不同封堵條件下巷道火災煙氣溫度場預測模型

馬 礪，張鵬宇，李超華，劉 順

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 陜西省煤火災害防控重點實驗室，陜西 西安 710054)

0 引 言

在火災的發展蔓延階段，高溫煙氣是阻礙人員疏散，造成人員傷亡的重要因素，研究煙氣蔓延的規律并準確預測煙氣溫度對火災的預防控制及人員的疏散救援有著重要意義[1-2]。巷道火災按照時間順序一般可劃分為3個階段，即火災初期增長階段、火災充分發展階段、火災衰減階段。在火災充分發展階段，根據火災煙氣蔓延規律分為5個階段[3]：火羽流上升階段、頂棚射流階段，二維徑向擴散階段、一維縱向蔓延轉化階段以及一維縱向蔓延階段[4-5]。

對于火災煙氣溫度場的研究，MODIC利用IDS通風模擬軟件對公路隧道火災中的氣流溫度和速度進行研究，指導了消防安全疏散[6]；HWANG等通過模擬得到不同通風條件下煙氣溫度和速度的分布規律以及對火災的影響[7]；LEE等模擬了不同寬高比下的隧道火災煙氣溫度場、速度場等影響規律[8]；BAILEY等通過LES大渦數值模擬得到了走廊煙氣溫度的縱向分布規律[9]；KHATTRI采用小尺寸數值模擬研究火災煙氣溫度分布規律，得到煙氣溫度的衰減并不一定是指數函數分布規律[10]。郭慶華等通過對海拔4 100 m的全尺寸隧道進行火災實驗，得到3種火源功率下最高溫度及縱向溫度分布規律[11]；陶海軍等建立了1∶3.6小尺寸綜合管廊模型的火災實驗，得到煙氣溫度在管廊電力艙室的衰減規律，并分析煙氣溫度在不同高度下的跳躍現象[12]；張鵬等基于1∶20地鐵換乘站相似實驗模型，利用高溫輻射流取代火源，得到煙氣溫度在頂棚沿站臺方向和樓梯處衰減規律[13]；梁震寰等搭建圓形小尺寸管廊實驗模型，研究得到4種火源形狀的距離、煙氣溫度以及頂棚溫度的函數關系[14]；劉斌等對復雜結構隧道火災進行數值模擬，分析得到不同縱向通風對煙氣溫度的分布規律及煙流的擴散影響[15]；姜學鵬等通過FDS模擬設置不同坡度的人字坡隧道模型，得到最高煙氣溫度與火源功率呈現3/4次冪的關系且沿隧道長度方向呈指數函數衰減[16]；姜濤利用CFD方法設計不同工況下的地鐵過江隧道模型，得到火災煙氣溫度場及濃度場，為救援工作提供技術指導[17]。對于火災封堵控制研究，YAO等通過建立小尺寸實驗臺研究火災封堵窒息，結果表明完全密封的時間越早，燃燒時間越短，溫度越低，抑制火災效果越好[18-19]；紀道溪通過數值模擬研究封堵控制因素對滅火效率影響規律[20]；董炳燕等通過數值模擬得出火源功率為50 MW的臨界封堵比例為75%，火源功率為100，150 MW的臨界封堵比例為50%[21].

綜上所述，當前對于火災煙氣溫度的研究中，多數學者通過建立小尺寸實驗模型來研究煙氣溫度的分布影響規律，對于封堵過程研究的模型較少。文中主要研究在巷道火災封閉過程中煙氣一維蔓延階段溫度預測模型，為井下封閉火區的蔓延控制提供理論基礎。

1 實驗裝置及條件

1.1 實驗系統

實驗系統利用西安科技大學煤火災害重點實驗室巷道裝置模型[22]，建立了1∶10比例的巷道火災發展封堵過程實驗模型。巷道模型頂部為拱形，底部為矩形，如圖1所示。該系統采用分段式設計，單節長度0.7 m，共11節，巷道模型截面寬度0.48 m，高度0.42 m，為便于觀察巷道火災煙氣溫度的變化趨勢，巷道一面采用耐高溫玻璃制成，另一面采用角鋼制成。

圖1 實驗臺布置Fig.1 Layout of test bed

實驗臺采用自然通風，風速以實際測量為準，本實驗為0.3 m/s，火源距進風側250 cm。實驗布置19個K型鎧裝熱電偶，且相對火源中心對稱布置，分別距火源中心點距離為12.5，25，56.5，75，93.5，140.5，159，199.5和240 cm.火源及熱電偶分布如圖2所示，采用C-7108溫度數據模塊采集溫度。

1.2 實驗樣品

為了模擬井下巷道火災，火源大小設計為4，6，8 MW.火源類型為柴油，熱值為42 kJ/g，火源相似計算值見表1。

表1 實驗油盤尺寸Table 1 Dimensions of experimental oil pan

圖2 火源及熱電偶布置Fig.2 Fire source and thermocouple layout

2 實驗數據分析

2.1 頂棚最高煙氣溫度分析

3種火源功率下頂棚煙氣溫度封堵曲線如圖3所示。結果表明：隨著火源功率增加，封堵比例升高頂棚煙氣溫度增加，這是由于在巷道內燃燒消耗的氧氣增多，造成熱量聚積。0～50%封堵火災充分燃燒時間和溫度情況相近，50%封堵的燃燒時間更長溫度更高。表明在封堵比例小于50%時，隨著新鮮風流進入巷道，氧氣的供給足夠維持柴油的充分燃燒，使得熱量難以聚積，但由于火災充分燃燒時間長，不利于人員的疏散。75%封堵比例時，火災的充分燃燒時間相比0～50%封堵明顯縮短，且隨著火源功率的增加，達到充分燃燒階段的時間提前，燃燒所需的時間隨之減少，且衰減階段溫度下降較快，表明75%封堵比例對氧氣的供給造成了極大阻礙，火源功率越高消耗氧氣越多，供氧不足，火災得到了明顯的抑制。完全封堵(比例100%)時火災充分燃燒階段最短，溫度上升和衰減的幅度也最大，這是由于阻斷了火災燃燒消耗所需的氧氣來源，導致頂棚熱量聚集，燃燒不充分，火災熄滅的時間快。

