CN109508501A - 矿井外因火灾的数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种矿井外因火灾的数值模拟方法，包括如下步骤：模型的建立；网格的划分；火源燃烧模型的确定；初始条件设置；边界条件设置；输出参数的确定。该矿井外因火灾的数值模拟方法可以最低成本最高效率的研究各种不同工况下的外因火灾情况，从而控制并减少矿井火灾、瓦斯爆炸等重大恶性事故的发生。

Description

矿井外因火灾的数值模拟方法

技术领域：

本发明涉及煤矿火灾防治技术领域，尤其涉及一种矿井外因火灾的数值模拟方法。

背景技术：

近年来，世界各地都发生过矿井外因火灾。巷道属于狭长受限空间，一旦发生火灾，内部温度较高，热量不易消散，烟气扩散与人员疏散通道单一，火灾扑救和人员疏散极为困难，往往造成重大的人员伤亡和财产损失，因此需要研究人员对外因火灾进行科学深入的研究。巷道外因火灾研究的主要方法有全尺寸研究法、实验室实验法(缩尺模型)、计算机数值模拟等几种方法。全尺寸火灾实验研究由于运作成本高昂实验数量受到限制，而模型实验研究虽然能够有效降低实验成本，但是模型比例受到火灾相似理论可靠性的制约，实际上尺寸范围非常有限，即以现有的技术条件巷道燃烧火灾强度范围有限。

逆流层现象是在火灾模型试验中发现的。在风速较低而燃烧强度较大的巷道火灾试验中，燃烧过程中出现了巷道顶板附近的烟流逆风流方向流动的现象，即新鲜风流与烟气流分层流动，在巷道同一断面上，形成下部新鲜风流向火区方向流动，上部烟流逆风流方向流动的情况，这种现象称为火灾烟流逆流层现象。针对巷道火灾中出现的烟流的逆流层现象，国内外学者提出了“临界风速”的概念。烟气逆流层通常可以通过增大风速的方法消除，能够恰好消除烟气逆流层的风速称为临界风速。现有研究结果表明，当巷道内存在较高的纵向风速时，可以有效地将烟气控制在火源的一侧，从而有助于求援人员靠近火区实现灭火，但当纵向风速过大时，不仅设备投资增大，而且加快了气流的紊乱程度，在较短的时间内破坏了烟气的分层贴附现象，使巷道断面提前充满烟气，不利于火源下风向人员的疏散。采用临界风速控制烟气的流动，既能防止上游逆流的烟雾危害和阻塞车辆与行人，又能延长烟雾在巷道顶壁的贴附时间，避免烟雾在下游扩散太长的距离，从而增加人员疏散时间和安全性。因此，研究巷道火灾时临界通风风速具有重要的意义。

发明内容：

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种矿井外因火灾的数值模拟方法，可以最低成本最高效率的研究各种不同工况下的外因火灾情况，从而控制并减少矿井火灾、瓦斯爆炸等重大恶性事故的发生。

根据实际情况，为简化问题的复杂性，作如下的假设：

(1)在巷道内流动过程中，燃烧产生的高温烟流在不再发生化学反应；

(2)发生火灾前巷道内风流为充分发展的紊流流动，风流温度均匀；

(3)火灾产生的烟流视为多组分理想气体，风流及烟流遵循理想气体状态方程；

(4)巷道壁面温度等于围岩冷却带温度，壁面干燥无渗透，且火灾期间保持恒温。

采用FDS进行火灾条件下矿井安全相关因素的模拟研究，FDS软件属于场模拟软件，是以大涡模拟(LES)为基础的三维计算流体力学软件(CFD)。其采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的N-S方程，重点计算火灾中的烟气和热传递过程。

火灾条件下的流场与浓度场的基本方程如下：

连续方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

组份守恒方程：

因此，本发明提供一种矿井外因火灾的数值模拟方法，包括如下步骤：

(1)模型的建立：设置模型巷道的几何尺寸，巷道断面设置为矩形；

(2)网格的划分：划分计算域不同尺度的网格，检验计算结果对网格的依赖性；

(3)火源燃烧模型的确定：采用FDS的/RAMP..命令对试验中火源热释放速率的发展曲线进行逼近，采用单位面积的热释放速率参数/HRRPUA.，命令输入火源热释放速率的最大稳定值；

