多火源状态下巷道烟气流动规律的数值模拟

黄 刚 ，王玉怀 ，赵启峰 ，张 军，张志科

(1.华北科技学院 环境工程学院，北京 东燕郊 065201；2.华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201)

多火源状态下巷道烟气流动规律的数值模拟

黄 刚1，王玉怀1，赵启峰2，张 军2，张志科1

(1.华北科技学院 环境工程学院，北京 东燕郊 065201；2.华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201)

为分析多火源对煤矿巷道火灾烟气流动的影响，以某矿一运输顺槽为研究对象，采用数值模拟软件FLUENT对单火源、双火源及三火源条件下巷道内烟气扩散过程与流动规律进行了数值模拟与分析，结果表明：多火源燃烧时火源之间存在强烈的相互作用，同时，火源之间的空气卷吸作用和热辐射反馈作用使得燃烧程度更为剧烈。

多火源；巷道火灾；烟气流动；数值模拟

Abstract: To analyze the effect of multi ignition on the fire smoke flow in coal mine roadway, a transport trough was taken as the research object and the numerical simulation software FLUENT was used to study the flue gas diffusion process and flow laws of single ignition source, double ignition sources and three ignition sources in roadway fire. The analysis results show that there is a strong interaction between the fire sources in the combustion of multi ignition condition, at the same time, the effect of air entrainment and heat radiation feedback between the fire ignition get the combustion more severe.

Keywords:multi ignition sources; fire of roadway; smoke flow; numerical simulation

0 引言

煤矿井下巷道一般纵深较长、结构复杂、空间狭小，一旦发生火灾，烟雾会迅速在巷道内蔓延，影响人员的疏散和救援。火灾产生的有毒有害烟雾是巷道火灾最容易引起群死群伤的因素，据统计，煤矿井下火灾过程中由于有毒有害烟雾中毒窒息死亡的人数占总人数的62.4%[1]。掌握火灾烟雾的流动规律是巷道火灾研究的关键所在。

目前对于煤矿巷道火灾的研究集中在对火灾时期风流的紊乱和火灾火源燃烧特性的研究。文献[2，3]通过分析水平巷道火灾烟流滚退时烟流与巷道壁间的热交换理论，得到烟流逆行距离的表达式，在理想气体状态方程等理论的基础上对表达式进行求解，发现滚退距离与火源基本参数、风速、巷道断面和巷道高度等均有联系；文献[4]对火烟羽流模型进行分析，导出了巷道火灾烟流滚退发生的条件式，并引出了2个可指导平巷火烟模拟实验的无量纲准则；文献[5]分析了两种烟气逆流发生条件的分析方法：滞止点受力分析法和逆流层厚度分析法，从而探讨出将烟气逆流层为0厚度的临界状态进行分析的一种新的烟气逆流发生的判定方法。针对火源燃烧特性的影响，文献[6]通过运用锥形量热计对木材和聚氯乙烯(PVC)、氯丁胶(CR)、PVG三种煤矿常用输送带进行燃烧特性实验，发现非阻燃的CR输送带最容易产生热害，而阻燃输送带的CO生成率则更大；文献[7]根据可燃物燃料的化学元素构成、热化学反应方程式、反应物和生成物的焓变以及燃烧时氧气浓度的变化规律，得到了求解燃烧时期任一时刻可燃物燃烧速率、释热速率和介质吸热率的表达式；文献[8]在单因素火灾实验的基础上，采用正交实验的方法对火焰长度和火源热释放率、火源直径及可燃物扩散率之间的关系进行了研究，发现火焰长度受火源热释放率的影响最大、风速和局部阻力系数的影响最小；文献[9]针对不同截面形状的矿井巷道，利用FDS数值模拟软件就常见的矩形、拱形、梯形和圆形巷道进行烟气蔓延、能见度、火灾温度和有毒有害气体浓度分布规律的数值模拟研究，得到不同截面巷道火灾参数的变化规律；文献[10-12]则采用计算流体力学软件FLUENT对火灾巷道烟流的变化规律进行了研究。

巷道火灾中多处火源同时起火现象很多，对巷道内多火源火灾烟流流动规律进行研究是必要的。本文利用数值模拟的方法，以某矿一运输顺槽为研究对象，对矿井巷道多火源火灾烟气流动规律进行了研究。

1 多火源燃烧

一般情况下当火灾发生后，正在发生燃烧的可燃物在外界风力或火旋风作用下会引起飞火从而造成火灾附近地域同时发生火灾，又或者是火灾发生后所造成的高温热辐射作用导致火源火焰向其临近的可燃性区域蔓延而形成新的多处火源[13]。一般情况下火灾多火源燃烧与单火源燃烧大不相同。从燃烧性质上看，多火源火灾实际就是非连续分布的可燃物同时被点燃后而形成的火灾场景。在多火源火灾的发展过程中，多个火源在燃烧时不仅受其各自的热辐射影响，还受周围其他火源的热辐射影响，从而很大程度地加快了可燃物的燃烧速度，使得燃烧程度更为剧烈，甚至可能造成火焰发生融合等特殊火现象的产生，进而最终导致区域大火的形成。图1是常见的单火源与多火源燃烧示意图。

