全矿反风风速对硐室火灾烟气影响的数值模拟
2022-05-20李雯静邱立强任大军
李雯静,邱立强,任大军
(1.武汉科技大学 资源与环境工程学院,湖北 武汉 430081;2.冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室,湖北 武汉 430081)
矿井硐室火灾发生后,及时采取合适的全矿反风风速能有效地防止火灾烟气蔓延。矿井常采用反风演习核算风量[1-4],但频繁的反风演习会影响正常的生产秩序,造成工作延误、矿山经济损失和较高成本。目前国内外已有许多学者基于CFD应用于矿井火灾数值模拟研究[5-16]。
利用FDS软件构建井底车场硐室火灾场景模型,对4种不同全矿反风风速(1.0、1.5、2.0、2.5 m/s)下的矿井火灾进行动态模拟,研究巷道内烟气浓度和能见度变化规律,分析不同反风风速的可行性,确定合适的反风风速。
1 矿井火灾场景模型
1.1 巷道模型构建
利用FDS软件构建的矿井巷道三维模型如图1所示。
图1 矿井巷道三维模型
由于FDS软件中的基本形状只能是长方体,因此需要对模型进行如下简化:
1)火灾发生于井底车场硐室,硐室尺寸为4 m×4 m×3 m。
2)水平巷道采用矩形断面,其断面尺寸为3 m×4 m,长为200 m。
1.2 火源设置与探测设置
边长为1 m的正方形火源位于硐室中部,其气相反应类型为正庚烷。根据相关学者对硐室火灾数值模拟研究[17],热释放速率选择为20 MW。采用t2火灾模型描述矿井火灾发展过程,并在100 s时火源热释放速率达到最大。
人员疏散逃生口鼻处的高度接近于1.6 m[18],因此在硐室左侧选取4个探测点(L1、L2、L3、L4),均位于x方向的巷道对称轴上,在y方向间隔 20 m,在z方向距巷道底板1.6 m。右侧4个探测点(R1、R2、R3、R4)布置与左侧探测点布置相同。在这 8个探测点设置烟气浓度探测器,同时在y=8 m平面设置烟气能见度切片。
1.3 网格尺寸划分
网格尺寸参数的设置直接影响模拟结果的精确程度[19]。网格敏感性分析表明:网格尺寸d与特征火焰直径D有关,网格尺寸的经验值为特征火焰直径的较为合适,当网格尺寸d=0.1D和0.2D时,模拟效果最佳[20]。特征火焰直径D计算公式如下:
(1)
式中:Q为火源的热释放速率,取20 000 kW;ρb为空气密度,取1.2 kg/m3;cp为空气比热容,取1 kJ/(kg·K);Tb为环境空气温度,取293 K;g为重力加速度,取9.81 m/s2。
当d选0.01 m或0.02 m时,模拟时间过长。本模型考虑在合适的模拟时间内,采用多种网格(0.75、0.50、0.25、0.10 m)进行模拟。经对比发现,当网格尺寸为0.25 m和0.10 m的烟气浓度(体积分数,下同)曲线较接近,如图2所示。因此选择0.25 m×0.25 m×0.25 m作为该模型的网格尺寸。
图2 不同网格尺寸下L1探测点的模拟结果
1.4 矿井通风模拟
根据巷道通风措施,将矿井通风模拟分为3个过程:
1)正常通风。在0~150 s,巷道内通风风速为2.0 m/s。
2)无通风。在150~450 s,巷道内没有通风风流。
3)反风通风。在450~600 s,矿井采取4种不同反风风速措施,其通风方向从左到右,如图3 所示。
图3 矿井反风示意图
2 数值模拟结果与分析
2.1 巷道左侧烟气分析
位于硐室左侧4个探测点(L1、L2、L3、L4)的烟气浓度随时间(450~600 s)的变化曲线如图4所示。图4中在450 s时4个探测点烟气浓度都约为0.02%,说明模拟结果较稳定。
(a)L1探测点
1)当反风风速为1.0 m/s时,烟气浓度在探测点L1、L2和L3处不断增加;而在L4处先从0.02%减小到0.01%,后又增加到0.02%。由于在1.0 m/s时反风风速较小,产生的反风风压小于火风压,造成巷道内风流紊乱,并在L4处烟气出现明显回流现象。此时风流方向未发生改变。
2)当风速为1.5、2.0、2.5 m/s时,烟气浓度先上升后下降,且降速随反风风速的增大而增大,此时风流方向发生改变。
3)为确保反风措施经济性和可行性,初步确定反风风速为1.0~2.0 m/s较合适。当在1.0~1.5 m/s反风风速下,硐室左侧的烟气浓度可能会增高,并不能确定烟气流向是否改变;而当反风风速为1.5~2.0 m/s 时,烟气浓度在L3和L4处最终趋近为0。因此反风风速确定为1.5~2.0 m/s。
2.2 巷道右侧烟气分析
位于硐室右侧4个探测点(R1、R2、R3、R4)的烟气浓度随时间(450~600 s)的变化曲线如图5 所示。
(a)R1探测点
1)当反风风速为1 m/s时,在探测点R2、R3和R4位置烟气浓度在0.02%上、下波动。此时反风对硐室右侧的风流影响较小,巷道内的烟气浓度保持不变。
2)随着巷道内的反风风速增大,烟气从硐室左侧流向右侧,右侧烟气浓度快速增大。由图5(d)可知,在反风风速1.5、2.0、2.5 m/s条件下,R4探测点烟气浓度均先在0.02%上、下波动,再快速增高,之后缓慢下降,且反风风速越大,烟气浓度越先下降。说明在反风风速1.5、2.0、2.5 m/s条件下,硐室左侧烟气排出,硐室右侧的烟气量先增加后减少。
2.3 巷道能见度
在矿山巷道内能见度是影响矿井人员的救援和逃生的主要因素。在600 s时不同反风风速条件下,y=8 m 平面能见度对比如图6所示。
图6 巷道y=8 m平面能见度
由图6可知,在450 s时的反风初始时段整个巷道内能见度约为0 m。在600 s时,当反风风速为 1 m/s 时,巷道内能见度变化较小,与450 s时相差不大;随着反风风速增大,巷道内能见度不断增高;当反风风速为2.5 m/s时,硐室左侧巷道内能见度为30 m。由此可确定巷道内临界风速为2.5 m/s。若人员采取救灾救援措施,矿井反风风速需确保大于临界风速(2.5 m/s)。
3 结论
通过FDS软件模拟了4组不同全矿反风风速下矿井火灾场景,得到各反风风速下烟气浓度和能见度变化规律,分析得出如下结论:
1)矿井反风风速不应小于1.0 m/s,否则巷道风流会紊乱,烟气存在明显回流现象;随着反风风速增大,巷道进风侧风流方向开始反转。为确保巷道的反风措施有效和经济,本模型反风风速选为1.5~2.0 m/s较为合适。
2)当矿井反风风速小于1.0 m/s时,硐室右侧巷道内烟气的浓度保持不变,不受反风的影响;而当反风风速为1.5、2.0、2.5m/s时,硐室右侧烟气浓度不断增高。
3)巷道内的能见度随着反风风速的增大而增高。若事故需救灾救援,反风风速应大于临界风速 2.5 m/s。