压风供氧状态下避难硐室污染物分布特性及热舒适性研究

汪 澍,金龙哲,杨 喆,黄志凌,李芳玮,欧盛南

(北京科技大学矿井避险技术研究中心,北京 100083)

压风供氧状态下避难硐室污染物分布特性及热舒适性研究

汪 澍,金龙哲,杨 喆,黄志凌,李芳玮,欧盛南

(北京科技大学矿井避险技术研究中心,北京 100083)

为确定井下避难硐室合理供风量,采用RNGκ-ε模型和SIMPLE算法,对某100人避难硐室压风供氧状态下,不同供风量、散流器布置方案、空载和载人时生存区的污染物净化时间、通风效率、污染物(CO,CO2)浓度场分布和人体热舒适性等进行了数值模拟分析,并与现场实测结果进行了对比。模拟结果表明,若硐室内CO体积分数偏高,供风量应不低于0.1 m3/(min·人),并配合使用净化药剂尽快去除;常规避难状态下,供风量减小至600 m3/h,配合局部通风措施,即可满足人员避险和热舒适性基本要求。

压风供氧系统;避难硐室;污染物分布特性;人体舒适性

氧气供给功能是避难硐室的基本保障之一。现有的供氧方式中,压风供氧方式除提供氧气外,还能同时除去有毒有害气体、温湿度,在操作性、成本、维护管理等方面具有很大优势,因此也成为目前使用较为普遍的一种供氧方式[1]。

避难硐室所需的供风量,文献[2-3]通过理论计算认为密闭空间人均供风量最低为6 m3/h,通过载人试验确定的满足最低生存需要的人均供风量为2.5 m3/h,考虑安全因素及人员活动情况的最低供风量为6 m3/h,与理论计算值吻合。

而压风供氧时,生存区内空气品质、热舒适性受供风量、散流器布置、回风口等诸多因素的影响,其影响规律难以通过实验获得。因此,笔者采用Fluent软件,对某100人避难硐室生存区内的三维湍流流动进行了数值模拟,得到了不同供风量、散流器数量、空载和载人条件下生存区的速度场、温度场、污染物(CO, CO2)浓度场分布,分析了不同送风工况污染物净化时间、通风效率、人体热舒适性等,并与载人试验结果进行对比,进而确定避难硐室供风量及合理的气流组织形式,本文研究结论对避难硐室压风供氧系统的设计具有重要的借鉴参考意义。

1 模型的建立

避难硐室生存区几何参数:长26.8 m,宽4.4 m,直墙高1.5 mm,半圆拱高2.2 m,内部设备包括压风控制柜、蓄冰空调、空气净化器、干燥箱、空气再生装置、氧气控制柜、电视、座椅等。为简化计算,模型未考虑照明灯、传感器等小型设备。

硐室回风口布置在两侧密闭墙上,内径300 mm,如图1所示。压风布气管路末端采用方形散流器(200 mm×200 mm),散流器沿硐室顶板中心线布置,气流出口距硐室地面2 800 mm;根据散流器数目不同,分为4种散流器布置方案(表1)。总供风量(Q)包括300,600,900,1 200,1 500,1 800m3/h共6种情况,布气管道按均匀布气考虑;入口气体为空气。

图1 避难硐室生存区示意Fig.1 Schematic of living chamber in refuge station

表1 散流器布置方案Tab le 1 Laying p lan of air diffuser

另外,本文的计算考虑了硐室空载和载人两种情况:①空载时,生存区内初始环境参数,2%CO2,400× 10-6CO、温度35℃,进风口为空气(25℃),监测计算区域内污染物浓度和温度的衰减情况;②载人时,人为空间内的污染源,散热量取120W/人[4],CO2排放量取0.5 L/(min·人)[5],未考虑人体散湿和其他微量气体代谢量;按人体坐姿50%分位数据[6],将人体简化成400 mm×900 mm×200 mm的立方体,均匀布置于坐凳上方,因同一排坐凳上人与人之间距离相对于整个计算空间比较小,计算时忽略不计[7];计算空间内CO2和温度的分布情况。

