论文例文：下行通风巷道火灾烟流逆流层形成与阻力效应数值模拟研讨x
时间：2020-10-21 16:30:35 来源：勤学考试网 本文已影响 人 
论文范文：下行通风巷道火灾烟流逆流层形成与阻力效应数值模拟研讨
1 绪论
1.1 引言
煤炭是我国的主要能源之一，是国民经济和社会发展的基础产业，在国民经济中起着重要作用，煤炭工业的持续健康发展直接关系着国家能源的安全和全面建设小康社会目标的实现。要想使矿井安全、高效开采，必须保证矿井的安全，避免事故的发生。然而，近些年来，矿井事故频繁发生，特别是矿井火灾的发生，对煤矿安全生产构成了巨大的威胁，不仅造成了重大的经济损失，更严重的是损害了井下工作人员的身心健康，对他们的生命安全造成了严重的威胁[1]。我国煤炭火灾形式十分严峻，全国 657 处重点煤矿中，有煤层自然发火倾向的矿井占54.9%，发火期在 3 个月以内的矿井占 50%以上，每年自燃形成的火灾近 400 次，火灾隐患近 4000 次。火灾形势依然很严峻，近年来百万吨发火率虽有所下降，但与世界上一些主要产煤国家相比，差距仍然很大。矿井发生火灾后，火势通常发展迅猛，复杂多变，不仅会影响矿井的正常生产、毁坏井下机械设备和煤炭资源，更严重的是火灾的发生消耗了巷道中的大量氧气，使井下的氧气浓度降低，导致井下人员呼吸困难。同时，火源在燃烧时会释放出大量的高温有毒有害气体，这些气体会导致井下的作业人员灼伤、中毒，严重时还可能引起窒息，矿井火灾还可能诱发粉尘、瓦斯爆炸等更严重的灾害事故，对井下人员的生命安全造成巨大的威胁[2]。矿井发生火灾时，通风机的机械风压和火源的热力作用所产生的火区压力共同作用，极易导致通风系统发生风流紊乱，发生逆转的风流携带高温毒害气体蔓延至进风区域，造成火灾的影响范围进一步扩大。仅凭借指挥人员的主观判断，很容易对火灾时的风流流动规律造成错误的判断，下达错误的救护逃生决策，从而造成灾害事故的进一步扩大[3]。
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1.2 论文的研究目的及意义
尽管国内外许多学者已对矿井火灾时期的风流流动规律及逆流层长度等相关问题进行了一定程度的研究，并得出了许多有意义的结论，但由于此问题的复杂性及实际情况的多变性，还有必要从理论与实践相结合的角度对其进行讨论研究。本论文即是要从定性和定量两方面，应用理论研究与软件模拟相结合的方法对矿井火灾时期的烟气蔓延规律进行分析研究，并分析由此造成的巷道内烟流速度场、温度场的变化趋势和逆流层的形成原因及影响因素。通过理论研究与计算机模拟相结合，可客观地反映矿井火灾时期烟气的蔓延规律，为矿井火灾的逃生与救护工作提供参考依据，进一步提高矿井火灾防治技术，提高矿井救护管理水平和事故预防效率，减少事故伤亡和财产损失，产生较好的经济效益，对矿井的安全高效生产具有十分重要的现实意义。
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2 火灾时期风流紊乱现象的分析
2.1 风流紊乱的基本形式及危害
2.1.1 烟流滚退
紧贴着巷道顶板的上部烟气由于受到顶板的限制，将会向下流动，而火源处产生的高温烟气由于受浮升力的影响快速向上运动，更加推动上层烟气的流动，因此巷道顶板上部的烟流不断向下运动，而这一过程中还会不断卷入新鲜风流，进而形成一连串的涡流。随着风流的不断被卷入以及通风系统压力的影响，发生逆转的烟流的速度将会逐渐减小，最后减小为 0，变为顺着风流流动。由烟流滚退的产生原理可以得知，烟流滚退现象在水平巷道、上行通风、下行通风巷道中都有可能产生。下行通风巷道中，火灾烟流产生的浮力作用方向与新鲜风流的流动方向相反，滚退的烟流量最大；上行通风巷道中，火灾烟流产生的浮力作用方向与新鲜风流的流动方向相同，滚退的烟流量最小；水平巷道中的烟气滚退量介于两者之间[13]。
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2.2 不同巷道发生火灾时的阻力分析2.2.1 水平巷道火灾
水平巷道发生火灾时，若不考虑与发火巷道相邻的倾斜巷道中温度变化对该水平巷道的影响，认为只存在节流效应，不存在浮力效应。节流效应与火源强度有关，当火源强度较小时，节流效应表现不明显，随着火源强度的逐渐变大，节流效应也越来越明显，可导致烟流滚退现象的出现[15]。
