(shè)置為壓力出口,出口壓力為101.325 kPa,κ和ε自由滑動。

(3)壁面邊界條件。硐室的外部防護結(jié)構(gòu)要求能夠抵御外界高溫,具備較強的隔熱性能,且硐室所處的巷道無熱害影響,因此所有固體壁面視為絕熱壁面。

(4)污染源。載人情況下,將人體設(shè)置為污染源,本文模擬暫時只考慮了CO2和熱量兩種污染物。人體散熱選擇第3類邊界條件[17]。

3 數(shù)據(jù)處理方法

為直觀對比各送風(fēng)工況的送風(fēng)效果,在計算區(qū)域內(nèi)選取人體呼吸平面(坐姿),即Y=1 200 mm高度平面,在該平面內(nèi)設(shè)置了108個監(jiān)測點,點之間間隔1 000 mm(圖3),其中4個星標點為現(xiàn)場實驗時設(shè)置的監(jiān)測點;輸出各監(jiān)測點的風(fēng)速、濃度、溫濕度值,依據(jù)評價指標對數(shù)據(jù)進行處理,具體處理方法如下。

圖3 計算區(qū)域測點布置Fig.3 Measuring point position of computation region

3.1 空載試驗?zāi)M

3.1.1 凈化時間tp

結(jié)合實際情況,定義計算區(qū)域內(nèi)污染物平均濃度降至允許值所用時間為凈化時間tp,具體為CO2體積分數(shù)從2%降至0.3%,CO體積分數(shù)從400×10-6降至24×10-6。

3.1.2 風(fēng)速不均勻系數(shù)ku

用于評價計算區(qū)域內(nèi)風(fēng)速的差異[7],公式為

式中,ui為第i個測點風(fēng)速,m/s;為各點風(fēng)速的算術(shù)平均值,m/s;σu為各點風(fēng)速的均方根偏差;n為總測點數(shù)。

3.2 載人試驗?zāi)M

3.2.1 通風(fēng)效率εt和余熱排放效率ηt

通風(fēng)效率εt和余熱排放效率ηt的計算見式(2)和(3)[7],其中通風(fēng)效率選取CO2為示蹤氣體。

3.2.2 人體熱舒適性

選取預(yù)測評價投票數(shù)PMV(PMV)和預(yù)測平均不滿意百分比PPD(PPD)量化人體熱舒適性感覺,計算公式見式(4)和(5)[7]。

式中,M為人體新陳代謝率,取80W/m2;W為人體所做的機械功,W/m2,取0;Icl為服裝熱阻,取0.138(m2· K)/W;fcl為服裝面積系數(shù),取1.27[18];T為當?shù)氐目諝鉁囟?℃;Tcl為衣服外表面溫度,℃,按式(6)計算; Tr為平均輻射溫度,℃;hc為衣服與空氣之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),W/(m2·℃),按式(7)計算;Pa為水蒸氣分壓力,Pa;u為空氣流速,m/s,若u＜0.05 m/s,則計算時取u=0.05 m/s。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 空載試驗數(shù)值模擬結(jié)果

4.1.1 污染物凈化時間

圖4 不同送風(fēng)工況下污染物凈化時間Fig.4 Contaminant purification time under different ventilation conditions

以供風(fēng)量Q為橫坐標、污染物凈化時間tp為縱坐標繪制曲線(圖4)?？臻g內(nèi)污染物的凈化時間tp與總供風(fēng)量Q和單個散流器服務(wù)區(qū)域長寬比λ有如下關(guān)系:隨Q增加,tp減小,但減小趨勢逐漸變慢;隨λ減小,tp減小,即相同供風(fēng)量條件下,散流器布置越多,污染物凈化越快。本文涉及的送風(fēng)工況中,在氣流組織形式設(shè)計合理的情況下,供風(fēng)量高于1 500 m3/h時,CO2體積分數(shù)可在20 min內(nèi)由2%降至0.3%;而CO凈化時間最短為21.93 min。因此,當避難硐室內(nèi)積聚了大量CO氣體時,需要配合催化藥劑予以去除。

4.1.2 風(fēng)速不均勻系數(shù)