综上,本文共涉及8个计算模型。图2为5个散流器时的硐室生存区空载和载人计算模型。

图2 硐室生存区计算模型(5个散流器)Fig.2 Calculationmodel of living chamber

为简化计算,对所有模型做如下假设[8-9]:①生存区内空气不可压缩;②流动为稳态湍流;③不考虑墙体和设备等的辐射换热、对流换热;④不考虑外界传热;⑤除散流器和回风口,生存区气密性良好;⑥送风口处气流速度、温湿度均匀。

2 边界条件和数值求解方法

模拟选用RNGκ-ε模型,采用SIMPLE算法求解离散控制方程,浓度场的计算采用彼此不发生化学反应的多重组分运输模型。边界条件采用壁面函数法处理[1015]。

(1)入口边界条件。设置为速度入口,入口气流温度(Tin)25℃,κ=0.04,ε=0.008[16]。

(2)出口边界条件。设置为压力出口,出口压力为101.325 kPa,κ和ε自由滑动。

(3)壁面边界条件。硐室的外部防护结构要求能够抵御外界高温,具备较强的隔热性能,且硐室所处的巷道无热害影响,因此所有固体壁面视为绝热壁面。

(4)污染源。载人情况下,将人体设置为污染源,本文模拟暂时只考虑了CO2和热量两种污染物。人体散热选择第3类边界条件[17]。

3 数据处理方法

为直观对比各送风工况的送风效果,在计算区域内选取人体呼吸平面(坐姿),即Y=1 200 mm高度平面,在该平面内设置了108个监测点,点之间间隔1 000 mm(图3),其中4个星标点为现场实验时设置的监测点;输出各监测点的风速、浓度、温湿度值,依据评价指标对数据进行处理,具体处理方法如下。

图3 计算区域测点布置Fig.3 Measuring point position of computation region

3.1 空载试验模拟

3.1.1 净化时间tp

结合实际情况,定义计算区域内污染物平均浓度降至允许值所用时间为净化时间tp,具体为CO2体积分数从2%降至0.3%,CO体积分数从400×10-6降至24×10-6。

3.1.2 风速不均匀系数ku

用于评价计算区域内风速的差异[7],公式为

式中,ui为第i个测点风速,m/s;为各点风速的算术平均值,m/s;σu为各点风速的均方根偏差;n为总测点数。

3.2 载人试验模拟

3.2.1 通风效率εt和余热排放效率ηt

通风效率εt和余热排放效率ηt的计算见式(2)和(3)[7],其中通风效率选取CO2为示踪气体。

3.2.2 人体热舒适性

选取预测评价投票数PMV(PMV)和预测平均不满意百分比PPD(PPD)量化人体热舒适性感觉,计算公式见式(4)和(5)[7]。

式中,M为人体新陈代谢率,取80W/m2;W为人体所做的机械功,W/m2,取0;Icl为服装热阻,取0.138(m2· K)/W;fcl为服装面积系数,取1.27[18];T为当地的空气温度,℃;Tcl为衣服外表面温度,℃,按式(6)计算; Tr为平均辐射温度,℃;hc为衣服与空气之间的表面传热系数,W/(m2·℃),按式(7)计算;Pa为水蒸气分压力,Pa;u为空气流速,m/s,若u＜0.05 m/s,则计算时取u=0.05 m/s。

4 模拟结果分析

4.1 空载试验数值模拟结果

4.1.1 污染物净化时间

图4 不同送风工况下污染物净化时间Fig.4 Contaminant purification time under different ventilation conditions

