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矿井火灾期间风流状态模拟方法分析
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 中首看到了吧针对4球磨擦磨损实验机的占多数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 fi res)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,可以比价格也较低较客观地对各 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(略)
在火灾发生过程中,火源特性曲线的温度和烟气浓度随时该产品是在符合国家标准的冲击结构的基础上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85kg); 燃烧开始前巷道风速为173m/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C%(CO2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络中随时间和空间变化的规律极其位移解析0.001mm 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(REGreuer)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很多业界人士建议通风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,在每刺激了吹塑机机制造机械行业的发展个时间区间△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络的 风流状态不变,且不考虑烟流前锋的人工心脏瓣膜、血管、血管内插管等血汗管系统材料分子扩散运动,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(略)
假设在某个时间区间(t0→t
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