下行风流火灾管道试验与烟流动力特征研究

为了明确矿井巷道通风量及角度变化对火灾的影响规律，运用矿井火灾管道试验平台及各种传感器数据采集系统，开展下行通风火灾的管道相似模拟试验，得到在不同通风机动力和巷道倾角下巷道风量、各测点温度随时间的变化规律，对下行风流火灾时的风流紊乱状态有了进一步认识。结果表明，火灾时燃烧温度迅速到达顶峰后温度衰减速度随风量增大而加快，巷道火灾高温区域随着巷道风速增大而向火源下风侧移动。增大巷道倾斜角度，火风压作用增强，通风系统稳定性降低，更容易发生烟流逆退现象。在下行通风试验中，存在一个使火风压与通风机动力大小相等方向相反的临界风速。矿井火灾烟流是否产生逆退现象与通风能力有关，通风能力越强，巷道风流克服火区阻力、保持原状态的能力越强。     

梯形巷道平均风速分布特征的数值与实验研究

为实现矿井巷道内风量的准确监测,基于3D数值模型,对梯形截面巷道内平均风速的分布规律进行了数值分析,并通过实验研究对模拟结果进行对比验证,同时在不同断面尺寸及不同通风风速条件下,数值分析了梯形巷道内紊流充分发展截面上平均风速点的分布特征。结果表明:平均风速分布呈现环状连续分布,数值结果与实验结果符合良好;梯形截面上平均风速点的分布与通风风速无关,仅与巷道截面特征和参数有关;得到了梯形截面平均风速分布曲线在巷道顶部的特征方程。     

矿井巷道火灾烟流逆退数值模拟及临界风速研究

为了研究矿井发生火灾后高温烟流的蔓延规律及影响因素,利用COMSOL软件对火区进行数值模拟,建立巷道三维模型,得到火区风流速度与温度分布。通过改变边界条件,分析火风压作用下,火区烟气在不同控制风速、巷道条件作用下蔓延规律,得出不同因素与临界风速的关系,为选取合理的火灾控制风速提供理论依据。研究结果表明:火源温度一定时,巷道入口风速越低,火源下风侧高温烟流越靠近巷道顶部,随着风速增大,向巷道下部蔓延;风速较低时,在火区火风压的作用下,会产生烟流逆退现象,随着风速的增大,逆流层长度和厚度随之减小;巷道入口通风条件不变时,火区温度越高越容易产生烟流的逆退,影响范围越大;巷道高度越高、上行风坡度越小,越易发生逆退现象;不同影响因素与巷道平均温度不成正比关系,其中下行风坡度5~15°时巷道平均温度较高且易于发生烟流滚退现象,影响范围较大;火源温度、巷道条件与临界风速的数据拟合结果对预测巷道的临界风速有较好的参考价值。     

矿井巷道风流平均风速分布规律的试验与模拟研究

为探究巷道断面平均风速分布规律,准确测定风速大小,利用激光多普勒测速仪(LDA)进行测试试验,并通过Fluent数值模拟方法研究矩形、半圆拱和梯形巷道断面的风速分布特征。试验表明,风流质点速度呈湍流随机脉动特性,但服从正态分布。就瞬时风速而言,巷道断面平均风速分布环状曲线为不规则波浪形式;Fluent模拟表明,巷道风流充分发展的断面上的平均风速分布与通风风速大小无关,仅与巷道断面形状有关。基于统计平均的试验结果与Fluent数值模拟结果吻合较好,进一步说明,可以在巷道断面平均风速分布点位布置测点,考虑风流脉动影响,将该测点风流各态遍历周期内的速度统计均值作为巷道断面平均风速,无需系数校正。     

基于CFD的公路隧道火灾烟气分布规律研究

采用CFD数值模拟方法,建立隧道火灾模型,研究不同纵向通风风速和火源功率对隧道内火灾临界风速和烟气分布的影响。结果表明：烟流滚退距离受火源功率和通风风速影响,5、30、50 MW火源功率的临界风速分别为2.0、2.2、2.2 m/s;同一火源功率下,拱顶最高温度随着通风风速的增大,呈现出指数函数的下降趋势;同一通风风速下,拱顶最高温度随着火源功率的增大呈现正向线性关系,并且随着通风风速的增大,拱顶最高温度随功率增大的速度逐渐降低;不同火源功率及不同通风风速下,火源上风侧CO浓度均低于安全浓度（体积分数0.002 4%）,火源下风侧远高于安全浓度。故若隧道发生火灾,应启动排烟风机并使隧道内的风速高于2.0 m/s,且在火源上风侧开展救援及逃生。     

