細水霧抑制巷道膠帶火災蔓延模擬

徐傳田,鄭澤坤

(1.淮北礦業股份有限公司渦北煤礦,安徽 亳州 233600;2.西安科技大學 安全科學與工程學院,陜西 西安 710054)

0 引言

礦用運輸膠帶火災是煤礦外因火災的種類之一[1-2]。巷道中可燃物質較多,若防控不及時,火災會迅速蔓延,甚至誘發瓦斯/煤塵爆炸事故,嚴重威脅人員的生命財產安全[3]。據《科技創新導報》統計,巷道火災占煤礦火災重大惡性事故比例高達90%以上,傷亡人數占總數的約65%。如2015年黑龍江龍煤集團雞西礦業公司杏花煤礦“11·20”重大火災事故,造成22人死亡,直接經濟損失約1 598.5萬元[4],2020年重慶松藻煤礦膠帶火災事故,死亡16人[5]。膠帶運輸對保證礦井正常生產起著非常重要的作用,大中型煤礦的井下煤炭運輸大都采用膠帶輸送機的運輸方式,膠帶火災燃燒發展速度快、高溫煙氣影響范圍大,會帶來嚴重損失以致發生人身傷亡事故[6]。從梁寶寺掘進巷“11·20”火災事故來看,目前尚缺少有效的巷道火災應急處置技術與裝備。為此課題組提出研發集高壓水射流與細水霧于一體的煤礦井下移動式滅火消防車。細水霧由于粒徑小、不導電、清潔環保,在抑制火災和減輕爆炸方面效果較好,且細水霧消防車用水量極小、滅火迅速、效率高、噴霧滲透力強,有效范圍廣,逐漸被研究者所重視。

學者們對細水霧在眾多火災場景中的應用展開了廣泛研究[7-9]。YUAN、王文和等[10-11]通過FDS模擬,分析比較不同液滴尺寸、噴射速度和環境風速下細水霧對火災的抑制作用,推導出抑制火災的最佳工況。WANG等[12]建立細水霧抑制管道內甲烷/空氣的實驗系統,得出45～100 μm的小水霧滴促進爆炸,且直徑越大越容易爆炸;直徑大于160 μm的細水霧抑制效果較好,抑爆效果與管長、管徑成正比,該研究為不同工業場合細水霧抑爆系統提供了理論依據。WANG、YOSHIDA等[13-14]采用數值模擬和實驗研究了細水霧通過熱效應、稀釋效應和化學效應等對層流火焰傳播速度抑制和對甲烷-空氣逆流擴散火焰滅火的影響。LIU等[15]采用FDS模擬細水霧作用于屏蔽火的過程,可視化分析不同噴頭工作壓力和遮擋條件下火焰溫度、輻射熱流和滅火過程,確定不同遮擋條件下滅火臨界情況,揭示霧滴的旁路運動及其對滅火的影響。JENFT等[16]利用FDS基于氣液兩相的質量和能量平衡,對不同流速和粒徑2種情況的細水霧在火災中各種熱交換的影響進行實驗研究,討論散熱效應、蒸發效應、輻射屏蔽效應、壁間交換效應及稀釋效應。岳寧芳等[17]利用FDS模擬細水霧阻擋膠帶火災下風側煙氣,表明細水霧對膠帶火災下風側煙氣有良好的抑制作用。

上述研究大多都是研究細水霧對火源下風側火災有良好的抑制作用,忽視火災蔓延到火源上風側對火場溫度、煙氣產生的影響。鑒于此,采用數值模擬的方法,分析細水霧由上風側運移到下風側抑制膠帶蔓延火災的過程,探究巷道中風速、水霧粒徑、噴頭與火源距離等對膠帶蔓延火災煙氣和溫度演變規律影響,為研發煤礦井下移動式細水霧滅火消防車提供理論依據。

1 火災模型建立及其參數設置

1.1 數值模擬數學模型

火災動力學模擬器(Fire Dynamics Simulator)采用數值方法求解熱驅動的低速流動粘性流體方程,主要用于火災中煙氣流動和熱傳遞過程的數值模擬,是研究火災模擬開發的計算流體動力學軟件[18]。采用FDS模擬細水霧作用下巷道火災煙氣流動和熱傳遞過程,模擬實驗原理基于質量、動量、能量、理想氣體方程[19]見式(1)～(4)。

質量方程

(1)

動量方程

(2)

能量方程

(3)

理想氣體方程

P0(t)=ρRT

(4)

式中,ρ為密度,kg/m3;t為時間,s;u為速度,m/s;p為壓力,Pa;g為重力加速度,m/s2;f為單位質量,kg;τ為黏性壓力,Pa·s;h為焓,J;qr為熱輻射通量,W;k為傳熱系數,W/m2·K;Di為擴散通量,kg/m2·s;Yi為體積熱源,W/m3;P0為環境壓力,Pa;R為通用氣體常數,8.314 9 J/(mol·K)。

