巷道截面突变对烟气蔓延的影响数值模拟_付巍.pdf

Vol.51No.4 Apr. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 煤矿火灾极易引发煤矿特重大事故的发生。根 据煤矿事故统计分析，煤矿火灾事故起数虽然占总 事故的 0.49， 但死亡数占 7.32[1]。巷道火灾事故 虽起数比例小， 但死亡比例高。李义杰[2]等人利用 Fluent 软件研究了不同风速下烟气蔓延的流动规 律； 文虎[3]利用单混合分数 PDF 非预混燃烧模型研 究了水平巷道烟气逆流层的变化规律； 齐庆杰[4]研 究了火源强度、风速对烟气流动速度的影响；张晓 涛[5]基于 FDS 火灾模拟软件分析了矿井下行通风巷 道情况下烟气蔓延规律； 鲁亚丽[6]研究分析了不同 的倾斜巷道、不同通风模式下的临界风速变化规 律； 孙丽青[7]分析了矿井巷道外因火灾烟气运移规 律及主要影响因素； 刘剑[8]利用 Fluent 研究了倾斜 巷道内火灾逆流层变化规律； 李小菊[9]研究了不同 巷道截面形状对能见度的影响。综上所述，国内学 者研究了巷道倾角、通风条件以及火源强度等方面 对巷道火灾烟气蔓延的影响。但针对巷道截面突变 对火灾烟气蔓延的影响研究的相对较少，因此基于基金项目 国家科技重大专项资助项目 （2016ZX05045- 004- 001） 巷道截面突变对烟气蔓延的影响数值模拟 付巍 1， 2 （1．煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122； 2．煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122） 摘要 为了研究矿井巷道截面突变对烟气蔓延过程中烟气蔓延至进风口、 出风口的时间以及 温度的影响， 基于 Pyrosim 火灾模拟软件建立不同巷道倾角、 巷道突变段长度以及不同巷道突变 位置的数值模型， 并在不同空间位置设置能见度、 温度、 烟气蔓延测点。模拟结果表明 随着巷道 倾角增加巷道突变对烟气蔓延的抑制作用降低； 火源强度越高， 巷道突变对烟气蔓延至进风口 时间的抑制率提高； 而对烟气蔓延至出风口时间的抑制率降低。 巷道截面突变段长为 10 m 且距 离火源 50 m 时， 巷道截面突变对烟气蔓延的影响最大。 关键词 巷道截面突变； 数值模拟； 烟气蔓延； 蔓延时间； 煤矿火灾 中图分类号 TD752．2文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020） 04-0181-04 Numerical Simulation of Effect of Tunnel Section Mutation on Smoke Spread FU Wei1,2 （1.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun 113122, China;2.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract To study the effect of tunnel section mutation on the time and temperature of smoke spreading to the air inlet and outlet, Pyrosim fire simulation software was used to establish different slope of the tunnel, length and location of sectional mutation of different tunnel sections. In addition, visibility, temperature and smoke spread measurement points are set at different spatial locations. The simulation results show that, the simulation results show that with the increase of roadway inclination, the inhibition effect of roadway mutation on flue gas spread decreases; the