不同風速下巷道火災煙氣蔓延規律的數值模擬

黃 剛 王玉懷 趙啟峰 張志科 張 軍 尹義超

(華北科技學院安全工程學院，河北省三河市，065201)

火災是煤礦五大災害之一，由于煤礦井下巷道一般縱深較長、結構復雜、空間狹小，一旦發生火災，煙霧會迅速在巷道內蔓延，影響人員的疏散和救援，火災事故占煤礦特大事故的40%～60%。煤礦巷道發生火災后，若巷道進風側風流速度與火源熱煙流釋放速度相比較小，當巷道火災趨于穩定后，熱煙流受浮力影響上升至巷道頂部后會向巷道兩側流動，出現煙流逆流層現象，嚴重時會造成煤礦巷道風流方向發生逆轉，對井下人員的逃生和救援很不利。火災產生的有毒有害煙霧是巷道火災最容易引起群死群傷的重要因素，據統計，因火災產生的有毒有害煙流中毒窒息死亡的人數占煤礦火災總死亡人數的62.4%。因此，火災煙霧的流動規律是巷道火災研究的關鍵所在。

由于煤礦巷道實際條件復雜，現場試驗成本高、難度大，而數值模擬方法準確、方便、經濟、可重復性高，因此現在多數學者采用數值模擬的方法對巷道火災進行研究。本文以察哈素煤礦一運輸平巷為研究對象，采用FLUENT數值模擬軟件，對不同風速條件下水平巷道火災煙氣溫度和煙流狀態的分布規律進行了研究。

1 煙氣蔓延及邊界層影響

巷道發生火災后造成周圍環境溫度升高，使得燃燒產生的煙氣溫度升高、密度降低，高溫煙氣受浮力的作用后向上運動。同時在壓力的作用下周圍的新鮮空氣會不斷涌入，形成火羽流。當火災煙流上升到一定高度到達巷道頂棚時，隨即沿巷道四周徑向蔓延，發生頂棚射流現象，隨著煙氣逐漸遠離火源區域，煙氣溫度也隨之降低，密度逐漸變大，空氣和煙氣之間的密度差則逐漸減小，浮力也減小。煙氣在撞擊頂棚后向四周擴散一定距離，在巷道風流的影響下，發生煙氣逆流現象；不過隨著煙氣的蔓延，溫度會逐漸衰減，當煙氣逆流所受浮力作用與巷道風流產生的作用力相當時，煙氣逆流將停止；同時，煙氣將隨著巷道風流的流向繼續蔓延，當煙氣蔓延一段時間后，由于溫度的降低導致空氣的浮力不足以抵消煙氣顆粒自身的重力，煙氣會逐漸沉降。巷道內火災煙氣蔓延過程如圖1所示。

圖1 巷道內火災煙氣蔓延過程

由于燃燒產生的煙氣溫度較高并處于過熱狀態，因此煙氣經過巷道壁時主要以對流換熱的方式進行熱量傳遞。此時，巷道壁面的摩擦阻力會對煙氣形成阻滯作用，使得巷道壁面附近的煙氣流速下降，形成一個明顯變化的流體減速薄層，即流動邊界層。在邊界層內，越靠近壁面處煙氣速度越小；在邊界層外，煙氣的速度幾乎保持不變。邊界層內流體的流態分為層流和紊流。隨著煙氣的蔓延，當到達某一距離時巷道壁面的粘滯阻力對邊界層邊緣處煙氣的作用逐漸減弱，使得邊界層從層流向紊亂過渡，形成紊流邊界層。此時，紊流區內煙氣速度分布呈線性規律，而在層流邊界層內煙氣速度分布呈拋物線型。流體邊界層的形成和發展如圖2所示。

圖2 流體邊界層的形成和發展

2 數值模擬

本文采用FLUENT軟件以運輸巷道的一部分作為幾何模型對不同風速條件下水平巷道內火災煙氣的蔓延規律進行數值模擬。模擬巷道為矩形斷面，設定模型具體尺寸為70 m×5.6 m×3.7 m(長×寬×高)。

在進行巷道火災模擬時將巷道進風風口設為速度入口，分別設置風速為0.5 m/s、1.5 m/s、2.5 m/s、3.5 m/s，巷道出口設為自由出口，巷道入口溫度設為293 K，入口物質為空氣，表壓力為0 Pa，湍流模型選用標準k-ε模型和無反應組分輸運模型，考慮浮力和重力的影響，加速度取值為-9.8 m/s2，巷道四周壁面設為“CONCRETE”屬性，選擇壁面無滑移條件，溫度為283 K，假設壁面和高溫煙流不發生換熱。

模擬采用Gambit軟件進行巷道模型的建立和網格的劃分。由于巷道模型的長寬比例較大，而且火源區域和巷道區域相比也差距較大，因此采用對火源區域進行局部網格加密的方式進行網格劃分，達到計算精確性和快捷性相協調。

燃燒是一個復雜、迅速的物理化學反應，要完整、準確地對燃燒進行模擬是非常困難的，因此在進行數值模擬前首先要對巷道火災火源進行如下簡化：巷道火源為巷道中部一固定小長方體(1 m×1 m×0.5 m)，距離風流入口為20 m，立方體上表面釋放燃燒所產生的高溫煙氣，燃燒產物為CO2、HCL、CO的混合氣體，假設燃燒體上表面所釋放高溫煙氣溫度為1500 K，火源強度由高溫煙氣所釋放速度的大小來表示。具體模型如圖3所示。

