矿井火灾期间风流状态模拟方法分析.pdf

★科技大观 ★ 矿井火灾期间风流状态模拟方法分析 范隆声 鲍 杰 娄海关 江苏天能集团公司,江苏徐州,221002 摘 要 介绍了矿井火灾风流状态模拟时火灾燃烧特性的加载方法和风流状态的模拟方 法,该方法具有火源特性添加及与风流状态模拟结合简单方便,计算速度快等特点,值得进一 步完善与发展。 关键词 矿井火灾 燃烧特性 风流状态 数值模拟 矿井火灾期间的风流状态模拟是一项十分复杂 的工作。它要求全面了解矿井系统及井巷围岩的传 热特性、 火灾的发生发展规律、 火灾期间燃烧生成物 在通风网络中的传播扩散过程以及火灾与风流的相 互作用过程,并要求能够用数学模型来描述它们,而 现今建立的模型基本反映了实际的风流变化规律, 又能在计算机上快速得到结果,满足直观快速的救 灾实战要求。 1967年,英国的Roberts和Clough发表的关于 木材支护在井下巷道中的火灾传播规律的论文中首 次提出了根据火灾区流出气体的组份,将火灾传播 方式分为富氧火灾Oxygen - rich fires和燃料过剩 火灾Fuel - rich fires。富氧火灾指的是流出的烟 流中氧气浓度超过15 的火灾;燃料过剩火灾是指 流出火灾区的烟流中含有过剩的燃料气体。燃料过 剩火灾区可划分为冷却带、 焦炭带、 燃烧带、 过余燃 料带和预热带。对富氧火灾来说,由于燃料不会存 在过剩的问题,因此没有过余燃料带。通过能量平 衡方程,获得了描述燃料过剩火灾各参数之间相互 关系的方程式。因此这种火灾分类和分带方法,获 得了广泛的认同。 实际上矿井火灾大多数都是由较小的点火源引 起的,再逐渐发展成富氧火灾,并大多停留在富氧状 态。只有在点火源大且持续时间长、 风速低、 燃料丰 富等条件下,才可能发展成为燃料过剩火灾。随着 各种条件的变化,火灾的状态也是变化的,并不总是 保持在一种稳定的状态。 1 火源特性曲线的模拟 在火灾通风模拟时,目前确定火源参数的方法 是采用火灾发展特性曲线,即根据相似条件下发生 的火灾事故,进行火灾模拟试验,确定火源温度。用 这种方法,可以比较客观地对各种不同规模、 不同发 展趋势的火灾的全过程进行模拟。根据大量的燃料 燃烧实验资料包括皮带、 木料、 煤炭等确定多种火 源特性曲线,供火灾模拟时使用。当然,提供的火源 特性曲线与实际情况会有出入,但此模拟的结果仍 有重要的参考价值。 图1 木柴、 皮带燃料燃烧特性 04中国煤炭第27卷第12期2001年12月 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 在火灾发生过程中,火源特性曲线的温度和烟 气浓度随时间变化有一共同特点,即开始的上升阶 段,中间的稳定阶段,其后的下降阶段。上升阶段时 间较短,斜率较大;稳定阶段达到最高值,稳定的时 间依可燃物的数量及火势大小而定;下降阶段,时间 较长,斜率较小。 图1所示为重庆煤科分院在模拟平峒内做的实 验燃烧曲线。燃烧实验的条件如下燃烧物质木柴 1000kg ,皮带204kg长为24m ,每米815kg ;燃烧开 始前巷道风速为1173m/ s。用以模拟木支护巷道内 的皮带火灾。图1上半部的纵坐标为烟气折算浓度 CCO2和CO之和 , 图1下半部的纵坐标为火源 温度T℃。 2 火灾气体在通风网络中传播过程模拟方法 火灾气体或其它污染物在矿井通风网络中, 随着风流的流动而向前传播。并且在随风流动过程 中还伴随着烟流的扩散运动。由于火灾期间矿井通 风系统风流状态的不断变化,火灾烟流的浓度也在 不断变化。因此,火灾烟流浓度在通风网络中随时 间和空间变化的规律极其复杂。 