圖4表示的是在熄滅時，各封堵比例的縱向最高煙氣溫度變化曲線，從圖中可以看出隨著封堵比例升高，溫度衰減的幅度越大；綜合圖3圖4可知，當封堵比例大于50%時，在距火源240 cm處的下風側各封堵比例的溫度相近，當時間到達500 s時，100%封堵的溫度最低，75%封堵的溫度與0～25%的溫度接近。綜上所述，由于100%封堵導致熱量聚集過快，溫度快速上升至600 ℃，對巷道頂棚破壞嚴重，考慮到保護救援人員，當封堵50%以上時，隔氧滅火效果明顯。

2.2 不同封堵條件對縱向煙氣溫度的衰減規律

KUNSCH通過理論分析和實驗研究得到了頂棚煙氣溫度縱向分布模型[23]，經過國內外學者驗證該模型服從指數衰減規律，如公式(1)所示。文中取距火源中心點距離x-x0為自變量，煙氣溫ΔT/ΔT0為因變量，利用該模型對實驗數據進行擬合，擬合后各參數數據見表2。

(1)

分析表中擬合數據得到封堵條件對參數a和b的影響。

圖3 3種火源功率下不同封堵條件的頂棚煙氣溫度曲線Fig.3 Temperature curves of ceiling flue gas with different plugging conditions under three fire source powers

圖4 3種火源功率下不同封堵條件的煙氣溫度縱向分布曲線Fig.4 Longitudinal distribution curves of flue gas temperature under different plugging conditions

表2 擬合后各參數數據Table 2 Fitted parameter data

1)當封堵比例η=0時，煙氣溫度與距離的關系

(2)

2)當封堵比例η>0時，煙氣溫度會隨著封堵比例呈線性變化

(3)

3 巷道火災封堵煙氣溫度預測模型

3.1 巷道火災一維溫度場分布

通過分析火災煙氣溫度場控制方程和質量流率的卷吸方程[3]，建立符合礦井巷道條件下的一維溫度場分布模型。該模型增加了封堵條件，巷道截面如圖5所示。

巷道火災的煙氣層在x方向質量流率變化，等于煙氣層卷吸空氣質量流率變化，得到連續性方程

(4)

巷道火災煙氣層在x方向上的焓值變化，等于煙氣層卷吸空氣的焓值增量與對流輻射損失的焓值量總和，得到能量方程

(5)

其中Kunsch提出一維水平蔓延的煙氣卷吸的質量流率可以表示為[23]

(6)

巷道火災煙氣的能量損失可以看成是煙氣層與環境溫度之間的能量交換(忽略壁面厚度)

(7)

在一維蔓延階段，卷吸系數β的值很小，在數量級上可以趨近于0

(8)

為了建立封堵比例η與空氣流速u的關系，文中簡化在封堵情況下的封堵兩側的體積流量變化，即自然通風風量減去進入巷道風量等于被封堵處風量的損失值

Q進-Q=Q損

(9)

損失值可以用進入巷道風流體積流量減去開口處進入風流體積流量Q損=uA-uA1，帶入化簡可以得到

(10)

綜合以上因素，聯立化簡方程，根據參考點位置x0,T0可以積分得到

圖5 巷道截面Fig.5 Roadway section

圖6 0～100%封堵條件下理論值與實驗值對比Fig.6 Comparison of theoretical and experimental values under 0～100% plugging conditions

當封堵比例η=0

1)當h≤R時

(11)

2)當h≥R時

(12)

當封堵比例η>0

1)當h≤R時

(13)

2)當h≥R時

(x-x0))

(14)

3.2 理論模型預測結果

采用平均絕對誤差(MAE)、平均絕對百分誤差(MAPE)、根均方誤差(RMSE)和確定系數(R2)等指標來評價預測模型的準確性[24-25]。

(15)

(16)

(17)

(18)

3.3 理論模型的預測值與實驗數據的對比

圖6表示的是5種封堵條件下實驗數據擬合結果和理論模型預測結果，從圖中可以看出兩者曲線相近，計算得到各曲線之間相關系數R2均在0.9以上，表明實驗值與預測值存在較強的相關性，理論模型預測值較好。

文中將不同封堵條件下理論值與實驗值進行對比，為了量化模型的預測性能，將其誤差指標(MAE<0.075 1，MAPE<0.132 1，RMSE<0.077，R2>0.906 9)列于表3中。結果表明，封堵條件下的巷道火災煙氣理論模型能夠準確預測巷道火災煙氣溫度。

表3 預測模型的誤差分析Table 3 Error analysis of prediction model

4 結 論

1)根據封堵過程中巷道內外體積流量變化的平衡條件，得到流速與封堵比例之間的函數關系，基于巷道火災實驗臺建立了不同封堵條件下的煙氣溫度預測模型。

2)通過分析不同封堵比例下巷道火災煙氣溫度的預測模型，得到溫度的衰減主要受巷道尺寸、空氣流速和煙流質量流率影響。

3)實驗分析得到頂棚煙氣溫度隨著火源功率的增加而升高；當封堵比例為50%時，火災充分發展時間最長；當封堵比例大于50%時，隨著封堵比例增加，煙氣溫度下降的時間越早。