矿井火灾计算机模拟研究.pdf

矿井火灾计算机模拟研究 Ξ 王德明 ΞΞ 王省身ΞΞΞ 中国矿业大学 鲍庆国 ΞΞΞΞ 枣庄矿务局 【摘 要】 介绍了国内外矿井火灾计算机模拟技术发展的历史和现状。将现有的矿井火灾计 算机摸拟方法分为稳态模拟、 一维瞬态模拟和多维瞬态模拟,并对其特点进行了分析和评价。 【关键词】 矿井火灾 模拟 计算机 1 引 言 矿井火灾计算机模拟涉及计算机科学、 流体力学、 传热学、 热力学、 燃烧学和矿井通风与安 全学等多学科领域,是研究矿井火灾灾变过程及其控制的一项现代化研究手段和方法。 由于矿 井自然条件的复杂性和火灾灾变的灾难性,在井下进行大规模的火灾燃烧试验是不现实的,因 此利用当代高速发展的先进的计算机技术对矿井火灾进行数学仿真模拟研究无疑引起了国内 外从事矿业安全的学者们的关注。本文仅就国内外的矿井火灾计算机模拟技术的研究发展现 状作一概括性的分析和评价。 2 国内外研究概况 在五十年代后期,数字计算机开始在矿井通风领域中应用,同时也开始用于计算矿井火灾 时期的风流状态。1973年,美国密歇根技术大学教授格茹尔R. E. Greuer首先编制出矿井火 灾稳态模拟的计算机程序, 1979年完成了矿井火灾瞬态模拟的计算机程序M TU [1]。 近年来 又推出在微型计算机使用的M TU新版本即现名为M F IRE的程序。法国学者斯蒙德 E. Simode于1976年和1979年分别提出了以风温计算为基础的火灾稳态和瞬态模拟的计 算机程序。1985年波兰国家科学院岩石力学所通风研究室鸠仁斯基W. Dziurzynski博士和 特鲁吐温W. T rutw in教授提出基于风流不稳定流动和火、 风流、 围岩之间不稳定热交换的矿井 火灾瞬态计算机模拟程序POZAR [2]。原苏联矿山救护科学研究所、 保加利亚的斯特凡诺夫 T. P. Stefanov、 法国的阿尔勃朗N. A lbrand等都对火灾时期风流流动状态进行了研究。 国内从八十年代中期起,中国矿业大学、 淮南矿院、 重庆煤科分院、 抚顺煤科分院、 西安矿 院等单位先后开展了用电子计算机模拟分析矿井火灾时期风流状态方面的研究工作,成功地 第6卷 第2期 1 9 9 6年4月 中国安全科学学报 ChinaSafetyScienceJournal Vol . 6 No. 2 Apr.1996 Ξ ΞΞ ΞΞΞ ΞΞΞΞ工程师 教授 副教授 国家自然科学基金、 煤炭院校优秀青年基金资助项目 编制出了各具特色的矿井火灾计算机模拟程序,并在火源设置、 二维瞬态模拟、 用可压缩不稳 定流动的三特征线方程组求解火灾突变时期的风流状态、 快速插入模拟、 程序的用户界面和图 形显示等方面取得了新的进展。 国内外研究状况表明,矿井火灾时期风流及烟流流动规律的计算机模拟研究成为矿井通 风与安全前沿学科研究的热点。 3 矿井火灾计算机模拟方法分类 根据现有的矿井火灾计算机模拟方法,主要分为三类 1稳态模拟方法 稳态模拟方法的实质,是将矿井通风网络中的风流状态在给定的模拟时间内看作是稳定 状态,且将燃烧火源视为固定点火源,火源特性不随时间变化。在模拟计算过程中计算机以火 灾模拟初始时刻的风流状态为基准,一次求解出终止时刻的矿井火灾灾变气体扩散流动的范 围、 风流温度分布、 火风压值等参数;并将火风压计算结果作为局部风机特性加入在风网中, 通过调用风网解算程序求解出最终时刻的风流状态、 风量分配、 分支与节点的温度及烟流与瓦 斯浓度、 风流紊乱支路等。 2一维瞬态模拟方法 一维瞬态模拟方法主要有两种类型一种是通用的模拟方法时间步长法,以稳态方法 模拟非稳定过程;另一种则为有限差分方法,直接求解描述瞬态火灾灾变烟流及风流流动过 程的偏微分方程。 a. 时间步长法 模拟一段时间内的火灾发展情况时,将这段时间分成若干等时间间隔,模拟从初始状态开 始,然后模拟时间每步进一次,系统对网络的风流状态、 温度分布、 产生的火风压、 风流逆转状 况进行一次全面的扫描考察,在每一间隔时间内将风流的流动状态当成稳态流动来计算各种 风流参数,根据考察结果进行相应的处理。 