因散流器位置較高,各送風(fēng)工況下風(fēng)流到達人體呼吸平面時的風(fēng)速在0.02～0.41 m/s;取人附近的52個監(jiān)測點,計算風(fēng)速不均勻系數(shù)(圖5)。對比可以看出,布置13個散流器時,ku最低且受供風(fēng)量影響小;其余3個方案中λ接近1時ku稍低。

圖5 不同送風(fēng)工況下風(fēng)速不均勻系數(shù)Fig.5 Non-uniformity coefficient of air speed under different ventilation conditions

4.1.3 污染物分布規(guī)律

以CO為例,圖6分別給出了通風(fēng)量為1 800m3/ h時,A(5個散流器)、B(13個散流器)兩種工況下的分布云圖(人體呼吸平面)。A工況散流器出口風(fēng)速大,空間內(nèi)紊流現(xiàn)象明顯,CO在回風(fēng)口、兩散流器中間、近墻處等區(qū)域體積分數(shù)偏高;B工況下,計算區(qū)域內(nèi)CO體積分數(shù)分布比較均勻,且凈化時間較A工況快。

圖6 CO體積分數(shù)分布規(guī)律Fig.6 Carbonmonoxide concentration distribution

上述結(jié)果說明,散流器越多,污染物去除效率越高,且能有效減小局部區(qū)域有害氣體的富集現(xiàn)象。但在實際應(yīng)用中,散流器個數(shù)增多,將加大硐室內(nèi)均勻布氣管道的設(shè)計難度,甚至可能出現(xiàn)管道變徑非常不合理的設(shè)計結(jié)果。一般來說,單個散流器所服務(wù)的區(qū)域,以正方形或接近正方形為宜;當服務(wù)區(qū)域長寬比大于1.25時,宜選用矩形散流器。設(shè)計時可遵照此原則,并結(jié)合現(xiàn)場實際確定合理的散流器布置方案。

圖7 不同送風(fēng)工況的穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果Fig.7 Steady simulation results of different ventilation conditions

4.2 載人試驗數(shù)值模擬結(jié)果

4.2.1 通風(fēng)及余熱排放效率

圖7為不同送風(fēng)工況下穩(wěn)態(tài)時的CO2平均體積分數(shù)cm、平均溫度Tm、通風(fēng)效率εt和余熱排放效率ηt變化情況?？梢钥闯?λ越小,Q越大,cm和Tm值越小;當Q增大,εt和ηt值反而降低,且Q增大到600 m3/h后,ε和ηt基本不再隨Q變化,這是因為硐室生存區(qū)的回風(fēng)口為DN300 mm的管道,排風(fēng)能力有限,新鮮風(fēng)流沒有完全發(fā)揮其排污能力。當供風(fēng)量為300 m3/h時,λ為0.91時εt和ηt最高,λ為1.14時最低,說明合理的氣流組織形式有利于提高通風(fēng)效率。

4.2.2 人體熱舒適性

圖8為各計算工況的人體預(yù)測平均不滿意百分比變化情況,可以看出,PPD受供風(fēng)量Q的影響更大,當Q增加到600 m3/h后,PPD受散流器服務(wù)區(qū)域長寬比λ的影響很小,曲線幾乎重合。這是因為各工況的平均溫度在25.8～26.6℃,相差不到1℃,此溫度范圍內(nèi),Q增大會使人體感到較強的“吹風(fēng)感”,舒適度感覺隨之增強。供風(fēng)量為600 m3/h時,大部分區(qū)域的PMV值在1.0～1.3,人體感覺稍暖,此通風(fēng)量已基本能夠滿足硐室生存區(qū)內(nèi)熱舒適性的要求。

4.3 載人現(xiàn)場試驗與模擬結(jié)果對比

現(xiàn)場壓風(fēng)供氧載人試驗分為2個階段:第1階段供風(fēng)量為600 m3/h,持續(xù)60 min;第2階段供風(fēng)量為300 m3/h,試驗時長90 min。4個監(jiān)測點溫度T和CO2體積分數(shù)c(CO2)的實測值、計算值及誤差見表2。數(shù)據(jù)顯示相對誤差較小,計算結(jié)果和實測結(jié)果吻合較好,說明本文建立的模型、選取的模擬方法是合理的。

表2 載人試驗實測值與計算值Table 2 Com parison betw een experimental results and simulation results of manned experiment

圖8 不同送風(fēng)工況下人體預(yù)測平均不滿意百分比PPDFig.8 Predicted percentage of dissatisfied under different ventilation conditions