(4)初始条件设置：假定在初始时刻(t＝0)巷道内各处：初始压力为1.01325×105Pa，x，y，z方向的初始速度均为0，初始温度为20℃，重力加速度为

-9.81m/s²；

(5)边界条件设置：设置巷道入口条件、巷道出口条件及巷道壁面条件；

(6)输出参数的确定：确定不同位置、不同工况下发生火灾时的烟气浓度、温度的分布及能见度。

在本发明一较佳实施例中，步骤(1)中，设置模型巷道的几何尺寸为200m×4m×4m。

在本发明一较佳实施例中，步骤(2)中，划分为3中不同尺度的网格，方案A：550×24×20；网格个数：26.4万，方案B：275×12×10；网格个数：13.2万，方案C：275×24×20；网格个数：3.3万。

其中，步骤(5)中，设置巷道入口条件包括：

设置入口处风流速度(u.v，w)，取值为(1.2～1.8m/s，0，0)，温度T＝20℃；

设置巷道出口条件包括：

设置摩擦阻力：

巷道为锚杆支护，得巷道摩擦阻力系数α×10⁴的取值范围为：78.4～186.2Ns，因此可取α×10⁴＝100Ns，

轨道巷的摩擦阻力为：

设置局部阻力：巷道的局部阻力取0.2～0.5倍摩擦阻力；

设置巷道壁面条件包括：

壁面材料：

设为钢筋混凝土层，厚度为800mm，钢筋混凝土层外部是岩石层，为恒温条件，温度为20℃，在墙壁上的切向速度为零；

温度与焓：

在墙上热传导是热交换方式，假定壁面外温度为定值，通过壁面的传热系数为1.16w/m2·K；

化学组分：

某组分在墙上的浓度取决于质量和化学成分的渗透介质渗透速度，烟雾扩散系数为零；

湍流参数：

对于湍流动能K和组分C，采用在壁面处扩散通量为0的边界条件为：

本发明的有益效果是：该矿井外因火灾的数值模拟方法可以最低成本最高效率的研究各种不同工况下的外因火灾情况，从而控制并减少矿井火灾、瓦斯爆炸等重大恶性事故的发生。

附图说明：

图1为巷道火灾的热释放速率的曲线图；

图2为火源上风向和下风向气体平均温度对比的曲线图；

图3为不同区段平均能见度对比的曲线图；

图4为临界风速与热释放速率的关系的曲线图。

具体实施方式：

下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例：

首先选取几何模型及火灾场景，模拟巷道尺寸为400m×10m×10m，断面采用矩形，火源点在距巷道入口200m处，尺寸为1m×1m，采用稳态火源的方式，通风机设在巷道入口处。巷道尺寸及部分计算参数如下表所示：

巷道内火灾较为常见的当属车辆火灾。根据瑞士及挪威测得的热量释放量估算出单个无轨胶轮车大火所产生的热量可达3～5MW。

第一步：模型的建立

由于岩性、地压大小、以及服务年限的不同，巷道断面分为矩形，梯形，及各类拱形等，但巷道为典型的狭长受限空间，其宽度、高度与长度相比可以忽略，在矿井外因火灾模拟中，主要研究目标为矿井内烟流、温度、可见度等在一维巷道内的分布以及流动情况，断面的形状对烟气一维流动影响并不大，考虑到网格的多少与计算时间成负相关，巷道断面可以设置为矩形，这样大大减少了考虑断面时较多的网格设置，又能整体上反映火灾发展的情况，从而将时间更多的运用在有效的计算上。该模拟中设置巷道几何尺寸为200m×4m×4m。

第二步：网格的划分

在FDS数值模拟中，计算区域的网格分布取值很关键，一方面，为了更准确的描述计算区域中所有物理量变化，必须尽可能使网格尺度足够的密，若网格系统分布太过稀疏，将可能造成流场的分布无法正确描述，甚至产生的结果不合理，另一方面，网格过密，将造成网格数目太多，又会消耗过多的时间，计算资源需求过高，需要兼顾计算机的配置；因此，如何适当的划分计算域的网格，就显得尤为重要，本发明设置了如下的3种不同尺度的网格，来检验计算结果对网格的依赖性：