higher the intensity of the fire source, the higher the inhibition rate of the sudden change of roadway on the time of smoke spreading to the air inlet. However, the inhibition rate of the smoke to the air outlet time decreased. When the section length of the tunnel is 10 m and the distance from the fire source is 50 m, the effect of the section mutation on the smoke spread is the greatest. Key words tunnel section mutation; numerical simulation; smoke spread; spread time; coal mine fire DOI10.13347/ki.mkaq.2020.04.039 付巍．巷道截面突变对烟气蔓延的影响数值模拟 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （4） 181-184， 189. FU Wei. Numerical Simulation of Effect of Tunnel Section Mutation on Smoke Spread ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （4） 181-184, 189. 移动扫码阅读 181 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．4 Apr． 2020 Pyrosim 火灾模拟软件对巷道截面突变情况下烟气 蔓延特性进行了研究。 1物理模型的建立及网格划分 1．1火灾模拟软件 FDS 是美国国家技术标准局 （NIST） 开发的以大 涡模拟 （LES） 原理为火灾数值计算基础的火灾数值 模拟软件[10]。该软件基于 CFD 模型的火灾动力学软 件，在火灾科学和安全科学技术领域得到了广泛应 用并得到了众多实例验证。该软件应用的行业不限 于建筑行业也适用于地铁和矿井等行业[11]。 1．2工况设定 选取某煤矿局部巷道作为模拟对象，建立数值 模型且模型分为 2 种类型，第 1 种巷道截面保持不 变； 第 2 种距离着火点 50 m 处巷道突变， 矿井巷道 数值模型尺寸如图 1。 其中正常巷道截面的宽高为 5 m5 m， 巷道突变的宽高为 5 m3 m； 模拟时间 为 350 s。通风方式分为下行通风和上行通风 2 种； 通风风速为 0、 0．5、 1、 2 m/s； 火源强度为 1．5 MW 和 2．0 MW； 巷道倾角为 0、 5、 10、 15、 30。入口边界 条件为初始压力为 1．013 25105Pa， 重力加速度为 -9．81 m/s2，初始温度为 20 ℃， x、 y、 z 方向上的初始 速度均为 0 m/s。 为了提高模型精确性， 应用力学分解调整 X、 Y 以及 z 轴的重力加速度，以实现水平巷道模拟不同 倾角巷道的烟气模拟，巷道烟气蔓延重力加速度力 学分解示意图如图 2。各倾角下 x、 y 以及 z 轴的重 力加速度见表 1。 1．3网络大小设定 FDS 火灾模拟软件的网络尺寸受火灾特征直径 D* 影响[12]。为了使模拟结果能够反映实际情况， 根 据式 （1） 计算火灾特征直径 D*， 并结合网格尺寸 d 0．1 D* 和 d 0．2 D* 将 1．5 MW 和 2．0 MW 所采用 的网格分别划分为 0．5 m0．5 m0．5 m 和 0．8 m 0．8 m0．8 m。 D* Q ρ0CpT0g■ （） 2 5 （1 ） 式中 D* 为火灾特征直径， m； Q 为火源总热释 放速率， kW； ρ0为空气密度， 1．29 kg/m3； Cp为空气比 热容， 1．0 kJ/ （kg K） ； T0为空气温度， 293．15 K； g 为 重力加速度， 9．81 m/s2。 2数值模拟实验结果与分析 2．1巷道突变对下行通风条件下烟气蔓延的影响 2．1．1不同巷道倾角对巷道突变烟气蔓延的影响 为分析在不同巷道倾角的条件下，巷道突变对 烟气蔓延至入口时间的影响，实验在相同通风风速 v 和火源强度 Q 条件下进行， 其值分别为 0．