路新惠

(河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系　鄭州 451191)

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煤礦火災(zāi)煙氣流動傳播過程仿真研究*

路新惠

(河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系鄭州 451191)

摘要煤礦發(fā)生火災(zāi)后會生成大量有毒氣體并產(chǎn)生火風(fēng)壓，煙氣在火災(zāi)動力的影響下出現(xiàn)狀態(tài)紊亂，研究煤礦火災(zāi)煙氣流動傳播過程對控制火情有著重要意義?；趪鴥?nèi)外研究現(xiàn)狀，對燃燒及風(fēng)流特點進(jìn)行分析，建立了煤礦火災(zāi)煙氣流動數(shù)學(xué)模型，并利用CFD軟件進(jìn)行仿真。研究表明：無通風(fēng)工況下的煙氣為對稱流動；隨著風(fēng)速增加，出口處溫度降低，煙氣向風(fēng)流入口處的流速減小。

關(guān)鍵詞煤礦火災(zāi)傳播仿真煙氣流動

0引言

煤礦發(fā)生火災(zāi)時，對火災(zāi)煙氣流動傳播過程進(jìn)行快速預(yù)測，對救援行動和災(zāi)情控制具有重要意義[1]。然而，煤礦火災(zāi)煙氣流動十分復(fù)雜，采用實驗方法很難全面獲得煙氣流動參數(shù)，且實驗成本較高[2]。利用CFD軟件對煤礦火災(zāi)煙氣傳播過程進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得煙氣流動數(shù)據(jù)，為救援和災(zāi)情控制提供參考。綜合國內(nèi)外研究情況，首先對燃燒及風(fēng)流特點進(jìn)行分析，建立了煤礦火災(zāi)煙氣流動數(shù)學(xué)模型，并利用CFD軟件進(jìn)行仿真，得到了煤礦火災(zāi)時巷道中煙氣流動規(guī)律，希望為今后的煤礦火災(zāi)救援提供理論指導(dǎo)。

1煙氣流動傳播過程

1.1燃燒及流動特點

煤礦火災(zāi)發(fā)生在地下礦井、巷道等處。正常情況下，礦井巷道中的溫度濕度適中，有害氣體較少；出現(xiàn)火災(zāi)后，巷道中的氧氣含量減少，燃燒產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致風(fēng)流出現(xiàn)變化[3]。風(fēng)流與燃燒產(chǎn)生的氣體混合形成煙氣，其中摻雜著大量有毒氣體和粉塵，嚴(yán)重威脅工人安全。根據(jù)煤礦火災(zāi)的燃燒特點，一般將其分為3個階段：火災(zāi)發(fā)展階段、火災(zāi)穩(wěn)定階段、火災(zāi)衰減階段[4]。

由于煤礦火災(zāi)發(fā)生在地下狹小空間，其燃燒特點也與地面火災(zāi)不同。煤礦火災(zāi)出現(xiàn)后，風(fēng)流不斷進(jìn)入火焰區(qū)形成煙流，煙氣流又不斷流出火焰區(qū)，從而完成質(zhì)量傳遞和能量交換。由于火災(zāi)的出現(xiàn)，導(dǎo)致風(fēng)流的質(zhì)量流量、靜壓、密度、粘度等發(fā)生變化，整個燃燒過程為非穩(wěn)態(tài)過程，煙氣流可視為不可壓流體。

最高煙溫是研究煙溫分布和流動傳播過程的重要參數(shù)。由于煤礦火災(zāi)十分復(fù)雜，不同學(xué)者得出的最高煙溫的計算方法也不相同[5]。本文采用最高煙溫能量守恒模型。煙溫微分方程：

(1)

式中，Lr為火焰區(qū)長度；cp為煙氣定壓比熱；Ta為原始壁面溫度；T為煙氣平均溫度；U為巷道周長；qr為煙氣吸熱量；αb為不穩(wěn)定傳熱系數(shù)；J為井巷坡度；g為重力加速度；T0為正常風(fēng)流溫度；mm為煙氣質(zhì)量流量；m0為正常風(fēng)流質(zhì)量流量。