在进行火灾期间通风模拟时,烟流扩散传播过 程的模拟是一个重要的组成部分,这也是进行温度 分布计算的基础。1982年,美国的格鲁尔 R 1E1 Greuer等人最早进行了烟流扩散的动态模拟 ,他们 采用的方法是在通风网络内定义一系列等烟流浓度 的控制体,在一个微小时间区间内,将所有控制体同 时向前移动。具体步骤是首先将计算时间区间分 解为一系列微小时间区间,在每个时间区间 △T 内,先计算火源和检查节点浓度变化情况,形成新的 控制体,然后将各分支中已存在的控制体向前移动, 当控制体到达分支末节点后,进行节点浓度平衡计 算,并在后续分支中形成新控制体,当每条分支中的 控制体数超过6个时,将前面的控制体注销,以节省 内存。这种方法的局限在于① 微小时间区间 △T 不易确定,若选得太小则计算工作量太大,若选得太 大则烟流波峰一次可能通过不止一个节点,使计算 过程复杂化;② 每个分支中都保留6个等浓度控制 体,导致内存单元的有效利用率低,一方面没有烟流 通过巷道中的单元空闲,另一方面有烟流流过的巷 道中控制体太少,不能完整地记录下巷道中烟流浓 度的变化情况;③ 每个计算区间还要再分解为许多 微小区间进行计算,计算工作量大;④ 当与风流温度 分布计算结合起来时,计算工作量更大;⑤ 在每个时 间区间 △T内,假设烟流浓度不变,这样才能形成 等浓度的控制体。 本文提出了一种新的烟流扩散动态模拟方法。 基本思路是假设在一个较小的时间区间内,火源的 烟流或其它污染物浓度是线性单调变化的,同 时在此时间区间内通风网络的风流状态不变,且不 考虑烟流前锋的分子扩散运动,烟流浓度在一个巷 道断面上均匀。某一时刻从火源流出的烟流称为 烟流锋面在随风流流动过程中,除在风流交汇处不 同浓度混合后浓度发生变化外,其浓度保持不变。 图2 火源烟流浓度的计算模型 假设在某个时间区间 t 0→t1内,火源处烟流 浓度单调增加,如图2 a 所示,则在火源后侧烟流 流过的巷道区段O→ L 内, t1时刻的烟流浓度分 布是随离火源距离的增加而单调下降不考虑风流 汇合时 , 如图 2b 所示。记录t1时刻的火源烟流 浓度C1,烟流前锋的浓度Co及共离火源前节点 的距离L ,就可以确定t1时刻该巷道中的烟流浓度 分布。在进行下一时间区间的烟流传播计算时,将 上次计算中得到的烟流前锋保留,作为一个新的污 染源处理,继续向前传播。当考虑通风网络中风流 的汇合时,在每个烟流锋面到达分支的末节点后,立 即进行节点烟流浓度平衡计算,得到一个新浓度的 烟流锋面,并将它向后续巷道继续传播,直至时间区 间完毕,烟流锋面停止运动,或锋面到达大气节点后 消失。烟流在各分支中运动的变化规律与前述相 似。 为保证不同污染源或烟源锋面向前传播计算 时先后顺序的正确,先计算各污染源顺风向至地面 节点所需的最长时间,然后按此时间值由小到大即 由后向前将各污染源排序,顺序计算。对每一污染 源,则首先按烟流经过各分支的时间顺序,找出烟流 在所计算的时间区间内要流过的所有分支,然后按 顺序向前计算各分支中的烟流浓度分布。 14矿井火灾期间风流状态模拟方法分析 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 计算机软件中用于记录通风网络中每一时刻烟 流浓度分布的参数如下 1各烟流锋面污染源的参数,包括锋面所 在的分支号;锋面离分支始节点的距离;烟流锋面的 浓度;该锋面烟流浓度随时间的变化斜率;保持该变 化斜率的时间。 2各分支末端的烟流浓度。 3各节点的平衡烟流浓度。 4各分支的加权平均烟流浓度。 