避难硐室蓄冰板应急释冷方案的数值模拟

由世俊，冯 彬，王津利，张 欢，刘 树

（1. 天津大学环境科学与工程学院，天津 300072；2. 天津国际机械有限公司，天津 300450；3. 铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142）

避难硐室蓄冰板应急释冷方案的数值模拟

由世俊1，冯 彬1，王津利2，张 欢1，刘 树3

（1. 天津大学环境科学与工程学院，天津 300072；2. 天津国际机械有限公司，天津 300450；3. 铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142）

矿难事故发生后，为满足避难人员基本生存需求，避难硐室温度应维持在 20～30,℃，且不应超过 35,℃，提出在无电力供给的情况下，采用蓄冰板作为应急冷源对避难硐室进行降温的方法，并运用 CFD对蓄冰板的不同释冷方案进行数值模拟分析，确定最佳的释冷方案.模拟结果显示：蓄冰板的厚度对其释冷效果影响很大，50,mm厚的蓄冰板释冷效果最好；蓄冰板太厚不利于释冷，而蓄冰板太薄，释冷太快，导致避难硐室温度偏低；蓄冰板初始温度对释冷效果影响不大，说明蓄冰板释冷主要利用的是冰的相变潜热；相比于自备氧供氧系统，矿井压风系统因送风量大，释冷效果更好，温度场更均匀.

避难硐室；蓄冰板；应急释冷；数值模拟

在避难硐室和救生舱研究方面，国内外学者投入了大量的精力：国外学者针对避难硐室的增压送风、安全控制、模块化及密封性能进行了研究［1-4］；国内专家研究了避难硐室的供风量、制冷技术和储热相变材料［5-7］.本文将蓄冰技术应用于避难硐室应急冷却方案中，该方案具有无大功率电源、无安全隐患、维护量小等优点.

作为井下矿井救援系统的重要组成部分，避难硐室在矿井事故逃生和救援过程中都有很重要的作用.因此，有必要对避难硐室进行应急冷却方案的研究，以保证事故时避难硐室的环境温度处于 20～30，℃，为逃生人员提供临时适于生存的温度环境，同时也为煤矿避难硐室的发展提供一些参考和依据.

1　物理模型

避难硐室额定避险人数 10，净面积 12.5，m2，净高 2.5，m，避难硐室基本结构示意如图1所示.为满足人体对氧气的需求，硐室设置送回风口，尺寸为150，mm×100，mm，风量 300，m3/h.硐室及冰板沿中轴线对称布置，取实际硐室1/2在Fluent模拟软件中建立物理模型，如图2所示.

图1　避难硐室基本结构示意Fig.1 Fundamental structure of refuge chamber

图2　避难硐室的物理模型Fig.2 Physical model of refuge chamber

研究蓄冰板释冷效果，采用的蓄冰板尺寸为：600，mm×320，mm，厚度分别为 30，mm、50，mm和70，mm，为保证冰的总体积一致，对应冰板数量 16块、10块和 7块.冰板布置方式：相邻冰板间距50，mm，组间距为 800，mm，距离地面 200，mm.图3为3种蓄冰板布置方式的平面示意.

图3　不同厚度蓄冰板的布置示意Fig.3 Arrangement of ISP with different thicknesses

2　数学模型

蓄冰板释冷过程，硐室空气温度变化，属于室内空气的流动问题，同时也属于室内不可压缩气体三维非稳态传热问题；蓄冰板内部发生相变传热过程，同时向周围人体和墙壁进行辐射换热［8］.

2.1控制方程

建立控制方程，主要考虑硐室内空气、蓄冰板以及蓄冰板与周围辐射换热.

2.1.1硐室空气的控制方程

选择模型小室内的空气作为控制体，其遵循质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程，控制方程通用形式［9］为

式中：ρ为密度；T为热力学温度；φ为通用变量，主要用于表示相关的求解变量，如 u、v、w、T等；Γφ为广义扩散系数；Sφ为广义源项.

针对特定的方程，φ、Γφ和 Sφ具有特定的表达式，如表1所示.

表1　通用控制方程中各符号的表达式Tab.1 Expression of each symbol for general equations

蓄冰板释冷时，研究硐室内空气温度流场，选择三维、定常、不可压缩的湍流模型.采用 Fluent进行模拟，利用标准的k-ε 模型进行求解.