方案A：550×24×20；网格个数：26.4万

方案B：275×12×10；网格个数：13.2万

方案C：275×24×20；网格个数：3.3万

同时，由于火羽流及其附近区域存在较为强烈的流动，对火源附近区域的网格进行了局部加密处理，火源区网格尺寸为正常尺寸的一半。模拟计算在一台CPU频率为1.86GHZ、DDRZ双通道内存容量为4G的计算机上进行，随着网格的加密，火源上方羽流及拱顶边界处的湍流细节被更好的反映出来，方案A和方案B下，这种湍流细节反映较好，其中方案A已基本反映出了羽流的卷吸结构和形态以及羽流撞击到拱顶后贴壁向下运动最后又被卷吸回羽流的大涡结构。在FDS中，CFL数的收敛临界判据值为1，计算过程中，CFL数始终小于1，而计算的稳定时间步长为0.0025左右。

对于单一巷道，网络划分为800×16×16，单元大小0.25×0.25×0.25，网格单元的数量为20.48万。

第三步：火源燃烧模型的确定

在研究火灾时热释放速率是一个很关键及重要的参数，该参数描述的是火灾过程中能量释放的变化过程，因此对火灾过程的其他重要参数比如温度、速度、压力、火焰长度、辐射、火焰传播、火灾的持续时间等有重要的影响，是火灾的决定因素。进行模拟计算与试验结果的对比时，一个重要的模拟计算基础就是输入的火源热释放速率要跟试验中的一致，本模拟计算采用FDS的/RAMP..命令对试验中火源热释放速率的发展曲线进行了逼近，采用单位面积的热释放速率参数/HRRPUA.，命令输入火源热释放速率的最大稳定值。

热释放速率(HRR)，是指在火灾过程中正燃烧的材料或物品在单位时间内放出的热量，单位kW。火灾过程中火源的热释放速率是评价火灾危险性的重要参数，其大小直接决定了火灾燃烧热强度的大小，体现了火灾放热强度随时间的变化，从而影响矿井火灾的规模、烟气蔓延的情况、烟气的温度和浓度分布、烟气量的多少以及烟气和空气的流动状况等，是火灾分区形成的主要控制因素之一，也是进行火灾模拟研究的一个基础参数。火源热释放速率的确定有多种，目前主要采用的有质量损耗率法和量热计法。量热计法又分锥形量热计和家具量热计法，对模型火灾实验，大多采用质量损耗率法，中小型火灾实验时，可采用锥形量热计法。

在实际火灾条件下，燃烧物的热释放速率受很多因素影响，如燃烧物的各类、燃烧完全程度等，也是时间的函数。而燃烧物的燃烧完全程度受空间尺度、烟气流动和新鲜空气的补充情况、燃烧物的含水率等因素的影响。煤矿井下特殊狭长受限空间下热释放速率就不应按地面敞开空间火灾燃烧过程的热释放速率来计算和设定。

有许多学者致力于该参数的研究，本发明采用Rickard Hansen测得的隧道材料燃烧曲线，巷道火灾的热释放速率如图1所示。

第四步：初始条件设置

火灾过程中，烟气的流动为非定常过程，假定在初始时刻(t＝0)巷道内各处：初始压力为1.01325×105Pa，x，y，z方向的初始速度均为0，初始温度为20℃，重力加速度为-9.81m/s²。

第五步：边界条件设置

边界条件影响计算结果的准确性，火灾烟气流动涉及的边界条件有：巷道入口条件，巷道出口条件及巷道壁面条件等。

①入口条件

入口条件指巷道入口处风流速度(u，v，w)，通常取值为(1.2～1.8m/s，0，0)，温度T＝20℃。

②出口条件

巷道出口为压力出口，因为巷道通风一般为负压通风，所以考虑巷道负压，不仅要考虑沿程阻力，也得考虑局部阻力。

摩擦阻力：

巷道为锚杆支护，查表得巷道摩擦阻力系数α×10⁴的取值范围为：

78.4～186.2Ns，因此可取α×10⁴＝100Ns。

轨道巷的摩擦阻力为：

局部阻力：

局部阻力可以按照公式和查表计算，也可以根据巷道的阻力大小和摩擦阻力进行估算。一般情况下，巷道的局部阻力取0.2～0.5倍摩擦阻力，100m巷道为1.0Pa。

③巷道壁面条件

壁面材料设为钢筋混凝土层，厚度为800mm。钢筋混凝土层外部是岩石层，为恒温条件，温度为20℃。

在墙壁上的切向速度是零。正常的速度取决于大规模渗透速度。在这种情况下，只能考虑不能渗透，正常速度为零。

温度与焓：根据在一定温度条件下，由于流速和化学成分是己知的，焓值就可以计算出来。在墙上热传导是热交换方式，假定壁面外温度为定值，通过壁面的传热系数为1.16w/m²·K。