图1 典型单火源与多火源燃烧示意图

2 CFD数值模拟

2.1 数值模拟软件

FLUENT是国际上流行的商用CFD软件包，包含基于压力的分离求解器、基于压力的耦合求解器、基于密度的隐式求解器、基于密度的显式求解器，并且具有很高的可信度，因此广泛应用于模拟矿井巷道火灾导致的烟气传播、蔓延等状况。其基本程序结构如图2所示。

本文采用FLUENT6.3软件对单火源、双火源、三火源矿井巷道火灾进行数值模拟，以便日后深入研究此类火灾热流场内烟气等流体的蔓延情况。

图2 FLUENT基本程序结构

2.2 基本假设

由于煤矿井下巷道内物理条件复杂，影响因素众多，为了使数值模拟能够更好的体现出多火源状态下胶带巷内火灾烟气的流动及其与温度等的关系，现做如下几点假设：

(1)巷道干燥且壁温在整个模拟过程始终保持恒定温度T=293K，巷道入口风流温度保持在T=293K；

(2)火灾产生烟流在巷道模型中视为理想流体，忽略巷道内空气由于受热膨胀的影响，烟气流动为均相、无化学反应的流动，固体、气体的物理特性参数视作常数，只考虑重力影响；

(3)本文主要研究火灾时期巷道内烟流的流动规律，因此不考虑具体的化学反应，仅模拟火灾产生高温烟气的流动，巷道火源简化为巷道中部一小长方体(1m×1m×0.5m)，并且保持以一定的速率释放出CO2、HCL、CO和C4H6等高温有毒气体混合物，假设燃烧体表面释放的高温烟气温度为1500K，另外火灾火源强度由火灾燃烧释放的烟气速度[14]来表示，并且在巷道通风气流中不存在热源、热汇等情况；

(4)所建立的巷道模型为水平光滑，忽略巷道内设备、管线的影响，不考虑巷道沿倾向或走向的坡度变化。

2.3 物理模型

结合某煤矿巷道的实际尺寸，选定其一运输顺槽作为模拟对象，模型的长度定为70 m，巷道为矩形断面，断面尺寸为5.6 m×3.7 m。任一单火源均为1 m×1 m×0.5 m的高温着火发烟区域，火源距风流入口最短距离为20 m且位置固定，具体物理模型如图3(a)所示。

2.4 边界条件

巷道墙体边界均设置为“CONCRETE”属性且绝热状态，巷道初始温度为293 K，当地大气压为101325 Pa，开口处相对压力为0 Pa。

2.5 巷道通风设置

从满足使巷道风流中的瓦斯、风速、温度及每人供给的风量符合《煤矿安全规程》等有关规定出发，巷道进风量在2500 m3/min，综合考虑进风速设为2.5 m/s，风流温度为293 K。发火地点设在靠近风流入口位置，巷道左入口作为进风口，右侧出口作为风流出口。

2.6 网格划分

在数值模拟实验中，网格的划分影响着实验的成败。本次模拟采用Gambit软件创建火灾烟气流动几何模型，进行网格划分,并且在受火灾烟雾影响较大区域处网格划分较密，在远离火源处网格划分则较疏。具体网格划分如图3(b)所示。

图3 CFD模型及网格划分示意图

2.7 火灾情景

为研究多火源对巷道火灾烟气流动的影响规律，分别模拟位于巷道中部区域单火源、双火源、三火源的火灾情景。各火源呈线性排列且距离均为1 m，具体见图4，其中l、w、h分别为巷道的长、宽、高，分别为70 m、5.6 m、3.7 m。

图4 模型视图

图5 火灾烟气温度及速度分布图(X=2.8 m)

3 模拟结果与分析

(1)图5(a)、(b)展示了单火源条件下巷道火灾烟气温度及速度的分布状况。由图可知，当巷道风速保持在2.5 m/s时，火源下游空气与燃烧所产生气体的混合热烟流的温度快速上升，在局部已经达到700 K，混合热烟流在下部出口的温度约为410 K，而火源上方巷道顶部温度已达到900 K，在火源前方5～10 m处依然会受到热烟流的影响，并且巷道上方温度最高达到580 K左右；混合热烟流在浮力的作用下竖直上升，当运动至顶棚后形成顶棚射流，在巷道风流的作用下主要沿顺风测蔓延。

巷道双火源火灾烟气蔓延如图5(c)、(d)所示，不同于单火源火灾，双火源之间存在相互作用。一方面火源之间的相互热辐射使得燃烧热量反馈加强，另一方面火源卷吸空气导致相互竞争空气，在巷道火灾流场内火源火焰之间会相互靠拢，速度矢量也呈逐步交会的趋势。当巷道风速保持在2.5 m/s时，火源下部混合烟流的温度较单火源状态下有所增加，且高温烟流的体积较单火源时增加明显，并开始出现温度梯度。火源下部出口部位的温度约为650 K，火源上方巷道顶端温度约为1000 K，较单火源时都增加明显，但是此时热烟流对巷道前方的影响较单火源时则呈减少趋势。