2.1.2蓄冰板的控制方程

蓄冰板释冷采用Solidification & Melting模型，其基本理论是基于 Enthalpy-Porosity（焓-多孔介质）技术来进行问题的求解.在融化、凝固求解过程用到的能量方程为

式中：H为焓能；v为流体速度；S为源项.

2.1.3辐射模型

考虑蓄冰板与周围介质辐射换热，辐射模型采用DO模型，其表达式［10］为式中：r为位置向量；s为方向向量；α为吸收系数；σs为散射系数；σ为斯忒藩-玻耳兹曼常数；I为辐射强度，取决于位置（r）和方向（s）；n为紧靠壁面介质的折射率；Φ为相位函数；Ω为空间立体角；α+σs为光学模糊度.

2.2单值性条件

1）几何条件

几何尺寸同第1节的物理模型.

2）物理条件

空气、冰、聚苯乙烯泡沫以及盛冰容器（高密度聚乙烯）的热物性参数见表2，混凝土墙体的密度为2，400，kg/m3，比热容为 840，J/（kg·K），导热系数为1.54，W/（m·K）；人员、净化装置等产生的热量作为内热源（整体按照 120，W/人处理［11］），设置面热源为91.6，W/m2.

表2　热物性参数Tab.2 Thermal parameters

3）初始条件

避难硐室内空气的初始温度设置为 28，℃，研究冰板厚度、布置方式和供氧方式对释冷效果的影响时，蓄冰板初始温度为-10，℃，研究蓄冰板初始温度对释冷效果影响时，冰板初始温度分别设为-10，℃、-15，℃、-20，℃.

4）边界条件

入口边界：送风口平均风速 2.78，m/s，温度按照避难硐室内的初始温度为 28，℃赋值；出口边界：回风口采用自然出流；壁面边界：紧挨巷道壁面取第三类边界条件，周围空气温度取 55，℃［11-12］，空气与墙面的表面传热系数取 10，W/（m2·K）；其他外壁面由于与土壤接触，均按绝热面处理.

2.3Fluent求解

采用 Fluent软件模拟蓄冰板释冷情况下避难硐室的温度变化和温度场分布情况.蓄冰板采用结构化网格；生存硐室采用尺寸函数进行网格划分；其他部分采用非结构化网格.

3　实验验证

3.1实验内容

验证实验在某模型小室进行，其目的是通过对比模型小室内监测点温度的实测值和模拟值，检验建立数学模型的准确性.小室尺寸：4.4，m×3.9，m× 1.75，m，内壁四周贴敷电热膜，作为壁面热源，如图4所示.将纯净水充注于蓄冰板［13］（尺寸 600，mm× 320，mm×50，mm，壁厚 2，mm，如图5所示），充注体积为 90%，放入冰柜冷冻至-10，℃，将蓄冰板有规律地放置在初始温度为 28，℃的模型小室中，观察模型小室内典型高度、位置的温度变化.

图4　释冷模型小室Fig.4 Model of energy releasing

图5　蓄冰板实物Fig.5 Real product of ISP

图6为验证实验模型小室内蓄冰板布置及监测点位置示意，每个监测位置布置 3个测点，分别距离地面300，mm、800，mm和1，400，mm，共计27个测点.

图6　蓄冰板和监测点位置分布Fig.6 Layout of ISP and monitoring points

3.2实测值与模拟值对比分析

将模型小室27个温度监测点的实验结果和模拟结果进行对比，选取最为典型的 E点的 3组实验数据进行分析，其温度变化曲线对比结果如图7所示.

图7　实验值与模拟值的温度对比曲线Fig.7 Correlation curves of experimental and simulated temperatures

从图7可以看出，大多数实验值高于模拟值0.8，℃，释冷初期温度实验值与模拟值最大偏差3.2，℃，这是由于模拟蓄冰板释冷过程较为理想，而实际工况比较复杂，不确定性因素较多.例如：搬运蓄冰板需要一定时间，门保持敞开状态，致使冷量会有一定的损失.从整体上看，理论模拟值与实验监测值吻合度较好，变化趋势基本保持一致.

表3列出高度为 800，mm时监测点温度实测值和模拟值的平均相对偏差和平均偏差.总体来看，各监测点平均相对偏差均小于 5%，说明建立的数学模型是准确、可信的，采用的模拟方法是可行的，可以用于进一步模拟分析蓄冰板释冷效果的研究.

