流體力學l論文

1、礦井火災時期的風流紊亂 院 系 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 指 導 教 師 推薦精選礦井火災時期的風流紊亂 摘要 礦井火災發(fā)生以后，如果不能及時控制火勢，火災產生的附加熱效應將改變礦井中的風流方向和流量，即產生風流紊亂，而井下的風流紊亂往往是造成人員重大傷亡、使災害擴大的主要因素。關鍵詞 流體力學 礦井火災 風流紊亂 火風壓 一、風流紊亂的基本形式 所謂風流紊亂是指井下發(fā)生火災時，在火和煙氣的作用下，正常情況時巷道內風流的流動方向以及風量的分配被打亂，火災產生的有毒有害煙氣進入到進風流中，使得事故范圍進一步擴大，造成大量的人員傷亡。 風流紊亂的基本形式是煙流逆退和風流逆轉。1.煙流逆退 由

2、于浮升力的影響，火災燃燒中的火焰與生成的煙氣一起向上流動。如圖1-1所示，在礦井巷道中，如果火源處向上流動的煙流受頂板的阻擋，熱煙氣將在巷道的頂部形成沿巷道進、回兩個方向的流動，其中巷道頂部逆著巷道進風方向流動的煙流被稱為煙流逆退（smoke rollback）。 由于頂板對流動的粘性影響，在十分貼近頂板的薄層內，煙氣的流動速度比較低；隨著垂直向下離開頂板距離的增加，其速度先增加然后減?。欢陆党^一定距離后，速度便逐漸減小為零。這種速度分布使得煙流前鋒的煙氣轉向下流，然而熱煙氣仍具有一定的浮力，還會很快上浮。于是頂板上部的煙流會形成一連串的旋渦，它們可將煙氣層下方的空氣卷吸進來，因此煙流的厚

3、度逐漸增加，而速度逐漸降低。逆退的煙流由于受到通風系統(tǒng)壓力的影響，流動速度逐漸減小，最后又順風流流動，這種逆退煙流的回流現(xiàn)象也被稱為煙流滾退。在實驗模擬巷道中實拍到的煙流逆退現(xiàn)象如圖1-2所示。圖1-1 礦井火災煙流逆退示意圖 圖1-2 火災模擬實驗中的煙流逆退現(xiàn)象 從煙流逆退的產生機制中可得出，煙流逆退在水平、下行或上行巷道中都會產生。顯然，在下行巷道中逆退的煙流量最大，因為火災煙流浮力的作用方向與風流流動方向是相反的；在上行巷道中逆退的煙流量最小，因為煙流浮力的作用方向與風流流動方向一致；而水平巷道中的煙氣逆退流量則介于這二者之間。 煙流逆退的危害：煙流逆退現(xiàn)象會對在風流上風側滅火的救護隊

4、員造成威脅，逆退回來的煙氣中往往包含了大量的有毒有害氣體（如一氧化碳、二氧化硫等），其所挾帶的熱量有時還會使滅火隊員的頭頂上方的可燃物燃燒起來。伴隨煙流的逆退，火煙有時也可能進入到進風系統(tǒng)中，在富燃料燃燒時還可能產生回燃和爆炸現(xiàn)象，這都將帶來更大的危害，使事故擴大。推薦精選2. 風流逆轉在礦井火災時期，火災產生的火風壓可能會造成某些支路壓力的變化，從而會改變風流的流動方向。通風網(wǎng)絡中的某分支風流方向發(fā)生改變的現(xiàn)象叫風流逆轉，即該分支的風流方向與未起火時的方向相反。一般風流的逆轉會使火災區(qū)域擴大，為救災和人員逃生帶來更大的危害。過去國內外發(fā)生的許多起重特大火災和瓦斯爆炸事故，都是由于發(fā)生風流逆轉

5、而造成了大量人員的傷亡。因此，保證礦井通風系統(tǒng)的穩(wěn)定和防止風流逆轉是礦井抗災能力的一個最重要標志，同時也是礦井火災時期救災工作的一個重要原則。二、風流紊亂的產生原因 外因火災使火災及附近地點空氣的溫度迅速上升，這就使空氣產生熱膨脹。與此同時，由于熱的作用會帶來兩方面的影響。一方面，由于對空氣的加熱使其密度下降，在非水平的巷道分支將產生附加火風壓；另一方面，通風巷道中會產生熱膨脹，就會減少主干通風巷道的質量流量，即產生節(jié)流效應。以上兩項作用將改變礦井通風系統(tǒng)的壓力分布，從而改變原有礦井風量分配并產生風流紊亂，擴大事故范圍，帶來嚴重后果。1. 火風壓 礦井發(fā)生火災時，火災的熱力作用會使空氣的溫度增