5 m/s 和 2 MW。随着巷道倾角从 0～30的逐渐增加， 烟气蔓 延至入口时间，不同巷道特性条件下烟气蔓延至进 风口时间见表 2。 由表 2 可知， 在相同的火源强度和风速下， 随着 倾角增加烟气蔓延至出口的时间呈线性下降趋势。 巷道突变条件下巷道倾角为 0时， 烟气蔓延至距离 火源 62．5 m 处到达火源上游的蔓延最大距离， 在 Q2 MW， v0．5 m/s 工况下烟气蔓延情况图如图 3； 而在无巷道突变工况下，烟气在 253．77 s 和 120．16 s 蔓延至巷道入口处，巷道的突变对矿井火灾烟气蔓 延具有抑制作用， 由此可以得出， 巷道突变能够延长 矿工的可用安全疏散时间。 巷道倾角/ （ ）x轴/ （m s-2）y 轴/ （m s-2）z 轴/ （m s-2） 000-9．810 0 5-2．539 00-9．475 7 10-1．703 50-9．661 0 15-0．855 00-9．772 6 30-4．905 00-8．495 7 图 1矿井巷道数值模型尺寸 Fig．1Numerical model dimensions of the mine tunnel 表 1各倾角下 x、 y 以及 z 轴的重力加速度 Table 1Gravity acceleration of x, y and z axes at each inclination 图 2巷道烟气蔓延重力加速度力学分解示意图 Fig．2Mechanical decomposition of the gravitational acceleration of smoke spread in a concrete roadway 182 ChaoXing Vol．51No．4 Apr． 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 注 a 代表距离火源点火灾烟气蔓延所蔓延的最大距离， 且烟 气未蔓延至进风口。 表 2不同巷道特性条件下烟气蔓延至进风口时间 Table 2Time of smoke spread to air inlet under different conditions of roadway characteristics 巷道倾角/ （ ）突变进风口时间/s正常进风口时间/s时间差/s 0a253．77- 5251．39120．16131．23 15196．05102．6493．41 10162．7988．2574．54 30133．7386．8446．89 在巷道倾角 0～30的范围内， 随着巷道倾角的 增加，烟气蔓延至入口时间逐渐减少，且烟气蔓延 至入口时间呈现出一定的规律变化。与正常条件下 巷道相比，巷道突变明显减缓了烟气蔓延至入口时 间，并且突变条件下与正常条件下的入口时间差逐 渐缩短， 对于烟气蔓延的抑制率最大为 109．15， 最 小为 54．00。 巷道倾角的变化以及通风方式均影响 对浮力效应烟流阻力的大小。在下行通风方式中， 随着巷道倾角的增大烟囱效应亦增强，进一步阻止 烟气向下坡方向流动，但因巷道突变对烟气蔓延的 扩散起到了阻碍作用，使烟气在突变处聚集，延缓 了烟气蔓延至进风口时间。 2．1．2不同火源强度对巷道突变烟气蔓延的影响 将下行通风条件下的巷道突变工况测得的烟气 蔓延时间与无巷道突变的工况进行对比，通风风速 和巷道倾角分别设置为 0．5 m/s 和 30， 并且火源强 度为 1．5 MW 和 2 MW。不同的巷道工况与火源强度 对烟气蔓延至出口以及入口处时间的变化如图 4。 由图 4 可以看出，相同通风风速和巷道倾角情 况下， 当火源强度 Q1．5 MW 时， 出口与入口烟气蔓 延时间的抑制率分别为 7．72和 54．00； Q2 MW 时，出口与入口烟气蔓延时间的抑制率分别为 2．69和 74．94。巷道倾角为 30时， 随着火源强度 的增加，巷道突变对烟气蔓延进风口时间的抑制率 提升；而对于烟气蔓延出风口时间的抑制率降低。 当 Q1．5 MW 工况下，巷道突变与无巷道突变出口 处烟气蔓延速度分别为 2．3 m/s 和 2．24 m/s； Q2 MW 时，巷道突变与无巷道突变出口处烟气蔓延速 度为 2．43 m/s 和 2．41 m/s，由此可见巷道突变对烟 气蔓延速度的影响不显著。同时，火灾烟气蔓延至 出入口的时间与火源强度呈负相关。 2．2巷道突变特性对烟气蔓延的影响 2．2．