以供风量Q为横坐标、污染物净化时间tp为纵坐标绘制曲线(图4)。空间内污染物的净化时间tp与总供风量Q和单个散流器服务区域长宽比λ有如下关系:随Q增加,tp减小,但减小趋势逐渐变慢;随λ减小,tp减小,即相同供风量条件下,散流器布置越多,污染物净化越快。本文涉及的送风工况中,在气流组织形式设计合理的情况下,供风量高于1 500 m3/h时,CO2体积分数可在20 min内由2%降至0.3%;而CO净化时间最短为21.93 min。因此,当避难硐室内积聚了大量CO气体时,需要配合催化药剂予以去除。

4.1.2 风速不均匀系数

因散流器位置较高,各送风工况下风流到达人体呼吸平面时的风速在0.02～0.41 m/s;取人附近的52个监测点,计算风速不均匀系数(图5)。对比可以看出,布置13个散流器时,ku最低且受供风量影响小;其余3个方案中λ接近1时ku稍低。

图5 不同送风工况下风速不均匀系数Fig.5 Non-uniformity coefficient of air speed under different ventilation conditions

4.1.3 污染物分布规律

以CO为例,图6分别给出了通风量为1 800m3/ h时,A(5个散流器)、B(13个散流器)两种工况下的分布云图(人体呼吸平面)。A工况散流器出口风速大,空间内紊流现象明显,CO在回风口、两散流器中间、近墙处等区域体积分数偏高;B工况下,计算区域内CO体积分数分布比较均匀,且净化时间较A工况快。

图6 CO体积分数分布规律Fig.6 Carbonmonoxide concentration distribution

上述结果说明,散流器越多,污染物去除效率越高,且能有效减小局部区域有害气体的富集现象。但在实际应用中,散流器个数增多,将加大硐室内均匀布气管道的设计难度,甚至可能出现管道变径非常不合理的设计结果。一般来说,单个散流器所服务的区域,以正方形或接近正方形为宜;当服务区域长宽比大于1.25时,宜选用矩形散流器。设计时可遵照此原则,并结合现场实际确定合理的散流器布置方案。

图7 不同送风工况的稳态计算结果Fig.7 Steady simulation results of different ventilation conditions

4.2 载人试验数值模拟结果

4.2.1 通风及余热排放效率

图7为不同送风工况下稳态时的CO2平均体积分数cm、平均温度Tm、通风效率εt和余热排放效率ηt变化情况。可以看出,λ越小,Q越大,cm和Tm值越小;当Q增大,εt和ηt值反而降低,且Q增大到600 m3/h后,ε和ηt基本不再随Q变化,这是因为硐室生存区的回风口为DN300 mm的管道,排风能力有限,新鲜风流没有完全发挥其排污能力。当供风量为300 m3/h时,λ为0.91时εt和ηt最高,λ为1.14时最低,说明合理的气流组织形式有利于提高通风效率。

4.2.2 人体热舒适性

图8为各计算工况的人体预测平均不满意百分比变化情况,可以看出,PPD受供风量Q的影响更大,当Q增加到600 m3/h后,PPD受散流器服务区域长宽比λ的影响很小,曲线几乎重合。这是因为各工况的平均温度在25.8～26.6℃,相差不到1℃,此温度范围内,Q增大会使人体感到较强的“吹风感”,舒适度感觉随之增强。供风量为600 m3/h时,大部分区域的PMV值在1.0～1.3,人体感觉稍暖,此通风量已基本能够满足硐室生存区内热舒适性的要求。

4.3 载人现场试验与模拟结果对比

现场压风供氧载人试验分为2个阶段:第1阶段供风量为600 m3/h,持续60 min;第2阶段供风量为300 m3/h,试验时长90 min。4个监测点温度T和CO2体积分数c(CO2)的实测值、计算值及误差见表2。数据显示相对误差较小,计算结果和实测结果吻合较好,说明本文建立的模型、选取的模拟方法是合理的。

表2 载人试验实测值与计算值Table 2 Com parison betw een experimental results and simulation results of manned experiment