6、高而發(fā)生膨脹，密度小的熱空氣在有高差的巷道中就會產生一種浮升力，這個浮升力的大小與巷道的高差以及火災前后的空氣密度有關。在地面建筑中這種現(xiàn)象也很普遍，被稱為煙囪效應，即通常室內空氣的密度比外界小，這便產生了使氣體向上運動的浮升力，尤其是在高層建筑中的許多豎井，如樓梯井、電梯井等，氣體的上升運動十分顯著，這種現(xiàn)象有時也叫熱風壓。 在礦井中，火災產生的熱動力是一種浮升力，這種浮力效應就被稱為火風壓，它的產生機制與礦井自然風壓產生機制是一致的，都是在傾斜和垂直的巷道上出現(xiàn)的空氣的密度差所致，只是使空氣密度發(fā)生變化的熱源不同，因此二者都可稱為熱風壓。因此火風壓的定義是井下發(fā)生火災時，由于高溫煙流流經有

7、標高差的井巷所產生的附加風壓。 從熱力學的角度來說，火風壓可理解為風流密度變化在垂直方向上產生的浮升力的總和，實質上就是礦井火災時期高溫煙流流經傾斜或垂直井巷時所造成的自然風壓的增量。按照作用范圍的不同，火風壓可以分為: 局部火風壓全礦火風壓1） 局部火風壓 局部火風壓是指礦井發(fā)生火災后高溫火煙流經每段傾斜或垂直的井巷時，在局部區(qū)段上產生的火風壓。一般來說，只有在存在高差的傾斜及垂直巷道才會產生明顯的火風壓，水平巷道因標高差很小，所產生的火風壓可忽略不計。局部火風壓的作用相當于在高溫煙流流經的風路上安設了一系列輔助通風機。 局部火風壓具有方向性，其作用方向總是向上。因此，當火區(qū)位于上行風流中時

8、，局部火風壓的作用方向與機械風壓作用方向一致；當火區(qū)位于下行風流時，局部火風壓的作用方向與機械風壓作用方向相反，稱之為負火風壓。推薦精選局部火風壓的大小及其變化對風流逆轉起關鍵作用，準確計算火風壓對預測、分析和防止火災時期的風流紊亂具有重要意義。根據(jù)火風壓的定義，火風壓的值等于發(fā)火后礦井的自然風壓值與發(fā)火前礦井的自然風壓之差，如下圖為一礦井通風示意圖，若在出風井井底車場發(fā)生火災，局部火風壓為：式中： 火風壓，Pa； 高溫煙流流經回風井筒的垂高，m； 礦井進風井筒內風流的平均密度，kg/m3； 發(fā)火前出風井筒內風流的平均密度，kg/m3； 發(fā)火后出風井筒內煙流的平均密度，kg/m3； 重力加速度

9、，m/s2。 2） 全礦火風壓礦井發(fā)生火災后，高溫火煙流經每段傾斜或垂直井巷時，所產生的局部火風壓之和即稱之為全礦火風壓。由于連接進出風井口的大氣可以看作一個風阻為零的支路，礦井的通風系統(tǒng)可以看作是一個封閉回路系統(tǒng)，因此全礦火風壓就是該封閉回路中的各分支局部火風壓的代數(shù)和，更為準確的全礦火風壓的計算式為：2.節(jié)流效應礦井火災時期，受火煙的熱力作用的影響，主干風路以及旁側支路中的風量往往會隨著火勢的發(fā)展而發(fā)生變化。由于礦井火災的發(fā)生，巷道內的氣體受熱膨脹，流動阻力增大而造成空氣質量流量減少的現(xiàn)象稱之為節(jié)流效應。節(jié)流效應是礦井火災過程中的一種典型現(xiàn)象，它類似于管道流中的熱壅塞現(xiàn)象。假設通風巷道的前

10、端受到火災的影響，氣流流經該巷道后克服摩擦做功，記為P ，單位為W。 式中：H巷道通風阻力，Pa；R風阻，N.s2/m8；Q風流的體積流量，m3/s；M風流的質量流量，kg/s；空氣的密度，m/s3；Rt 與密度無關的巷道通風阻力系數(shù)， Rt =R/ 。經轉換，方程可以寫成：由于P和Rt均為常數(shù)，所以：由于M=Q，又可以得到：推薦精選由式可以發(fā)現(xiàn)：礦井發(fā)生火災時，空氣的密度因熱力作用而減小，空氣的質量流量也會下降，但是，相反的是，空氣的體積流量卻會增加，這就是節(jié)流效應。三、風流紊亂的發(fā)生條件1、上行通風時的旁側支路風流逆轉條件旁側支路風流的逆轉主要是由于在上行風路中產生了較大的局部火風壓 。