2.2.2 上行通风巷道火灾
火灾发生在上行通风倾斜巷道时，浮力效应和节流效应都会产生，且浮力效应的作用方向与风流流向相同，对风流向上流动起促进作用，而节流效应的作用方向与风流流向相反，可对风流的流动起阻碍作用。如果机械通风量不大，巷道两端的高差大或者火源的下风侧温度较高时，浮力效应的作用大于节流效应的作用，风流不会发生滚退；在下风侧温度不高，巷道高差小或机械通风量适量时，节流效应的作用大于浮力效应的作用，火源处产生的作用力对风流的流动起阻碍作用，这时，可能发生烟流滚退现象；当机械通风的风流量过大时，火源处产生的节流效应无法阻碍风流的向上流动，则滚退现象将不会出现[16]。
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3 FLUENT 软件的介绍及计算模型的选取 ........................ 21
3.1 CFD 的简介 ...................................21
3.2 FLUENT 软件的介绍 .............................22
3.3 矿井火灾流场基本守恒方程 ...............22
3.4 湍流模型 .........................24
4 火灾时期温度压力数值模拟及逆流层研究 ....................... 26
4.1 模型的建立 ..........................26
4.2 火灾时期温度分布规律的研究 .......................29
4.3 火灾时期压力分布规律的研究 ................33
4.4 逆流层长度影响因素的研究 .............................36
4.5 火风压的计算 ........................50
4 火灾时期温度压力数值模拟及逆流层研究
4.1 模型的建立
4.1.1 基本假设
矿井巷道火灾的发生是一个十分复杂的过程，包括可燃物燃烧生成的气体成分、烟流的复杂流动以及燃烧过程中的各种形式的传热和传质过程。要根据火灾燃烧过程的实际情况对各工况参数的变化规律进行全面、完整的数学模拟十分困难，因此需要对燃烧模型做合理的简化。本论文根据研究内容的实际情况，作了以下简化[40]：
(1) 火灾发生之前，巷道内下行通风的风流速度及巷道内的温度与外界环境相同；
(2) 机械通风的风流和火灾时期产生的高温烟流近视认为理想气体；
(3) 火灾产生的高温烟气在巷道内流动时发生的化学变化忽略不计，不考虑烟气的具体成分；
(4) 壁面热边界条件设定为外壁面温度条件，即壁面温度不变，与围岩的温度相同；
(5) 火源视为巷道底板处的一个热源平面，不考虑火源体积对风流流动的影响。
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结 论
本文以下行通风倾斜巷道为研究对象，建立了不同巷道倾角的火灾烟流三维数值模拟模型，模拟了火灾稳定时期的温度场、压力场的沿程变化趋势及不同工况条件对逆流层长度的影响，并利用 FLUENT 和 MATLAB 软件相结合的方法计算出了火风压的具体数值。具体研究工作及结论如下：
(1) 模拟了火灾时期下行通风倾斜巷道纵断面和横断面的温度分布。由纵断面的模拟结果可知，火源点上风侧一小段距离内，由于受热浮力效应和节流效应的影响，出现了烟流滚退现象，可导致火区上风侧一段范围内温度明显升高；火源点下风侧一段范围内，由于高温烟流卷吸空气产生涡流，温度降低，此后巷道温度呈指数上升，达到一定温度后基本保持不变。由横断面的模拟结果可知，巷道中心截面温度分布呈中间高温，两侧温度依次降低趋势；在火源下风侧较近区域，巷道壁面温度高于巷道中心温度；距火源点下风侧稍远区域，巷道中心处的温度高于两侧壁面温度；距火源点距离达到一定值之后，横断面温度分布均匀。
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参考文献（略）