圖3 CFD模型示意圖

3 模擬結果與分析

煤礦巷道發生火災后，對井下人員影響最大的是火災產生的煙氣和高溫，因此研究煙氣溫度分布和蔓延規律非常有必要。

3.1 頂棚煙流溫度分析

巷道火災火源上方及火源影響區域的高溫往往會對巷道的結構造成破壞，在巷道結構設計時對巷道結構進行防火保護非常重要，因此需要獲取火災時期巷道頂棚處煙流的最高溫度。

火源附近水平方向溫度分布以火源為中心點向巷道兩側壁逐漸降低，隨著煙氣的蔓延，豎直方向的溫度隨著與火災火源距離的增大而降低，并且豎直方向溫度的衰減程度要大于水平方向溫度。這是由于高溫煙氣與巷道兩側壁存在溫度差從而形成對流換熱的結果。巷道發生火災后煙流的最高溫度出現在頂棚附近位置。巷道頂棚處水平截面溫度分布如圖4所示。由圖4可知，火源火羽流上方頂棚附近的煙流溫度最高；風速為0.5 m/s時火源上方溫度最高，大約為1000 K，隨著風流速度的增大，火源上方的溫度逐漸降低，3.5 m/s風速條件下火源上方最高溫度大約為700 K。這是因為風速的增加使得聚集的高溫煙氣逐漸擴散開，同時風流的快速流動稀釋了高溫煙流。

圖4 不同風速條件下巷道頂棚水平截面溫度分布圖

3.2 煙氣熱分層分析

不同風速下巷道出口斷面的溫度分布如圖5所示。火災發生后，巷道內高溫煙氣在熱浮力的作用下逐漸演變為上下穩定的煙氣層和空氣層，據此Emmons提出了雙區域模型。

圖5 不同風速條件下巷道出口斷面溫度分布圖

由圖5可以看出，不同風速條件下煙氣均發生熱分層現象，但是在風速較低時分層更加明顯、也更加密集，風速較大時熱煙氣層厚度會逐漸增大。隧道火災方面已有研究表明空間發生火災后，縱向通風對通道內煙氣分層有較大影響，會使熱煙氣層的厚度顯著增大，這與本次模擬結果是相符合的。另外在狹長的空間內火災煙氣會在很短的時間內升至幾百攝氏度，而一般人體對高溫的忍耐是有限的。當周圍環境溫度在373 K左右時人體皮膚就會覺得難受；當溫度達到393 K左右時，皮膚便會被灼傷；而當環境溫度達到443 K時，人在此溫度下僅能忍受1 min；溫度若繼續增高，則可能會使人員致死。風速為0.5 m/s時出口處煙流最高溫度為500 K左右，但是煙氣下部溫度較低為350 K左右，其他風速條件下出口處煙流溫度則更低。由于火災產生的高溫煙氣對人員的逃生和救援帶來很大的困擾，因此當巷道發生火災時井下人員不能隨意進入火區，以免發生灼傷、中毒甚至窒息。

3.3 煙氣逆流分析

不同風速條件下巷道中截面煙流分布如圖6所示。一般情況下將可燃物的燃燒區段和燃燒火焰所到達的范圍稱為火區，由圖6可得出不同風速條件下巷道火災火區的范圍。巷道發生火災時，高溫煙氣受浮力作用上升到巷道頂棚附近，由于頂棚的阻擋作用，高溫煙氣將向前后兩個相反的方向流動即是頂棚射流現象，此時當巷道的風流速度與高溫煙氣的流動速度相比太小時，即風流不足以使得高溫煙氣順著風流流動，而是沿著與巷道通風方向相反的方向流動，這即是煙氣逆流現象。隨著巷道風速的增加，風流動壓會呈拋物線增長，從而使高溫煙流加速在火源下風側蔓延，抑制逆流現象的發生。在巷道縱向風速為0.5 m/s和1.5 m/s的條件下，巷道發生煙氣逆流現象，煙氣逆流會攜帶有毒有害氣體擴散至進風區域，擴大影響范圍，此時逆流的煙氣會威脅到火源上風側人員的逃生和救援，更為嚴重的是逆流的高溫煙氣可能會使火源下風側含有可燃揮發物的風流再次流經著火帶，增加了火區爆炸的可能性，極大地增加了事故的影響范圍；當巷道風速增加到2.5 m/s以上時，機械風壓作用要強于火災熱力作用，抑制逆流現象的發生，煙氣的擴散距離減少，煙氣在巷道中的擴散受到阻礙。

圖6 不同風速條件下巷道中截面煙流分布圖

4 結論

(1)火源煙氣最高溫度出現在火源上方巷道頂棚附近，高溫煙氣對巷道結構會造成破壞。風速越小時巷道頂棚附近溫度越高，隨著風速的增加，聚集的高溫煙氣會逐漸擴散開來。

(2)火災產生的高溫煙氣會在巷道內發生熱分層現象，在巷道風速條件較低時，煙氣的熱分層會更密集，隨著風速的增加，煙流熱煙氣層厚度會顯著增加。

(3)當巷道風流不足以使得高溫煙氣順著風流流動，而是沿著與巷道通風方向相反的方向流動，就會發生煙氣逆流現象；隨著巷道風速的增加，風流動壓會呈拋物線增長，從而使高溫煙流加速在火源下風側蔓延，抑制逆流現象的發生。

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