图8 不同送风工况下人体预测平均不满意百分比PPDFig.8 Predicted percentage of dissatisfied under different ventilation conditions

图9是供风量为600 m3/h时人体呼吸平面处CO2体积分数、PMV值的模拟结果。中部人员聚集处CO2体积分数稍高,在0.30%～0.36%;靠墙座椅背部区域,因空气流动性较差,PMV值较高;其余区域PMV值分布均匀,人员集中处在1.3左右,即60%的人将感觉舒适。可适当采取局部通风措施,加强空气流动,提高热舒适性。

图9 供风量600 m3/h时的模拟结果Fig.9 Simulation resultswhen supplying forced air at a rate of 600 m3/h

5 结 论

(1)生存区内充满2%CO2和400×10-6CO时,供风量越大、散流器布置越多,污染物净化越快,且能减少墙角等区域污染物的富集;而实际应用中,散流器个数的增多将增加均匀布气管道的设计难度,因此散流器个数应结合现场实际情况确定,一般散流器服务区域长宽比为1或接近1为宜;当服务区域长宽比大于1.25时,宜选用矩形散流器。

(2)本文涉及工况中,供风量高于1 500 m3/h时,生存区内CO2体积分数可在20 min内由2%降至0.3%;而CO体积分数由400×10-6降至24×10-6的时间最快为21.93 min(此时供风量为1 800 m3/h),且CO易在回风口、两散流器中间、近墙处等区域集中。

(3)载人时,受硐室回风口排风量的限制,供风量增大到600 m3/h后,通风及余热排放效率基本保持不变;CO2体积分数在人员聚集处稍高。

(4)人体热舒适性感觉主要受供风量影响,供风量为600 m3/h时,人员集中处PMV值在1.3左右,即60%的人将感觉舒适,基本能够满足要求。

综上,笔者认为灾变情况下,若硐室内CO体积分数偏高,应采用不低于标准值的供风量,即0.1 m3/(min·人),并配合使用净化药剂,尽快去除CO;而在常规避难状态时,供风量为600 m3/h时,生存区内CO2浓度和热舒适性即可满足要求,也可适当采取局部通风措施,加强空气流动,进一步改善人员集中处的热舒适性。

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Study on air distribution characteristics and hum an therm al com fort of the refuge station under forced air supp lying condition

WANG Shu,JIN Long-zhe,YANG Zhe,HUANG Zhi-ling,LIFang-wei,OU Sheng-nan

(Mine Emergency Technology Research Center,University ofScience and Technology Beijing,Beijing 100083,China)

In order to confirm reasonable air supply volume for refuge station in underground mine,the contaminant purification time,contaminant distribution(including CO and CO2),ventilation efficiency,and human thermal comfort of unmanned/manned experiments under different ventilation conditionswere numerical simulated through RNGκ-ε model and SIMPLE method.The calculating results were compared with experimental ones then,and basically matched.The simulation results indicate that the forced air should supply no less than 0.1 m3/min per person in the scenario of high CO concentration inside the living section,and purification agent are recommended for use to accelerate purification process;when in normal refuge state,the basic request for both health and thermal comfortcan be satisfied by supplying forced air at a lower rate of 600 m3/h,with local ventilation.

forced air supply system;refuge station;contaminant distribution;human thermal com fort

TD711

A

0253-9993(2014)07-1321-06

汪 澍,金龙哲,杨 喆,等.压风供氧状态下避难硐室污染物分布特性及热舒适性研究[J].煤炭学报,2014,39(7):1321-1326.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1160

Wang Shu,Jin Longzhe,Yang Zhe,et al.Study on air distribution characteristics and human thermal com fort of the refuge station under forced air supp lying condition[J].Journal of China Coal Society,2014,39(7):1321-1326.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1160

2013-08-13 责任编辑:毕永华

“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2012BAK09B07)

汪 澍(1988—),女,安徽绩溪人,博士研究生。E-mail:ustbwangshu@hotmail.com