巷道火灾中烟气流动规律研究

苑金秒，张芳芳

（山西大同大学煤炭工程学院，山西大同037003)

巷道火灾中烟气流动规律研究

苑金秒，张芳芳

（山西大同大学煤炭工程学院，山西大同037003)

矿井火灾烟气蔓延，威胁着井下工作人员的生命安全。文章利用FDS软件模拟不同风速和不同火源位置下烟气蔓延特性，应用烟气温度、烟气浓度等参数，得到不同工况下烟气流动规律，结果表明：不同火源位置下，烟气流动差异很大；通风风速越大，火源上风侧烟气浓度越低，下风侧烟气聚集越多。

巷道火灾；烟气流动；温度；模拟

矿井火灾是矿井重大灾害之一，火灾烟流蔓延，威胁着井下工作人员的生命安全，高温烟流，在某些巷道内产生火风压，造成风流逆转及紊乱，扩大受灾的范围。Cheng等[1]编制了火灾模拟和人员疏散的软件MFIRE，建立应急通风机制，计算出安全疏散路线；李杰林[2]采用Airpak软件对自燃发火巷道烟气流动的规律进行了数值模拟，计算得出了火灾后巷道中的速度场、温度场、污染物浓度场等分布，揭示了烟气在时空上的流动规律、温度和浓度变化规律；范宁[3]用CFAST火灾模拟软件模拟了在不同风速、不同热释放速率情况下淮南洞山城市公路隧道火灾，研究了不同环境条件下的烟气层蔓延和温度场变化等情况；褚燕燕等[4]采用区域模拟的方法，对矿井巷道火灾烟气运动情况进行计算机数值模拟，掌握了矿井火灾烟气流动规律及烟气的分布状况等。国内外学者从不同角度研究了火灾中烟气流动规律，但很少有人涉及到不同风速和不同火源位置工况下烟气蔓延特性。

1 巷道火灾模拟

火灾过程的计算机模拟是在描述火灾过程的各种数学模型的基础之上进行的，本文选取场模型软件FDS对巷道火灾下烟气流动进行模拟研究。选取长度为100 m的水平单巷道为对象，巷道断面横截面积是边长为4 m的正方形，根据前期调研，正庚烷作为燃料，选取了常见的起火位置进行对比分析，火源分别位于距入口10 m、巷道交叉点、距出口10 m处，巷道平面布置，见图1。

图1 巷道平面及探测器分布

设置巷道几何尺寸为72 m×4.5 m×3 m和35 m×4.5 m×3 m，网络划分为288×18×12和18×120×12，单元格大小0.5×0.5×0.5，入口条件指巷道入口处风流速度（u,v,w），取值为（1～4 m/s,0,0），温度T=20℃。在沿巷道方向中轴线距离底板1.5 m处每隔20 m设置一个测点，图1中数字1～6标识了探测器所在位置，用以获取温度、浓度、能见度等参数。

2 火源位置对烟气流动的影响

图2 不同位置处烟气温度变化趋势图

图2所示为通风风速为4 m/s时，火源分别位于距入口10 m、巷道交叉点、距出口10 m处烟气温度变化趋势图。火源位于入口处时，烟气最高温度出现在2测点处，1测点的温度最低，3，4，5，6点温度变化趋势差异较小，这是由于巷道风速较大，很快的将燃烧产生的烟气吹散至巷道下游，致使2点的温度较高；而随着进一步深入巷道，风速逐渐降低，巷道内烟气分布较为均匀，烟气温度差异较小。火源位于交叉点处时，下风侧的测点随着燃烧的进行，烟气温度快速上升，在22 s时达到峰值71.8℃，而后出现扰动较大的温度变化，直至323 s，温度变化趋势趋于平稳，在38℃附近浮动，最终随着燃烧强度的降低趋于环境温度。火源位于回风口时，只有距离火源最近的6测点温度曲线有变化，1，2，3，4，5测点温度在整个模拟过程都保持在环境温度。可见，不同火源位置下，烟气流动差异性较大。

3 不同风速下烟气运动规律

图3 不同风速下烟气温度分布对比

图3为不同风速下巷道各测点烟气温度随时间的变化曲线。由图中可知，当通风风速为1 m/s时，各个测点温度变化趋势一致，均是随着燃烧的进行急剧升温，而后在燃烧平稳状态下保持相对稳定的高温，直至燃烧结束，温度缓慢降至环境温度。温度最高的点为3测点，即火源正上方，且最高温度为930.6℃，而且随着时间的推进，温度虽然有所波动，但是均维持在800℃，并最终在600 s时随着燃烧结束而骤降至环境温度。其余5个测点的温度曲线则比较低，温度曲线最高的4测点，其温度最高值仅为149.2℃，分别对各个测点温度曲线进行寻峰，得到其最高温度，见表1。

表1 1m/s时巷道各测点烟气温度峰值

从表1可以看出，当通风风速为1 m/s时，各测点温度值大小排序为3＞4＞1＞2＞5＞6，即随着距离的增加，烟气温度出现下降的趋势，且温度峰值出现的时间变长，比较特殊的是1点的温度较2点高，这可能是由于1测点更加接近进风口，烟气扩散至此处后出现积聚，导致温度上升，出现了较高温度。

4 结论

（1）火源位于入风口处时，巷道烟气蔓延速度快，分布相对均匀。下风侧各测点烟气温度、浓度和能见度等参数值差异不大；火源位于巷道交叉点处时，上风侧巷道受火灾影响很小，下风侧处烟气蔓延很快，各项参数指标差别较小；火源位于回风口处时，因为交叉点的风阻作用，只有接近火源的位置受到影响，上风侧其他位置各项指标正常。

（2）随着通风速度的提升，上风侧温度逐渐降低，直至在4 m/s时基本不发生变化；下风向的测点则随着风速的增加，烟气温度逐渐提升，直至在4 m/s时回风侧的温度达到巷道内最高。

[1]Cheng L P,Ueng Th,Liu C W.Simulation of ventilation and fire in the underground facilities[J].Fire Safety Journal,2001,36(6):597-619.

[2]李杰林.矿井自燃火灾烟气流动及热环境的数值模拟分析与评价[D].长沙:中南大学,2007.

[3]范宁.基于CFAST的狭长受限空间火灾模拟方法研究[D].淮南：安徽理工大学，2009.

[4]褚燕燕，蒋仲安.矿井巷道火灾烟气运动模拟研究[J].矿业安全与环保，2007，34(5):13-14,26.

A Study on Smoke Spread Law in Tunnel Fire

YUAN Jin-miao,ZHANG Fang-fang
(School of Coal Engineering,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037003)

Mine fire smoke spread,threatening the lives and safety of underground workers.In this paper,FDS software is used to simulate the features of smoke spread in different conditions of wind speeds and fire location.Applications parameters of smoke temper⁃ature and smoke concentration,we obtained smoke spread law under different conditions.The results show that:under different fire lo⁃cation,smoke flow varies greatly;the greater the ventilation velocity,the lower the windward side of the fire source gas concentration,the more downwind side of the flue gas aggregation.

tunnel fire;smoke flow;temperature;simulation

TD75+2

A

1674-0874(2016)05-0061-03

2016-05-08

苑金秒(1979-)，女，河北衡水人，助教，研究方向：土木工程。

〔责任编辑 王东〕