表3　实验值与模拟值的偏差Tab.3 Deviation between experimental and simulated results

4　模拟分析结果

通过第 3节实验验证，说明数学模型可靠，采用Fluent模拟研究蓄冰板释冷效果可行.进一步研究蓄冰板应急释冷方案，为更好地观察模拟过程避难硐室内空气温度变化，硐室设置了 5个监测点，距离地面1，m，图8为各监测点分布示意.模拟分析结果如下.

图8　监测点位置示意Fig.8 Positions of monitoring points

4.1蓄冰板厚度对释冷效果的影响

3种厚度蓄冰板释冷时监测点温度变化如图9所示.对模拟结果进行分析，蓄冰板厚度为30，mm和50，mm时，监测点温度变化趋势基本一致.厚度为30，mm时，1，h内硐室温度偏低，最低可达 23，℃，2，h之后温度稳定在26.5，℃；厚度为50，mm时，1，h内温度最低达 25.5，℃，属于人员比较舒适的温度，而 2，h之后温度稳定在29，℃左右；厚度为70，mm时，1，h内最低温度达 26.5，℃，而 2，h之后温度稳定在 30，℃左右.

图9　3种厚度蓄冰板释冷时监测点温度变化曲线Fig.9 Temperature variation curves of monitoring points for ISP's energy releasing with three different thicknesses

从图9还可以看出，随着蓄冰板厚度增加，2,h后保持稳定的温度越来越高，说明蓄冰板越厚，释冷越缓慢，释冷效果越差，反之蓄冰板越薄释冷效果越好，但蓄冰板太薄又会导致避难硐室内温度较低.为了更清楚地解释上述现象，截取典型时刻（12，h）典型平面（x=4.25，m）的温度分布云图做进一步说明，如图10所示.

图10　典型时刻（12，h）典型平面（x=4.25，m）的温度分布云图Fig.10 Temperature contours of typical plane （x=4.25，m） at typical time（12 h）

由温度分布云图可知，在冰量体积相等的情况下，冰板厚度越小，其表面有效换热面积越大，换热越充分，释冷速率越快，在释冷过程的前阶段产生的温度梯度越大，并且某一时间段内避难硐室底部温度达到19，℃（厚度为30，mm的蓄冰板），一定程度上给人体造成不舒适感；相反地，蓄冰板厚度越厚，与周围空气的有效换热面积减少，换热不充分，致使释冷过程中避难硐室内的温度偏高.

通过温度分布云图上蓄冰板的内部温度还可以看出，30，mm厚的蓄冰板融化速度最快，虽然此厚度蓄冰板释冷效果最好，但是导致避难硐室内温度梯度很大，温度分层现象明显.对比蓄冰板内部温度的变化，12,h时 3种蓄冰板的内部温度依次为 22～26，℃、13～19，℃、1～4，℃.由此说明 70，mm厚的蓄冰板释冷缓慢，不能充分与周围空气进行热量交换，导致硐室内的温度偏高.综合考虑以上 3种厚度蓄冰板的释冷效果以及人体的舒适性，建议采用50，mm厚的蓄冰板作为冷源释冷.

4.2蓄冰板初始温度对释冷效果的影响

根据第4.1节模拟分析结果，确定最优蓄冰板厚度为 50，mm，保持其他参数不变，分别选取蓄冰板初始温度-15，℃、-20，℃，与第 4.1节的蓄冰板（厚度为50，mm，初始温度为-10，℃模拟结果做对比，研究蓄冰板初始温度对释冷效果的影响.3种初始温度蓄冰板释冷时监测点温度变化曲线如图11所示.

图11　3种初始温度蓄冰板释冷时监测点温度变化曲线Fig.11 Temperature variation curves of monitoring points for ISP's energy releasing with three different initial temperatures

对比图11中3种情况，可知蓄冰板的初始温度对典型监测点的影响不是很大.前15,min，蓄冰板初始温度越低，监测点的温度骤降幅度越大；但 2,h后，3种初始温度蓄冰板监测点温度均趋于稳定，监测点 1、2和3基本趋于28.8，℃，监测点4和5均趋于29.5，℃.