三火源巷道火灾烟气流动规律与双火源火灾情形类似，如图5(e)、(f)所示，此时整个巷道所蔓延的混合热烟流温度更高、体积更多，火源点上方巷道顶端温度达到1100 K，巷道内热烟流的温度梯度非常明显，高温热烟流影响区域更大；而且三火源燃烧对于空气卷吸的竞争比双火源燃烧要激烈，两侧火源火焰向中间火源聚拢，其产生的热烟流也有偏转指向中间火源的趋势。这是由于火源火焰受到热辐射流场的影响从而形成空间压力梯度，使得火源火焰会发生倾斜，高温区域也会相互靠拢，而且在一定条件下还会发生火焰融合现象。火源火焰发生倾斜后两侧空气由于卷吸所造成的压力差与浮力会达到平衡状态，多火源火灾将表现出大面积火灾的燃烧特征，并使得燃烧破坏程度加剧，此时混合热烟流对火源前方的影响则可忽略不计了。

图6 火灾烟气温度及污染物分布图(Z=1.5 m)

(2)以井下人员平均身高1.5 m计算，对Z=1.5 m处烟气温度和巷道污染物分布进行研究。

图6为三种火源条件下距巷道底板高度为1.5 m 处温度及巷道内污染物分布图，图中反映出烟气在横、纵两个方向的蔓延情况，火源附近横向温度由火源中心向巷道两侧逐渐降低；在单火源条件下，高温烟气向上运动至顶棚后沿巷道顶部运动，所以在距巷道底板1.5 m处的烟气温度并不是很高，随着距离火源的增大，污染物分布逐渐递减；在巷道中下部距火源8 m左右范围内烟气浓度较低，而在巷道中心距离火源17 m处污染物浓度突然增大，这是热烟气向上运动碰到巷道顶端后受到巷道顶端向下的反作用力和巷道风流共同作用的结果；(c)、(d)图展示了双火源条件下X=1.5 m处烟气温度与污染物的分布情况，此时在2.5 m/s的风速条件下烟气层无法保持完整性，而是形成分岔的高温烟气流沿着巷道两帮流动，形成所谓的烟气分岔流动现象[15]，在距离火源5 m左右处，局部烟流温度能达到860 K，而且高温烟流充满整个出口，出口烟流平均温度达530 K，而且此时污染物分布较单火源时密度增加，这对井下人员的处境极为不利；三火源时Z=1.5 m处烟气和污染物分布情况与双火源时类似，只是此时热烟流分岔现象更为明显，出口处附近热烟流温度更高，污染物分布更为密集。

4 结论

(1)本文以某煤矿一运输顺槽为研究对象，采用计算流体力学软件FLUENT进行了单火源、双火源和三火源矿井巷道火灾烟气流动的数值模拟，得到了巷道中截面处(X=2.8 m)和横截面(Z=1.5 m)处烟气的温度、速度和污染物分布等规律。

(2)根据单火源、双火源、三火源燃烧模拟情况，通过分析巷道中截面X=2.8 m和横截面Z=1.5 m处烟流温度、速度和污染物分布情况表明：三火源燃烧时，热烟流的分岔现象较双火源时更为明显；火源下方污染物呈层状分布；火源下方巷道受热烟流的影响区域较单火源、双火源时增大，而且此时热烟流还存在明显的温度梯度；三火源下方出口温度和火源上方巷道顶端温度较单火源、双火源时均增加明显，污染物分布也更为密集，对井下人员的逃生极为不利；不过三火源时热烟流对火源前方巷道的影响可忽略不计，而单火源、双火源时热烟流对火源前方的巷道有一定影响。

(3)三火源燃烧时火源间存在强烈相互作用，该相互作用导致多火源燃烧行为与单火源燃烧行为呈现显著差异。在多火源同时自由燃烧的火灾情形中，中间火源不仅受自身热辐射的反馈影响，而且受周围火源和空气卷吸受限的影响，从而导致火源自身及相邻火源的燃烧加剧，火灾产生的高温热烟流的蔓延规律也与单个火源条件下大不相同。从燃烧区域全局来说，其燃烧行为与火源数目密切相关。

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Numericalsimulationofsmokeflowundermultiignitionsourcesconditionincoalmineroadway

HUANG Gang1, WANG Yu-huai1, ZHAO Qi-feng2, ZHANG Jun2, ZHANG Zhi-ke1

(1.SchoolofEnvironmentalEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 065201,China;2.SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 065201,China)

TD75+2

A

1672-7169(2017)03-0034-07

2017-06-03

中央高校基本科研业务费项目(3142017019)

黄刚(1993- )，男，安徽池州人，华北科技学院在读硕士研究生，研究方向：矿井火灾防治技术。E-mail:firehg@sina.com