由以上参数就可以较准确地得到该时刻火灾烟 流在通风网络中的分布情况。 从发生火灾时刻开始,选择一定的时间间隔,一 个一个时间区间地向前模拟,可以改变各时间区间 的烟流浓度及其变化率,并结合风流状态的模拟解 算,就可以较完整地获得通风网络中烟流浓度动态 的变化过程。 3 火灾期间风流状态的模拟 所谓动态模拟,就是以一定的时间步长为单位, 从火灾着火时刻开始,一段时间一段时间地向前模 拟,得到各个时刻的风流状态。每个时间段的火源 参数都可以改变,从而近似模拟出矿井火灾期间通 风网络中风流动态变化的全过程。 在进行各个时间区间的模拟计算时,都是以该 区间的初始风流状态、 网络中烟流蔓延情况为基础, 在当前的网络条件下,计算时间区间结束时烟流的 蔓延情况,然后计算出风温分布、 各分支的修正风 阻、 位能差及各独立回路的热风压,最后进行网络解 算,得到时间区间结束时的风流状态。 目前对每个时间区间内的风流状态的变化过 程,主要有两种处理方法一是假设风流状态在每个 时间区间内最终都达到准平衡状态,在计算时以解 算得到的风流状态为基础,重新解算新的风流状态, 直至收敛于某一平衡状态为止。另一是假设在每个 时间区间内的风流状态保持初始状态不变,因而每 个区间内只进行一次计算,得到的风流状态即是区 间末端的风流状态。 这两种方法实质上都是用一系列的准平衡状态 来模拟风流的动态变化过程。方法一是用区间结束 时的风流状态作为整个区间的准平衡风流状态,方 法二则是用区间开始的风流状态作为区间的准平衡 风流状态。显然方法一的计算工作量比方法二多得 多,而且在某些条件下,若某分支风流方向在一个时 间区间内不稳定时,会出现迭代过程不收敛的问题。 从模拟的准确性来看,方法一并不比方法二优越。 因此,方法二可优先选用。 4 结束语 本文提出的火灾燃烧特性的加载方法和风流状 态的模拟方法具有节省计算时间,提高计算机内存 有效利用率,易于与烟流浓度分布和烟流风温分布 计算结合等优点。通过在天能集团马庄煤矿 “矿井 火灾与通风管理系统” 项目的成功应用,上述方法被 证明是切实有效的。该项目荣获1998年煤炭工业 科学技术进步三等奖。对于如何更真实地描述火灾 燃烧特性、 模拟火灾期间的风流状态,值得进一步研 究和完善。 上接第37页 计算机自动控制和工艺改进,正在稳步发展,但与世 界先进水平还有很大差距,尤其是硬件的质量方面, 必须做出长期的艰苦努力。在进口设备方面,外商 也会通过扩大国产化来提高与国产设备的竞争能 力。 为了缩小与国外的差距,至少应当在以下几个 方面做出努力 1全面提高机械设备和元部件的质量。 厂家 应当在国内和国外市场上寻求高质量设备和元部 件。如主空压机、 各种阀门等。只要能购买到所有 必要的高质量设备,可以肯定,国产过滤机将越来越 多地采用进口、 合资产品或高质量的国内产品,设备 配备与目前相比将会焕然一新。主轴、 滤扇/滤布、 液压系统、 矿浆泵、 重要的阀门将会采用全新的产 品。 2刮板输送机看似简单,但非常关键,从统计 上看,它们的故障占总故障时间的比重最大。今后 最好选择专业厂家的产品,否则就应当加强出厂前 的试验和检查。 3加速自动化软件的开发。目前国内设备的 控制程序尚处于初级阶段,需要不断改进和提高。 厂家每生产和出售一台设备,都要对实际生产进行 追踪,以求不断修改软件,使之满足实际需要。为 此,厂家必须聘用高水平的软件人才,长期从事这方 面的工作。 24中国煤炭第27卷第12期2001年12月 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.