1巷道突变长度对于烟气蔓延时间的影响 在上行通风且通风风速、火源强度以及巷道倾 角分别为 0．5 m/s、 1．5 MW 和 0的工况条件下， 研究 不同巷道突变长度对烟气蔓延至进风口、出风口的 时间和温度的影响 （图 5） 。 从图 5 可知， 在巷道突变长度为 10～30 m 的工 况下，烟气蔓延至出风口的时间与突变长度的变化 呈负相关；而在 0～10 m 的工况下烟气蔓延至出风 口的时间没有明显变化， 时间差为0．36 s。同时， 在巷 道突变长度为 10 m 时，火灾烟气蔓延至进风口时间 图 3Q2 MW， v0．5 m/s 工况下， 烟气蔓延情况图 Fig．3The spread of smoke under Q2 MW, v0．5 m/s 图 4不同火源强度对巷道突变工况下烟气蔓延的影响 Fig．4Effect of different fire source intensities in smoke spread under sudden changes in roadway conditions 图 5巷道突变长度对烟气蔓延时间规律 Fig．5The rule of the sudden length of tunnel to the time of smoke spread 183 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．4 Apr． 2020 最长且烟气蔓延抑制率为 15．62， 时间为 59．22 s； 在 10～30 m 的工况下随着突变长度的增加烟气蔓延至 进风口的时间缩短。 2．2．2巷道突变长度对温度的影响 Q1．5 MW， v0．5 m/s， 倾角为 0工况下烟气蔓 延能见度变化如图 6。 在巷道突变长度为 0～30 m 的 工况下，烟气蔓延至出风口的温度随着突变长度增 加而降低，无巷道突变的出风口温度最高，为 68．51 ℃；而巷道突变长度变化对火灾烟气蔓延至进风口 温度的无影响， 最大温度差仅为 0．33 ℃。在火灾烟 气在巷道蔓延过程中，烟气未经过巷道突变段前， 烟气蔓延呈现 “S” 形， 主要原因是烟气在浮力的作 用下沿着顶板扩散，致使巷道顶部的烟气蔓延先于 下部；巷道突变致使烟气峰面被压缩和拉伸，使通 过巷道突变段后的烟气前端峰面呈现椭圆形。 2．2．3巷道截面突变位置对烟气蔓延的影响 为研究巷道截面突变位置对烟气蔓延的影响， 采用巷道突变长度对于烟气蔓延影响的实验参数， 之间距离设置为 10、 20、 30、 40、 50、 60、 70、 80 m。此 外， 无巷道突变工况作为对照实验， 模拟工况 9 个， 巷道截面突变位置对烟气蔓延时间的影响如图 7。 由图 7 可见，当巷道突变段距火源点 50 m 时， 巷道突变能够有效抑制烟气蔓延至出、进风口的时 间， 且时间最长分别为 59．22 s 和 64．83 s。 当距离为 10～50 m 时， 巷道突变段离火源位置越远， 巷道突变 对烟气蔓延的阻碍作用越明显； 而当距离大于 50 m 时，巷道突变起到的阻碍作用降低。由于巷道突变 的存在阻碍了烟气的扩散速度， 产生抑制作用， 并使 其在突变处聚集延缓了烟气蔓延， 使传播时间延长。 3结论 1） 在不同巷道倾角条件下， 巷道突变对烟气蔓 延的实验中，随着倾角增加巷道突变对烟气蔓延的 抑制作用降低， 抑制率最低为 54．00。火源强度越 高，巷道截面突变对烟气蔓延至进风口时间的抑制 率提高。 2） 巷道截面突变长度在 10～30 m 之间， 随着长 度的增加烟气蔓延至进、出风口的时间缩短；巷道 截面突变段离火源点位置越远，巷道截面突变对烟 气蔓延的阻碍作用越明显。 3） 在对巷道突变特性对烟气蔓延的实验中， 巷道 截面突变长度为 10 m 且距离火源 50 m 时， 巷道突 变对烟气蔓延的影响最大；与无巷道突变的工况相 比， 烟气抑制率为 15．62。因此合理的布置巷道截 面突变段可延长可用安全疏散时间，为矿工安全疏 散争取更多时间。 参考文献 ［1］ 诸利一， 吕文生， 杨鹏， 等．20072016 年全国煤矿事 故统计及发生规律研究 ［J］ ．煤矿安全， 2018， 49 （7） 237－240． ［2］ 李义杰， 邬长福， 高宗杰， 等．矿井巷道火灾烟气流动 影响因素模拟分析 ［J］ ．矿业研究与开发， 2017， 37 （2） 18－21． ［3］ 文虎， 张铎， 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