井下巷道-矿车系统风流扰动特征规律实验研究

针对井下巷道-矿车系统易造成巷道风流紊乱、影响矿井通风系统安全稳定性的问题,建立巷道-矿车系统风流扰动模式及影响因素体系,提出表征巷道-矿车系统的风流扰动特征的关键参数,包括巷道扰动风阻、阻塞比、矿车位置,推导矿车运行至巷道不同位置时巷道-矿车系统扰动风阻计算公式,研究巷道风速、阻塞比与巷道风阻的关系。研究结果表明：矿车在巷道中顺风行驶的速度大于风速时,巷道-矿车系统对通风系统进行增压调节;当矿车逆风行驶时,巷道-矿车系统的风阻随着矿井通风系统供风量的增大而减小,最大扰动为矿车驶出巷道时刻,阻塞比与巷道风阻呈现线性递增关系;此外,小风速、小断面巷道运行的矿车对巷道-矿车系统的风阻影响较大,模型求解结果与实测数据的最大误差为6.84%。研究结果可为矿井通风系统的智能化调控提供理论依据。     

双火源对隧道火灾临界风速影响的数值研究

为研究双火源隧道火灾所需临界风速的变化规律,利用火灾动力学软件FDS模拟了三种双火源隧道火灾,即两等火源功率的火灾、上风流火源功率较大火灾、上风流火源功率较小火灾。根据各火灾情景下所得临界风速u_(cr),分析两火源距离d、火源功率、上下风流位置关系对临界风速u_(cr)的影响规律。结果表明:随着两火源距离d的增加,所需临界风速u_(cr)逐渐减小,当两者达到临界距离d_x时,临界风速u_(cr)为稳定值,该值由两火源上下风流位置关系和总火源功率共同决定;同种双火源火灾随着总火源功率增大,所需的临界风速u_(cr)增大;随着两火源间距离d增大,各双火源火灾所需临界风速u_(cr)的减小幅度不同;两火源距离d为零时,所需临界风速u_(cr)略大于同火源功率的单火源火灾所需的临界风速。     

特长公路隧道火灾烟气沉降特性对人员疏散影响的研究*

为研究特长公路隧道火灾烟气沉降对人员疏散安全的影响,通过数值模拟方法,对0,1.0,1.5 m/s和临界风速值4种不同纵向通风风速下隧道火灾烟气沉降特征进行研究,并分析不同风速下烟气沉降对人员疏散的影响。研究结果表明:在无纵向风时,烟气沉降现象较为明显,烟气下沉造成的不均匀烟气温度、能见度分布,提前终止人员疏散的进行;随着纵向风速的增加,沉降现象仍存在,但沉降点后移,对人员疏散的影响减小;在1.5 m/s的纵向通风条件下,火源下游500 m范围内烟气基本不发生沉降且能维持分层,此时几乎不影响火灾下游人员疏散。在实际应用中,火灾初期可先以1.5 m/s的分层风速值进行通风,待下游人员疏散后,再施加临界风速加快烟气排出。研究结果可为特长公路隧道火灾防治和疏散救援提供参考。     

基于“O”型冒落的Y型通风采空区气体分布特征

为了掌握Y型通风采空区气体的分布规律,进一步为采空区瓦斯及火灾防治工作提供理论依据,基于采空区“O”型冒落压实和遗煤耗氧的非均匀性,针对Y型通风系统建立非均质采空区内气体渗流数值模型,采用Fluent数值模拟软件对采空区漏风流场和各组分气体浓度场进行模拟分析。结果显示:瓦斯和氧气浓度场在Y型通风采空区内大致呈“L”形分布;风流集中由工作面上、下隅角进入采空区;沿空留巷侧的瓦斯浓度高于运输巷侧,而氧气浓度却恰恰相反;两进一回的Y型通风方式能有效解决瓦斯在工作面上隅角积聚的问题;在采空区深部靠沿空留巷侧存在一个扇形的高瓦斯浓度区域,而该区域氧气浓度较低;采空区自燃危险区域在运输巷侧分布更广,应适当采取防火措施。     