1.2 模型構建

以煤礦膠帶運輸巷為對象,構建50 m×3 m×3 m(長×寬×高)的狹長巷道模型。巷道兩端均開放,頂板和墻壁材料為混凝土;巷道內架設40 m×2.5 m×1.2 m(長×寬×高)的膠帶,材料為PVC,膠帶鋪設于所建模型巷道內;細水霧噴頭設置于巷道上風側;膠帶上方每隔6 m設置一個溫度傳感器和煙氣傳感器,共設有5個溫度傳感器與5個煙氣傳感器;膠帶中央設置一個尺寸為2 m×1 m的長方形火源,具體如圖1所示。巷道模型網格劃分為20 m×208 m×20 m,單元大小0.25 m×0.25 m×0.25 m,網格單元量為83 200,模擬燃燒時間為120 s,燃燒反應為PVC反應,當模擬進行到3 s時水霧開始排放,模擬所用材料參數見表1。

表1 模擬參數設置Table 1 Simulation parameter setting

圖1 FDS細水霧抑制膠帶火災模型Fig.1 FDS fine water mist suppressing belt fire model

1.3 模擬工況設置

通過模擬不同風速、細水霧粒徑、噴頭與火源的水平距離等因素,分析細水霧作用于膠帶火災后溫度、煙氣的特征變化,得出降溫、阻煙效果最佳參數,工況設置參數見表2。

表2 工況設置參數設置Table 2 Working conditions setting parameter setting

工況1、2、3、4通過改變風速,在霧通量、噴頭與火源距離不變的條件下,研究風速對滅火效率的影響;工況2、5、6在其他條件不變的狀況下,改變細水霧粒徑,研究細水霧粒徑對滅火效率的影響;工況2、7、8改變噴頭與火源的距離,研究噴頭位置對滅火效率的影響;工況9為不添加細水霧時火災發展情況。

2 模擬結果及分析

2.1 風速對抑制效果的影響

為了研究風速對細水霧抑制火災蔓延的影響,分析3號溫度傳感器與3號煙霧傳感器在通風速度為1.0 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s、3.0 m/s,火源強度設置為5 MW時的溫度變化與煙氣擴散的情況,如圖2、圖3所示。

圖2 溫度隨風速的變化Fig.2 Temperature change with wind speed

圖3 60 s時煙氣隨風速的變化Fig.3 Change of flue gas with wind speed at 60 s

由圖2可知,在通風和細水霧共同作用下,火焰煙羽流向頂板彎曲并沿著膠帶向下風側蔓延。在風速為1.0 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s、3.0 m/s的情況下,細水霧運移到火源附近,細水霧通過冷卻、潤濕、隔絕熱輻射、隔絕氧氣窒息作用降低火焰溫度和煙氣濃度,火災溫度下降率分別為35.78%、42.56%、54.20%、23.47%。這是由于風的作用使到達火源的霧通量增大,更多的水霧與火焰反應進行冷卻從而降低火場溫度,但是當風速超過3 m/s時,風的作用促進空氣流通使更多的氧氣與火源接觸加重火勢的蔓延,且風速的增大縮短水霧經過火源的時間,減小與火焰接觸的霧通量,導致細水霧對火場溫度冷卻作用減小。

由圖3可知,煙氣在風流的作用下被斜吹到頂板且迅速在火源下游蔓延,且風速為1 m/s時火源上游有短距離煙氣逆退,火源下游煙氣蔓延速度隨著風速變大而變快,巷道能見度迅速降低;當風速增大到2.0 m/s時,火源上游煙氣逆流現象消失,當水霧穿過煙氣時,煙氣直接被阻擋稀釋,煙氣濃度降低。風速為1.0 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s、3.0 m/s時煙氣濃度下降率分別為25.96%、35.40%、57.57%、15.67%,風速越大,煙氣的濃度越低。這是由于隨著風速的增大,到達火源的霧通量也增大,水霧凝聚、吸附的煙氣顆粒也更多。當風速達到3.0 m/s時,由于風的作用縮短了水霧經過高溫煙霧的時間,削弱水霧對高溫煙氣顆粒的凝聚、吸附作用,使水霧冷卻效率降低[17]。煙氣逆流是由于火焰煙羽流隨進風流向下風側彎曲;在浮力和壓差作用下,燃燒產物和熱氣流沿上風側流動速度大于巷道通風速度[20-21],導致煙氣向上風側運動。說明風速為1.0 m/s的條件下,細水霧不能完全抑制煙氣向巷道上風側蔓延。

2.2 細水霧粒徑對抑制效果的影響

為了探究細水霧粒徑對膠帶火災蔓延的抑制效果,選取粒徑為Dv99(水霧最粗部分的水微粒直徑)200 μm、300 μm、400 μm的細水霧進行數值模擬分析。

溫度和煙氣變化情況如圖4、圖5所示。

圖4 溫度隨細水霧粒徑的變化Fig.4 Temperature change with water mist particle size

圖5 60 s時煙氣隨細水霧粒徑的變化Fig.5 Variation of flue gas with water mist particle size at 60 s