蓄冰板的潜热蓄冷量很大，释冷过程主要利用冰的相变潜热释冷，而蓄冰板初始温度对释冷效果的影响主要在于前30 min，初始温度越低，硐室内温度下降得也越低，而后硐室内温度的变化基本保持一致.因此，建议选择初始温度为-10，℃的蓄冰板，相比于更低初始温度的蓄冰板节能.

4.3供氧方式对释冷效果的影响

对于避难硐室而言，在满足人体对氧气需求的前提下，一般采用矿井压风供氧系统或高压氧瓶（即自备氧供氧系统），对这两种送风方式进行比较.图12为两种供氧方式监测点的温度变化曲线.

图12　不同供氧方式蓄冰板释冷时监测点温度变化曲线Fig.12　Temperature variation curves of monitoring points for ISP's energy releasing with different oxygen supply modes

随着释冷的进行，对于自备氧供氧系统，2,h后避难硐室温度稳定在 31.8，℃左右，相比于矿井压风供氧系统，监测点1、2和3温度相差3，℃，监测点4和 5温度相差 2.2，℃，这是因为没有送风的情况下，蓄冰板周围空气流动缓慢，对流换热强度小；10,h后，由于冰全部融化，温度大幅上升，并且自备氧供氧系统12,h后温度已达到38，℃，超出避难硐室设计的极限温度，不利于避难人员生存.

从图12还可以看出，自备氧供氧系统5个监测点的温度基本相差不大，这是由于硐室内的空气流动基本为自然对流，容易出现温度分层现象，所以导致同一平面的温度基本接近.因此，建议采用矿井压风系统进行补充氧气.

5　结　论

（1） 蓄冰板厚度越薄，与周围空气换热越充分，释冷的前一阶段产生的温度梯度越大，避难硐室内温度越低，但释冷时间短；而蓄冰板厚度越厚，换热不够充分，致使硐室内的温度偏高.因此，建议采用50，mm厚的蓄冰板作为冷源释冷.

（2） 蓄冰板初始温度对释冷效果的影响主要在于前30 min，初始温度越低，避难硐室内温度下降越低，给人员造成很大的冷感，而后硐室内温度的变化基本保持一致.因此，建议选择初始温度为-10，℃的蓄冰板，并且相比于更低初始温度的蓄冰板节能.

（3） 从不同的供氧方式看，在满足人体对氧气需求的前提下，矿井压风系统供氧方式蓄冰板的释冷效果更好，温度场更均匀，而自备氧供氧系统会产生明显的温度分层.因此，对于避难硐室的供氧方式而言，建议在条件适宜时首选矿井压风系统进行供氧.

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（责任编辑：田 军）

Numerical Simulation of Ice Storage Plate Emergency Energy Releasing Applied in Refuge Chamber

You Shijun1，Feng Bin1，Wang Jinli2，Zhang Huan1，Liu Shu3
（1.School of Environmental Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Tianjin International Machinery Group，Tianjin 300450，China；3. The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300142，China）

To guarantee the safety of personnel taking refuge after mining accidents， the temperature of the refuge chamber should be maintained between 20—30 ℃ and the maximum value should not exceed 35 ℃. In this paper ， a method was proposed using ice storage plate （ISP） as emergency cold source for refuge chamber cooling without power supply. Computational fluid dynamics （CFD） was applied to simulate and analyze different energy releasing schemes， which aims to determine the optimal solution. The simulation results imply that the thickness of ISP has a great influence on the energy releasing process. The excessively thick ISP is not beneficial for energy releasing while the excessively thin ISP causes over-fast energy releasing， which leads to low indoor temperature. This results indicate that the optimal thickness of ISP is 50 mm. The initial ISP temperature has little effect on energy releasing process，which reveals that the ISP energy releasing mainly depends on the latent heat of ice. Due to a larger air supply volume， the energy releasing effect with mine compressed air system is better than that with spare oxygen system， and the temperature distribution is more uniform.

refuge chamber；ice storage plate；emergency energy releasing；numerical simulation

TU831.6

A

0493-2137（2016）08-0841-07

10.11784/tdxbz201504072

2015-04-24；

2015-05-29.

由世俊（1955— ），男，博士，教授，yousj@tju.edu.cn.

冯 彬，fengbin@tju.edu.cn.

网络出版时间：2015-07-15. 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20150715.1128.001.html.