不同风速下巷道火灾烟气蔓延规律的数值模拟

黄 刚 王玉怀 赵启峰 张志科 张 军 尹义超

(华北科技学院安全工程学院，河北省三河市，065201)

火灾是煤矿五大灾害之一，由于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，火灾事故占煤矿特大事故的40%～60%。煤矿巷道发生火灾后，若巷道进风侧风流速度与火源热烟流释放速度相比较小，当巷道火灾趋于稳定后，热烟流受浮力影响上升至巷道顶部后会向巷道两侧流动，出现烟流逆流层现象，严重时会造成煤矿巷道风流方向发生逆转，对井下人员的逃生和救援很不利。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重要因素，据统计，因火灾产生的有毒有害烟流中毒窒息死亡的人数占煤矿火灾总死亡人数的62.4%。因此，火灾烟雾的流动规律是巷道火灾研究的关键所在。

由于煤矿巷道实际条件复杂，现场试验成本高、难度大，而数值模拟方法准确、方便、经济、可重复性高，因此现在多数学者采用数值模拟的方法对巷道火灾进行研究。本文以察哈素煤矿一运输平巷为研究对象，采用FLUENT数值模拟软件，对不同风速条件下水平巷道火灾烟气温度和烟流状态的分布规律进行了研究。

1 烟气蔓延及边界层影响

巷道发生火灾后造成周围环境温度升高，使得燃烧产生的烟气温度升高、密度降低，高温烟气受浮力的作用后向上运动。同时在压力的作用下周围的新鲜空气会不断涌入，形成火羽流。当火灾烟流上升到一定高度到达巷道顶棚时，随即沿巷道四周径向蔓延，发生顶棚射流现象，随着烟气逐渐远离火源区域，烟气温度也随之降低，密度逐渐变大，空气和烟气之间的密度差则逐渐减小，浮力也减小。烟气在撞击顶棚后向四周扩散一定距离，在巷道风流的影响下，发生烟气逆流现象；不过随着烟气的蔓延，温度会逐渐衰减，当烟气逆流所受浮力作用与巷道风流产生的作用力相当时，烟气逆流将停止；同时，烟气将随着巷道风流的流向继续蔓延，当烟气蔓延一段时间后，由于温度的降低导致空气的浮力不足以抵消烟气颗粒自身的重力，烟气会逐渐沉降。巷道内火灾烟气蔓延过程如图1所示。

图1 巷道内火灾烟气蔓延过程

由于燃烧产生的烟气温度较高并处于过热状态，因此烟气经过巷道壁时主要以对流换热的方式进行热量传递。此时，巷道壁面的摩擦阻力会对烟气形成阻滞作用，使得巷道壁面附近的烟气流速下降，形成一个明显变化的流体减速薄层，即流动边界层。在边界层内，越靠近壁面处烟气速度越小；在边界层外，烟气的速度几乎保持不变。边界层内流体的流态分为层流和紊流。随着烟气的蔓延，当到达某一距离时巷道壁面的粘滞阻力对边界层边缘处烟气的作用逐渐减弱，使得边界层从层流向紊乱过渡，形成紊流边界层。此时，紊流区内烟气速度分布呈线性规律，而在层流边界层内烟气速度分布呈抛物线型。流体边界层的形成和发展如图2所示。

图2 流体边界层的形成和发展

2 数值模拟

本文采用FLUENT软件以运输巷道的一部分作为几何模型对不同风速条件下水平巷道内火灾烟气的蔓延规律进行数值模拟。模拟巷道为矩形断面，设定模型具体尺寸为70 m×5.6 m×3.7 m(长×宽×高)。

在进行巷道火灾模拟时将巷道进风风口设为速度入口，分别设置风速为0.5 m/s、1.5 m/s、2.5 m/s、3.5 m/s，巷道出口设为自由出口，巷道入口温度设为293 K，入口物质为空气，表压力为0 Pa，湍流模型选用标准k-ε模型和无反应组分输运模型，考虑浮力和重力的影响，加速度取值为-9.8 m/s2，巷道四周壁面设为“CONCRETE”属性，选择壁面无滑移条件，温度为283 K，假设壁面和高温烟流不发生换热。

模拟采用Gambit软件进行巷道模型的建立和网格的划分。由于巷道模型的长宽比例较大，而且火源区域和巷道区域相比也差距较大，因此采用对火源区域进行局部网格加密的方式进行网格划分，达到计算精确性和快捷性相协调。

燃烧是一个复杂、迅速的物理化学反应，要完整、准确地对燃烧进行模拟是非常困难的，因此在进行数值模拟前首先要对巷道火灾火源进行如下简化：巷道火源为巷道中部一固定小长方体(1 m×1 m×0.5 m)，距离风流入口为20 m，立方体上表面释放燃烧所产生的高温烟气，燃烧产物为CO2、HCL、CO的混合气体，假设燃烧体上表面所释放高温烟气温度为1500 K，火源强度由高温烟气所释放速度的大小来表示。具体模型如图3所示。