使矿井火灾灾变状态在计算机内由前一个时刻的映 象变换为当前时刻的映象。目前国内外编制的火灾模拟程序主要采用这种方法,如美国的 R. E. Greuer、 法国的N. A lbrand及E. Simode、 保加利亚的T. P. Stefanov等编制的火灾模拟 程序都是采用的时间步长法。 b. 有限差分法 根据流体力学、 传热学、 传质学、 计算燃烧学和矿井通风学的有关理论和定理建立的矿井 火灾时期火灾烟流及风流的流动状态的数学模型,一般为偏微分方程。这些偏微分方程,大多 数无法得出解的分析表达式,或者其解的表达式很复杂,难以进行数值计算,而实际问题只要 求得到具有一定准确程度的近似解。 偏微分方程的数值解法主要将变量离散化,建立与微分方 程具有一致性的代数方程组。常采用的方法就是有限差分方法。在矿井火灾一维瞬态模拟计 算 中,在国际上有一定影响的是波兰学者鸠仁斯基W. Dziurzynski和特鲁特温W. T rutw in提出的基于微分方程的数学模型及他们编制的名为POZAR的计算机火灾模拟程 序。 3多维瞬态模拟 一维瞬态模拟视巷道断面为一点,仅以巷道的轴向长度作为变量参数;而多维瞬态模拟 方法不仅要考虑轴向长度的参数变化,同时也要考虑断面一定半径上各个点的参数情况。 为了 2 中国安全科学学报 ChinaSafetyScienceJournal 第六卷 1996年 简化,一般将井下巷道看着圆形巷道不同形状通过变形参数进行修正 , 若将整个圆周看成 一个变量,轴向长度和半径则构成二维空间;否则为柱坐标系的立体空间。求解火灾烟流在巷 道中流动的二维数学模型,同样需要建立相应的有限差分方程组。在地面建筑物火灾模拟中, 常采用三维空间迪卡尔坐标方式对火灾发展过程进行模拟。 4 对现有矿井火灾计算机模拟方法的评价 上述的三种矿井火灾模拟方法中,稳态模拟方法最简单、 计算速度最快,对于稳定的通风 系统或火势发展到一定程度已稳定时,在一定时间范围内,可以采用该方法,能以最快速度获 得灾情发展趋势的预测。但由于矿井在火灾时期在火风压的作用下,风网并不稳定,稳态的方 法不能模拟出风网的中间动态变化过程,因此得到的最终模拟结果的可靠性就较差。 多维瞬态模拟方法对于考察局部地点详细的风流状况,如在有限的空间范围内的风流温 度分布、 烟流扩散状况以及研究节流效应的机理等具有明显的优点。 用二维瞬态数学模型模拟 矿井火灾时,由于灾变烟流气体受到上浮力的作用并不是在断面上均匀或沿轴线对称分布,二 维模拟方法的实用性和可靠性就受到很大影响。三维的火灾数学模型能适应有限空间火灾模 拟的需要,是地面建筑物火灾棋拟中主要采用的方法。但三维的数学模型计算过程复杂、 计算 速度慢、 占计算机内存大,由于矿井网络的复杂性,目前尚未见有采用该方法研究矿井火灾模 拟的报道。 由于矿井巷道中断面的尺寸较巷道的轴向长度为小,对矿井风流视为一维流动是切合实 际的,传统的风网解算软件也是以此为前提条件的,因此一维瞬态的矿井火灾计算机模拟方法 是国内外学者主要采用的方法。以R. E. Greuer为代表采用的时间步长法模拟矿井火灾的方 法得到了世界采矿通风界的公认。M TU或名M F IRE程序在模拟时间间隔内通过计算温度、 烟流浓度的分布,可以计算出灾变烟流的节流作用,在一定程度上模拟出了非稳态可压缩风流 流动状态的节流效应,因此具有较高的计算精度;以波兰鸠仁斯基W. D iurzynski等用有限 差分方法直接求解一维瞬态流动的偏微分方程,也获得了成功,在国内外有较大的影响。有限 差分方法,实质就是通过采用离散空间和时间的方法求解偏微分方程,在离散的间隔内风流状 态是被看作稳态的,同样是用稳态的方法求解非稳态的过程。 因此可以认为时间步长法和有限 差分方法这两种矿井火灾模拟方法本质上是相同的。 