由圖4可知,相同工況下,巷道內溫度受細水霧粒徑影響顯著,施加細水霧的火焰周圍溫度明顯低于沒有施加細水霧時的溫度;粒徑越小,冷卻效果越明顯。施加200 μm、300 μm、400 μm細水霧同不施加細水霧工況相比,溫度分別降低了54.17%、37.70%、31.35%。圖5展示不同粒徑細水霧噴頭開啟60 s后巷道煙霧的分布,觀察煙氣濃度切片可知,施加200 μm、300 μm、400 μm細水霧同不施加細水霧工況相比,煙霧濃度分別降低了53.48%、46.83%、30.63%。粒徑越小,細水霧對火場煙氣稀釋效果越好,這是因為水霧粒徑越小,比表面積越大,霧滴與煙霧的接觸面積就越大,更有利于煙氣的吸附與沉降,降低火場煙霧濃度[22-23]。相同壓力和流量工況下,霧滴粒徑越小,越容易阻擋和稀釋煙氣,從而影響煙氣濃度。

選取1～5號溫度傳感器120 s時的溫度數據,見表3。

表3 120 s時不同粒徑條件下各溫度傳感器溫度Table 3 Temperature of each temperature sensor under different particle size conditions at 120 s

由表3可知,施加200 μm、300 μm、400 μm細水霧時,對比不施加細水霧的工況,1號溫度傳感器最大相差498.76 ℃,最小相差328.1 ℃;2號最大相差480.72 ℃,最小相差266.2 ℃;5號最大相差85.61 ℃,最小相差6.75 ℃。可見,水霧粒徑減小到200 μm時,由于霧滴粒徑變小,蒸發吸熱變快,并且隔離火源與氧氣,從而更加有效地發揮冷卻和隔氧窒息抑制效果,更快熄滅火焰,降低火災損失。

2.3 噴頭距離對抑制效果的影響

相同工況下,通過改變細水霧噴頭與火源的水平距離,探究噴頭距離對細水霧抑制火災的影響,考察細水霧對不同位置火源滅火作用的大小。溫度變化與煙氣運動如圖6、圖7所示。

圖6 溫度隨噴頭與火源距離的變化Fig.6 Temperature change with the distance between nozzle and fire source

圖7 60 s時煙氣隨噴頭與火源距離變化Fig.7 Flue gas changes with the distance between nozzle and fire source at 60 s

由圖6可知,相比于不施加細水霧,距離火源12.5 m、14.5 m、16.5 m施加細水霧時溫度分別下降39.00%、35.68%、26.90%,滅火效率隨著噴頭與火源距離的縮小而提高,細水霧的滅火有效性也逐漸增加。這是由于噴頭距離火源越近,細水霧到達火焰周圍的速度越快,動量就越大,對火焰的穿透力就越強,有更多的水霧進入火焰內部與膠帶表面接觸,通過冷卻和隔絕氧氣,更加高效地冷卻火焰溫度、抑制火災蔓延。

由圖7可知,當噴霧時間為60 s時,隨著噴頭與火源距離減小,煙氣體積由φ(soot)=0.06降到φ(soot)=0.045,煙氣濃度隨著噴頭與火源距離的減小而減小,這是因為在一定壓力和流量下,細水霧噴頭有一定的水平作用距離,當火源處于水平距離范圍內時,細水霧滴具有足夠的動量去克服空氣阻力,從而到達火源區域,使火源區域內的霧通量增加,霧滴通過蒸發吸熱、隔絕氧氣、衰減熱輻射等作用,降低火焰溫度;通過吸附、阻擋和沉降作用降低煙氣濃度;當火焰產生的熱量不足以使膠帶繼續熱解揮發時,火焰燃燒范圍就會逐漸縮減,直至熄滅;當火源處于細水霧的水平作用距離之外時,霧滴依靠自身的初始動量和風流的作用進入火源區域,對火焰產生抑制作用。

3 結論

(1)細水霧可以有效抑制膠帶火災蔓延,降低膠帶火災產生的高溫,抑制煙氣的擴散。在一定范圍內,風速越大,越有利于細水霧抑制火災蔓延。在風速為2.5 m/s時抑制效果最好,與未添加細水霧相比溫度下降了54.20%;當風速小于1.0 m/s時,煙氣會發生逆流現象,風速大于3.0 m/s抑制效果會減弱。

(2)隨著霧滴粒徑減小,火災溫度越容易得到控制,水霧對煙氣的吸附沉降能力增強,煙氣濃度逐漸減小。粒徑由200 μm增加到400 μm,冷卻與阻煙效率分別降低了35.20%、22.85%。

(3)噴頭與火源的距離越近,水霧到火焰周圍動量越大,穿透力越強,可以更好地抑制膠帶火災產生的高溫和煙氣。當噴頭距離火源12.5 m時,細水霧冷卻效率最高。