化学组分：某组分在墙上的浓度取决于质量和化学成分的渗透介质渗透速度。在一般情况下，烟雾不能渗透墙壁，烟雾扩散系数为零。

湍流参数：对于湍流动能K和组分C，采用在壁面处扩散通量为0的边界条件为：

第六步：输出参数的确定

该研究的主要目的是利用FDS数值模拟的方法来研究火灾时期烟气的流动规律，为火灾发生时的救援以及火灾发生前的预防措施提供参考，因此，要研究不同位置不同工况下发生火灾时的烟气(有毒有害气体)浓度，温度的分布，能见度等参数。

巷道火灾数值模拟结果如下：

通过烟气的逆流距离确定临界风速，在不同火源功率下，用不同的风速进行模拟，如果烟气没有发生逆流，此时的模拟风速即定义为临界风速。以50MW火源功率下模拟为例，研究临界风速的影响。

模拟条件：火源最大热释放速率为50MW，起始风速为2m/s(以0.5m/s为单位，逐步增加)，模拟时间为1000s，巷道区间模拟长度为400m，火源位于巷道距离上风侧200m处。

由模拟结果可以得出，在50MW火源功率下，巷道内的临界风速为3.8m/s。

图2为火源上风向和下风向气体平均温度对比。

图3为不同区段平均能见度对比，同样的方法可以得到10-100MW十组不同热释放速率下巷道火灾的临界风速，如下表所示：

图4为临界风速与热释放速率的关系，由结果可知，模拟结果与Bettis所得出的经验公式很接近，而小于Thomas所得到的经验公式。

根据临界风速下巷道内温度、速度和能见度的变化情况，通过模拟结果可以看出，此风速下，烟流恰好不逆流，适合救援人员接近火源进行救援以及下风向人员的逃生。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种矿井外因火灾的数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)模型的建立：设置模型巷道的几何尺寸，巷道断面设置为矩形；

(2)网格的划分：划分计算域不同尺度的网格，检验计算结果对网格的依赖性；

(3)火源燃烧模型的确定：采用FDS的/RAMP..命令对试验中火源热释放速率的发展曲线进行逼近，采用单位面积的热释放速率参数/HRRPUA.，命令输入火源热释放速率的最大稳定值；

(4)初始条件设置：假定在初始时刻(t＝0)巷道内各处：初始压力为1.01325×105Pa，x，y，z方向的初始速度均为0，初始温度为20℃，重力加速度为-9.81m/s²；

(5)边界条件设置：设置巷道入口条件、巷道出口条件及巷道壁面条件；

(6)输出参数的确定：确定不同位置、不同工况下发生火灾时的烟气浓度、温度的分布及能见度。

2.根据权利要求1所述的矿井外因火灾的数值模拟方法，其特征在于：步骤(1)中，设置模型巷道的几何尺寸为200m×4m×4m。

3.根据权利要求1所述的矿井外因火灾的数值模拟方法，其特征在于：步骤(2)中，划分为3中不同尺度的网格，方案A：550×24×20；网格个数：26.4万，方案B：275×12×10；网格个数：13.2万，方案C：275×24×20；网格个数：3.3万。

4.根据权利要求1所述的矿井外因火灾的数值模拟方法，其特征在于：步骤(5)中，设置巷道入口条件包括：

设置入口处风流速度(u.v，w)，取值为(1.2～1.8m/s，0，0)，温度T＝20℃；

设置巷道出口条件包括：

设置摩擦阻力：

巷道为锚杆支护，得巷道摩擦阻力系数α×10⁴的取值范围为：78.4～186.2Ns，因此可取α×10⁴＝100Ns，

轨道巷的摩擦阻力为：

设置局部阻力：巷道的局部阻力取0.2～0.5倍摩擦阻力；

设置巷道壁面条件包括：

壁面材料：

设为钢筋混凝土层，厚度为800mm，钢筋混凝土层外部是岩石层，为恒温条件，温度为20℃，在墙壁上的切向速度为零；

温度与焓：

在墙上热传导是热交换方式，假定壁面外温度为定值，通过壁面的传热系数为1.16w/m2·K；

化学组分：

某组分在墙上的浓度取决于质量和化学成分的渗透介质渗透速度，烟雾扩散系数为零；

湍流参数：

对于湍流动能K和组分C，采用在壁面处扩散通量为0的边界条件为：