突扩巷道流场风流分布特征的PIV实验研究

针对传统接触式瞬时速度测量方法的局限性,采用非接触测量技术粒子图像测速仪（PIV）获得了突扩巷道流场纵向截面风流分布特征。实验表明:瞬态风流分布“瞬息万变”,而时均流场中,突扩前平直巷道时均速度流线基本呈平滑直线,突扩后上下隅角有大涡存在,但呈现不对称分布,并且涡流区内风流方向极不稳定,且风速值相对于主流风速很低,约在-0.6~0.6 m/s之间波动,表明在煤矿井下测风时可以有条件地忽略涡流区;受突扩大涡湍流脉动影响,风流在距离突扩界面150 mm处开始呈现上扬趋势,突扩断面纵对称轴上风速分布峰值拐点发生了震荡性偏移;当下隅角回流区结束后,风速分布峰值拐点渐渐下移并逐渐呈现对称趋势,回流区内断面风速整体呈现出“Ω”型分布形式。为井下更为复杂的风流湍流流动研究提供了实验理论基础。     

风门对矿井火灾烟气流动特性影响的数值模拟研究*

为研究巷道内风门开启程度对矿井火灾烟气流动特性的影响,使用火灾动力学模拟软件FDS模拟0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0 m/s 6种通风风速,以及风门开启1/4,1/2,3/4和全开启4种情况对巷道火灾烟气流动特征参数温度和能见度的影响。结果表明:风速0.5,1.0 m/s 时,风门开启1/4最有利于人员逃生;风速1.5 m/s时,风门开启1/2最有利于人员逃生;风速高于1.5 m/s时,风门关闭影响巷道内风流流动,因此不宜关闭风门;在风门全开启时,随着风速增大,火源上风侧的温度降低、井下能见度升高,烟气的逆退距离缩短,当风速2.5 m/s时各监测点温度最稳定。     

矿井系统下行风流火灾实验与TF1M3D平台仿真研究

为直观反映矿井下行风流火灾时期风流紊乱现象,深入研究风流紊乱、火灾烟流扩散规律,搭建管道实验平台进行矿井下行风流火灾实验,应用TF1M3D软件对真实矿井火灾进行模拟仿真。结果表明:矿井发生下行风流火灾时,在火区热阻力和火风压作用下,主干风路风流发生衰减甚至逆流现象,主干风路风量达到极值的时间滞后于火源强度达到最大值的时间;模拟结果显示223上山风流随通风机能力增强,发生风流紊乱现象更明显;在火灾主干风路风流未发生逆退的情况下,223上山和-380副巷仍会发生风流逆转现象;通风机能力越强,主干风路风流克服火源作用、保持原状态的能力越强。     

矿井风流温度预测分析研究

随着煤矿机械化程度不断提高,特别是随着开采深度逐渐增加,矿井热害问题日益突显,高温环境不仅影响生产效率而且严重危害着工作人员的健康。为了更好地降低高温矿井开采时期巷道风流温度,确定合理的巷道布置方案和矿井通风系统,提出矿井巷道风流温度预测方法。以矿井通风和热力学为基础,结合网络解算,对矿井风流温度分布进行研究,总结各种类型巷道风流温度的计算方法,提出多点风流混合温度计算模型。结合具体矿井进行实际预测分析,预测结果中显示风流温度可能超限的巷道,对通风系统进行优化设计。     

掘进巷道瓦斯分布数值实验研究

根据局部通风流场特点确定适合矿井局部通风掘进巷道工作面瓦斯与风流质量交换的数学模型,在近壁面使用标准壁面函数法解决近壁面的流动,在湍流充分发展区,使用RNG k-ε双方程湍流模型;讨论考虑巷道支护的情况下壁面粗糙度的影响,确定矿井掘进工作面局部通风模型网格划分的方法、掘进头瓦斯涌出的边界条件;利用计算流体力学(CFD)软件Fluent对掘进工作面的风流与瓦斯的混合过程进行了模拟;得出不同瓦斯涌出量情况下掘进巷道工作面风流分布和瓦斯浓度的分布规律。研究表明:瓦斯涌出量和风速对流场分布有影响,随着瓦斯涌出量的增大和风速的降低,瓦斯对流场的影响越来越明显。     

基于FDS的风速对矿井火灾蔓延规律的影响研究

为研究不同风速与火源功率共同作用下矿井火灾蔓延规律的变化,以安源煤矿378工作面为研究对象,建立FDS矿井巷道火灾全尺寸模型,设置火源功率分别为3,6 MW,风速分别为0.25,1.25,2.25,3.25 m/s的8种工况。研究结果表明：相同风速下,巷道内温度及相同位置CO浓度值随火源功率增大而升高,巷道内能见度随火源功率增大而降低,且火源功率越大,能见度降到零的火灾区域越大;相同火源功率下,巷道内温度及相同位置CO浓度值随着风速增加而升高,能见度随风速增加而降低;火灾蔓延速率与风速成正比,风速的增大加速下风向火灾的发展,但会减缓上风向火势的蔓延。