煙溫微分方程十分復(fù)雜，不能直接求出解析解，只能通過差分法得到近似解，且計算量較大。

1.2煤礦火災(zāi)流場特征

煤礦出現(xiàn)火災(zāi)后，煤炭燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化成煙流的機(jī)械能，并形成火風(fēng)壓；煙氣不斷受熱膨脹，導(dǎo)致風(fēng)流出現(xiàn)節(jié)流效應(yīng)，通風(fēng)系統(tǒng)紊亂。常見的風(fēng)流紊亂形式主要有：旁支風(fēng)流逆轉(zhuǎn)、主煙流逆退、煙流滾退等[6]。

由于氣體分子間的距離遠(yuǎn)小于巷道宏觀尺寸，因此忽略分子間作用力、分子內(nèi)摩擦力和氣體可壓縮性，將巷道中的空氣看作理想氣體，即不考慮氣體粘性和可壓縮性。微觀層面上的煙氣流動十分復(fù)雜，為了使數(shù)值計算結(jié)果更加準(zhǔn)確，將風(fēng)流和煙流也視為理想恒定流體。

煤礦火災(zāi)時的煙溫分布可以指導(dǎo)煤礦通風(fēng)設(shè)計，對救火和逃生都有重大影響。若不考慮流動中的機(jī)械能損失，下風(fēng)側(cè)煙溫分布方程為：

(2)

式中，gr為地?zé)嵩鰷芈剩籘0為原始風(fēng)流溫度；x為到通風(fēng)口的距離；β為巷道傾斜角度。

1.3煙氣流動數(shù)學(xué)模型

火災(zāi)區(qū)風(fēng)流溫度增加后，與其他風(fēng)流產(chǎn)生密度差，并出現(xiàn)對流。煙氣流動傳播過程滿足連續(xù)性過程、能量守恒方程、動量守恒方程。煙氣流動是在煤礦通風(fēng)系統(tǒng)和熱對流作用下的復(fù)雜運動，不可將其近似成一維流動。本文通過建立三維煙氣流動數(shù)學(xué)模型，對煙氣流動傳播過程進(jìn)行仿真。

三維模型速度分量用Vj表示，j=1、2、3，分別表示u、v、w。煙氣壓力為P，濃度為c，總溫為T，總焓為h。

連續(xù)方程：

(3)

(4)

能量方程：

(5)

組分方程：

(6)

式中，Ds為氣體s擴(kuò)散量；Cs為氣體s質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Ws為氣體s生成速率。

三維模型可用于任何工況下的火災(zāi)煙氣流動計算，尤其適用于局部空間流場計算。

2煙氣流動的數(shù)值模擬

2.1模型及邊界條件

本文選擇的巷道為平底結(jié)構(gòu)，水平段長度為100 m，出口段長度為12 m，出口段位于水平段正中，巷道斷面為4×2.8 m弧形面。假設(shè)整個計算過程中火焰溫度恒定為150 ℃，風(fēng)流溫度恒為20 ℃，火焰區(qū)不斷向周圍散熱，由于巷道壁面厚度遠(yuǎn)大于巷道寬度，因此假設(shè)其為絕熱邊界。

使用ANSYS前處理軟件ICEM對整個巷道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對邊界層網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，總網(wǎng)格數(shù)量為7.4萬，巷道有限元模型見圖1。

圖1巷道有限元模型

計算工況為煤礦發(fā)生自燃，燃燒產(chǎn)生的高溫氣體從出口段竄入水平段。計算時間為5 min，分別計算風(fēng)速為0、0.25、0.5 m/s 3種工況的煙氣流動特性。

2.2縱斷面溫度場分布

將ICEM網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent軟件，湍流模型選擇k-ε模型，設(shè)置好邊界條件后，按照入口條件進(jìn)行初始化，迭代計算6 400步后收斂。圖2給出了燃燒時間為2 min時，3種工況的縱斷面溫度云圖。