圖9是供風(fēng)量為600 m3/h時人體呼吸平面處CO2體積分數(shù)、PMV值的模擬結(jié)果。中部人員聚集處CO2體積分數(shù)稍高,在0.30%～0.36%;靠墻座椅背部區(qū)域,因空氣流動性較差,PMV值較高;其余區(qū)域PMV值分布均勻,人員集中處在1.3左右,即60%的人將感覺舒適?？蛇m當采取局部通風(fēng)措施,加強空氣流動,提高熱舒適性。

圖9 供風(fēng)量600 m3/h時的模擬結(jié)果Fig.9 Simulation resultswhen supplying forced air at a rate of 600 m3/h

5 結(jié) 論

(1)生存區(qū)內(nèi)充滿2%CO2和400×10-6CO時,供風(fēng)量越大、散流器布置越多,污染物凈化越快,且能減少墻角等區(qū)域污染物的富集;而實際應(yīng)用中,散流器個數(shù)的增多將增加均勻布氣管道的設(shè)計難度,因此散流器個數(shù)應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實際情況確定,一般散流器服務(wù)區(qū)域長寬比為1或接近1為宜;當服務(wù)區(qū)域長寬比大于1.25時,宜選用矩形散流器。

(2)本文涉及工況中,供風(fēng)量高于1 500 m3/h時,生存區(qū)內(nèi)CO2體積分數(shù)可在20 min內(nèi)由2%降至0.3%;而CO體積分數(shù)由400×10-6降至24×10-6的時間最快為21.93 min(此時供風(fēng)量為1 800 m3/h),且CO易在回風(fēng)口、兩散流器中間、近墻處等區(qū)域集中。

(3)載人時,受硐室回風(fēng)口排風(fēng)量的限制,供風(fēng)量增大到600 m3/h后,通風(fēng)及余熱排放效率基本保持不變;CO2體積分數(shù)在人員聚集處稍高。

(4)人體熱舒適性感覺主要受供風(fēng)量影響,供風(fēng)量為600 m3/h時,人員集中處PMV值在1.3左右,即60%的人將感覺舒適,基本能夠滿足要求。

綜上,筆者認為災(zāi)變情況下,若硐室內(nèi)CO體積分數(shù)偏高,應(yīng)采用不低于標準值的供風(fēng)量,即0.1 m3/(min·人),并配合使用凈化藥劑,盡快去除CO;而在常規(guī)避難狀態(tài)時,供風(fēng)量為600 m3/h時,生存區(qū)內(nèi)CO2濃度和熱舒適性即可滿足要求,也可適當采取局部通風(fēng)措施,加強空氣流動,進一步改善人員集中處的熱舒適性。

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Study on air distribution characteristics and hum an therm al com fort of the refuge station under forced air supp lying condition

WANG Shu,JIN Long-zhe,YANG Zhe,HUANG Zhi-ling,LIFang-wei,OU Sheng-nan

(Mine Emergency Technology Research Center,University ofScience and Technology Beijing,Beijing 100083,China)

In order to confirm reasonable air supply volume for refuge station in underground mine,the contaminant purification time,contaminant distribution(including CO and CO2),ventilation efficiency,and human thermal comfort of unmanned/manned experiments under different ventilation conditionswere numerical simulated through RNGκ-ε model and SIMPLE method.The calculating results were compared with experimental ones then,and basically matched.The simulation results indicate that the forced air should supply no less than 0.1 m3/min per person in the scenario of high CO concentration inside the living section,and purification agent are recommended for use to accelerate purification process;when in normal refuge state,the basic request for both health and thermal comfortcan be satisfied by supplying forced air at a lower rate of 600 m3/h,with local ventilation.

forced air supply system;refuge station;contaminant distribution;human thermal com fort

TD711

A

0253-9993(2014)07-1321-06

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Wang Shu,Jin Longzhe,Yang Zhe,et al.Study on air distribution characteristics and human thermal com fort of the refuge station under forced air supp lying condition[J].Journal of China Coal Society,2014,39(7):1321-1326.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1160

2013-08-13 責(zé)任編輯:畢永華

“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2012BAK09B07)

汪 澍(1988—),女,安徽績溪人,博士研究生。E-mail:ustbwangshu@hotmail.com