5 结束语 在矿井火灾计算机模拟研究中,一维瞬态的模拟方法由于比较切合矿井实际,因而得到广 泛采用。 无论是时间步长法还是直接求解偏微分方程的有限差分法,由于考虑了风流与围岩之 间的热交换、 火风压作用与节流效应,因此使模拟的结果更接近实际。但是现有的模拟方法在 火源特性的处理上与矿井火灾的火源燃烧的实际情况有较大差距。美国的M TU或波兰的 POZAR程序都将火源处理成固定的点火源,而且火源的特性也是固定的,不随时间的变化而 变化。这与矿井火灾具有移动性和蔓延、 扩大性的特征是不符的,因此用固定的点火源方式来 模拟矿井火灾,会带来很大的失真。作者曾提出点火源和可移动的线火源概念,并依据对国内 外大量火灾试验结果的统计与分析,分别对点火源和线火源的特性进行了研究,提出了移动火 源热分解率、 移动火源蔓延速率、 火灾灾变烟流及温度分布带的数学模型。模型计算与试验结 3第二期 王德明等矿井火灾计算机模拟研究 果比较接近。 这些研究成果使矿井火灾计算机模拟的结果更接近实际,是矿井火灾计算机模拟 研究中的新进展。 但是,由于矿井火灾火源燃烧的复杂性,此项研究工作仍是初步的,尚需进一 步完善。 收稿日期 1995年10月;作者通讯地址江苏省徐州市翟山;中国矿业大学采矿系;邮政编码 221008 参考文献 1 R. E. Greuer.T ransient State Si mulation of V entilation System in Fires Conditions.The third InternationalM ine V entilation Congress, 1984, 407- 410 2 W. Dziurzynski、 W. T rutw in. A Si mulation of M ine Fires, The 4th InternationalM ine V entilation Congress, 1985, 276- 281 3 王德明 1 矿井火灾救灾决策支持系统的研究 1 中国矿业大学博士学位论文, 1993 THE STUDY ON M I N E F IRE COM PU TER SI MULA T I ON Wang Dem ingΞ Wang XingshenΞΞ China U niversity ofM ining and Technology Bao Qingguo ΞΞΞ ZaoahuangM ining Bureau Abstract The paper introduces the domestic and abroad history and present condtion of the technogical develop of m ine fire computer simulation.The current s of m ine fire computer simulation are classfied into three types that are steady state simulation, one - dimension transient state simulation, and multi2dimension transient state simulation.The characteristics of these s are analysed and uated in the paper. Key words M ine fire Simulation Computer 遵章守纪 保障安全 人人重视安全 从关心安全 人人为安全贡献力量 倡导和弘扬安全文化 提高全民安全文化素质 4 中国安全科学学报 ChinaSafetyScienceJournal 第六卷 1996年 Ξ ΞΞ ΞΞΞEngineer Prof. A ssociate Prof.、Dr.