(a)風(fēng)速v=0 m/s(b)風(fēng)速v=0.25 m/s(c)風(fēng)速v=0.5 m/s

圖23種工況的縱斷面溫度場分布

從計算結(jié)果看：v=0m/s時，煤礦發(fā)生火災(zāi)后，逃生時間僅為20 s，煙氣到達(dá)巷道后對稱分布，隨著時間增加，煙氣與風(fēng)流換熱速度增加，直到整個巷道充滿高溫?zé)煔?；v=0.25 m/s時，煤礦發(fā)生火災(zāi)后，逃生時間為100 s，煙氣到達(dá)巷道后往兩側(cè)擴(kuò)散，但新鮮風(fēng)流到達(dá)后，煙氣向下游擴(kuò)散加快，t=80 s時，上游已無高溫?zé)煔?，說明通風(fēng)有利于高溫?zé)煔馀懦觯籿=0.5 m/s時，由于新鮮風(fēng)流風(fēng)壓較大，風(fēng)流與煙氣在巷道入口處發(fā)生對流換熱，在風(fēng)壓作用下，混合氣體只能向下游流動。

煤礦發(fā)生火災(zāi)后，如果通風(fēng)很差，煙氣會同時向兩側(cè)流動并充滿整個巷道，5 min內(nèi)整個巷道人員必須全部撤離。隨著風(fēng)速增加，煙氣向上游的流動速度逐漸減小到0，大量新鮮風(fēng)流的進(jìn)入對高溫?zé)煔馄鸬嚼鋮s作用。因此保持煤礦巷道良好通風(fēng)是預(yù)防和控制煤礦火災(zāi)的有效方法。

2.3橫斷面溫度場分布

新鮮風(fēng)流導(dǎo)致巷道中的高溫?zé)煔獠辉賹ΨQ分布，以v=0.25 m/s為例，研究t=100 s時，巷道不同橫斷面溫度場分布。圖3給出了x=48 m和x=60 m的橫斷面溫度云圖。

(a)x=48 m處斷面(b)x=60 m處斷面

圖3橫斷面溫度場分布

x=48 m斷面剛好位于水平段與出口段匯合處，該處可清楚的看到風(fēng)流與煙氣的混合過程。計算表明，風(fēng)流阻止了煙氣向上游流動。x=60 m斷面的高溫區(qū)位于斷面中央，最高溫度為151 ℃，煙氣在該斷面形成渦流。隨著時間的推移，渦流逐漸消失，形成溫度分層，最終在巷道壁面處形成高溫區(qū)。風(fēng)流速度越大，渦流消失時間越快。

3結(jié)論

(1)煤礦發(fā)生火災(zāi)后，如果通風(fēng)很差，煙氣會同時向兩側(cè)流動并充滿整個巷道，5 min內(nèi)整個巷道人員必須全部撤離。

(2)隨著風(fēng)速增加，煙氣向上游的流動速度逐漸減小到0，大量新鮮風(fēng)流的進(jìn)入對高溫?zé)煔馄鸬嚼鋮s作用，保持煤礦巷道良好通風(fēng)是預(yù)防和控制煤礦火災(zāi)的有效方法。

(3)新鮮風(fēng)流與高溫?zé)煔獾幕旌咸幉辉谙锏澜粎R處，而在下游某一區(qū)域，煙氣在該斷面形成渦流，但隨著時間的推移，渦流逐漸消失。

參考文獻(xiàn)

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*基金項目：河南省重點攻關(guān)項目(112102210408)。

作者簡介路新惠，女，漢族，河南新鄉(xiāng)人，碩士，講師，研究方向：礦井仿真與控制。

(收稿日期：2015-05-15)

Smoke Flow Propagation Simulation Research of Coal Mine Fires

LU Xinhui

(DepartmentofElectromechanicalEngineering,HenanIndustryandTradeVocationalCollegeZhengzhou451191)

AbstractAfter a fire, coal mine will generate a large number of poisonous gas and produce fire wind pressure and under the influence of fire, the flue gas occurs disorder state. Coal mine fire smoke flow propagation process research has important significance to fire control. Based on the research status at home and abroad, the characteristic of combustion and romantic are analyzed, the mathematical model of coal mine fire smoke flow is established and software CFD is applied to conduct simulation. Research shows that: under no ventilation conditions, flue gas flow is symmetry and with the increase of the wind speed, the exit temperature will be reduced and wind velocity at the entrance of flue gas also decreased.

Key Wordscoal mine firepropagationsimulationflue gas flow