图3 CFD模型示意图

3 模拟结果与分析

煤矿巷道发生火灾后，对井下人员影响最大的是火灾产生的烟气和高温，因此研究烟气温度分布和蔓延规律非常有必要。

3.1 顶棚烟流温度分析

巷道火灾火源上方及火源影响区域的高温往往会对巷道的结构造成破坏，在巷道结构设计时对巷道结构进行防火保护非常重要，因此需要获取火灾时期巷道顶棚处烟流的最高温度。

火源附近水平方向温度分布以火源为中心点向巷道两侧壁逐渐降低，随着烟气的蔓延，竖直方向的温度随着与火灾火源距离的增大而降低，并且竖直方向温度的衰减程度要大于水平方向温度。这是由于高温烟气与巷道两侧壁存在温度差从而形成对流换热的结果。巷道发生火灾后烟流的最高温度出现在顶棚附近位置。巷道顶棚处水平截面温度分布如图4所示。由图4可知，火源火羽流上方顶棚附近的烟流温度最高；风速为0.5 m/s时火源上方温度最高，大约为1000 K，随着风流速度的增大，火源上方的温度逐渐降低，3.5 m/s风速条件下火源上方最高温度大约为700 K。这是因为风速的增加使得聚集的高温烟气逐渐扩散开，同时风流的快速流动稀释了高温烟流。

图4 不同风速条件下巷道顶棚水平截面温度分布图

3.2 烟气热分层分析

不同风速下巷道出口断面的温度分布如图5所示。火灾发生后，巷道内高温烟气在热浮力的作用下逐渐演变为上下稳定的烟气层和空气层，据此Emmons提出了双区域模型。

图5 不同风速条件下巷道出口断面温度分布图

由图5可以看出，不同风速条件下烟气均发生热分层现象，但是在风速较低时分层更加明显、也更加密集，风速较大时热烟气层厚度会逐渐增大。隧道火灾方面已有研究表明空间发生火灾后，纵向通风对通道内烟气分层有较大影响，会使热烟气层的厚度显著增大，这与本次模拟结果是相符合的。另外在狭长的空间内火灾烟气会在很短的时间内升至几百摄氏度，而一般人体对高温的忍耐是有限的。当周围环境温度在373 K左右时人体皮肤就会觉得难受；当温度达到393 K左右时，皮肤便会被灼伤；而当环境温度达到443 K时，人在此温度下仅能忍受1 min；温度若继续增高，则可能会使人员致死。风速为0.5 m/s时出口处烟流最高温度为500 K左右，但是烟气下部温度较低为350 K左右，其他风速条件下出口处烟流温度则更低。由于火灾产生的高温烟气对人员的逃生和救援带来很大的困扰，因此当巷道发生火灾时井下人员不能随意进入火区，以免发生灼伤、中毒甚至窒息。

3.3 烟气逆流分析

不同风速条件下巷道中截面烟流分布如图6所示。一般情况下将可燃物的燃烧区段和燃烧火焰所到达的范围称为火区，由图6可得出不同风速条件下巷道火灾火区的范围。巷道发生火灾时，高温烟气受浮力作用上升到巷道顶棚附近，由于顶棚的阻挡作用，高温烟气将向前后两个相反的方向流动即是顶棚射流现象，此时当巷道的风流速度与高温烟气的流动速度相比太小时，即风流不足以使得高温烟气顺着风流流动，而是沿着与巷道通风方向相反的方向流动，这即是烟气逆流现象。随着巷道风速的增加，风流动压会呈抛物线增长，从而使高温烟流加速在火源下风侧蔓延，抑制逆流现象的发生。在巷道纵向风速为0.5 m/s和1.5 m/s的条件下，巷道发生烟气逆流现象，烟气逆流会携带有毒有害气体扩散至进风区域，扩大影响范围，此时逆流的烟气会威胁到火源上风侧人员的逃生和救援，更为严重的是逆流的高温烟气可能会使火源下风侧含有可燃挥发物的风流再次流经着火带，增加了火区爆炸的可能性，极大地增加了事故的影响范围；当巷道风速增加到2.5 m/s以上时，机械风压作用要强于火灾热力作用，抑制逆流现象的发生，烟气的扩散距离减少，烟气在巷道中的扩散受到阻碍。

图6 不同风速条件下巷道中截面烟流分布图

4 结论

(1)火源烟气最高温度出现在火源上方巷道顶棚附近，高温烟气对巷道结构会造成破坏。风速越小时巷道顶棚附近温度越高，随着风速的增加，聚集的高温烟气会逐渐扩散开来。

(2)火灾产生的高温烟气会在巷道内发生热分层现象，在巷道风速条件较低时，烟气的热分层会更密集，随着风速的增加，烟流热烟气层厚度会显著增加。

(3)当巷道风流不足以使得高温烟气顺着风流流动，而是沿着与巷道通风方向相反的方向流动，就会发生烟气逆流现象；随着巷道风速的增加，风流动压会呈抛物线增长，从而使高温烟流加速在火源下风侧蔓延，抑制逆流现象的发生。

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