11、如圖2-1所示的簡化通風網(wǎng)絡，設火災發(fā)生在采區(qū)的上山內即上行風路a1中，此時主干風路12A3F4B56的風向一般保持原來的方向不變，而旁側支路a2、b、c2則可能會發(fā)生風流逆轉。 圖2-1 上行風流中發(fā)生火災的風網(wǎng)示意圖圖2-4 下行風流發(fā)生火災的風網(wǎng)示圖2、 下行通風時的主干風路風流逆轉 下行風流中發(fā)生火災時，火風壓的方向與主通風機風壓作用的方向相反，井下風流紊亂的情況與上行風流發(fā)生火災的情況具有本質的差別。 如圖2-4所示的通風網(wǎng)絡，設支路a是內部分系統(tǒng)，b是旁側支路，c是外部分系統(tǒng)。h0為外部分系統(tǒng)風壓，hi為內部分系統(tǒng)的火風壓，hl為旁側支路內的火風壓。各支路（a、b、c）的風流方向是

12、由h0、hi、hl三個量所決定的。顯然，h0、hi、hl三者之中最大者（hmax）所在支路的風流具有固定方向且與最大風壓（hmax） 的作用方向相同；三者中的最小者（hmin）所在的支路的風流方向也具有固定方向但與最小風壓（hmin）的作用方向相反；而中值風壓（hm）所在支路的風流方向則是不定的，可能保持原有的方向，也可能發(fā)生逆轉。 如圖2-4所示的情形，要使風流保持原有的方向（即發(fā)火前的方向），只有當h0大于hi和hl時才有可能。若hi和hl中任何一個大于h0，而另一個小于h0時，外部分系統(tǒng)的風流便可能發(fā)生逆轉；若hi和hl均大于h0時，則外部分系統(tǒng)的風流肯定要發(fā)生逆轉。推薦精選四、風流紊亂

13、的防止措施 煤礦井下一旦發(fā)生事故后，特別是重大的爆炸或火災事故，最緊急的工作之一就是對井下風流進行有效控制，防止風流紊亂的發(fā)生。如果控風措施合理，不僅可以有效地限制煙流在井巷中發(fā)生非控制性蔓延，防止災害范圍擴大，還可以最大限度的減少災害的損失以及避免人員傷亡。常用的風流控制的方法包括：反風法短路法調壓法1、反風法1） 全礦反風 當產生大量有毒有害氣體的事故（如火災、瓦斯或煤塵爆炸等）發(fā)生在礦井的主進風區(qū)域（如井底車場、主要進風道等），必須及時采取全礦反風措施，否則爆炸產生的有毒有害氣體或火災產生的高溫煙流就會隨進風流侵入到井下各個工作場所，會使災害進一步擴大。2）局部反風局部反風方法適用于采區(qū)

14、內部進風側發(fā)生火災，特別是下行風流工作面的進風側發(fā)生火災的情況，通過預先設置一些控風設施，一旦發(fā)生火災及時啟動這些設施，使得風流在此區(qū)域內實現(xiàn)反向流動，將有害氣體和煙流直接引入到礦井或采區(qū)的回風巷道內，使災變煙流不侵襲工作場所，并可有效地防止下行風流的主干風路發(fā)生逆轉。2 短路法當事故發(fā)生在進風側時，在有害氣體、煙流流經巷道的前方尋找與礦井總回風道、采區(qū)回風巷或工作面回風巷相連接的聯(lián)絡巷，將其風門打開，使風流短路，將氣流直接引入回風流中。這種方法適用于防止下行風流發(fā)生煙流逆退或者風流逆轉。3 調壓法 調壓法多用于防止上行風流的旁側支路發(fā)生風流逆轉。根據(jù)上行風流旁側支路風流逆轉的公式可以得到以下

15、幾種風流逆轉的防治措施：1） 降低內部分系統(tǒng)的局部火風壓（hi），措施如下：（1）在火源的上風頭張掛風簾或構筑臨時防火墻以控制向火源供風，阻止火勢的進一步發(fā)展；（2） 采取直接滅火措施控制火勢發(fā)展，撲滅火災。2） 提高或保持外部分系統(tǒng)的風壓值（ho），措施如下：（1）要保持擔負火區(qū)通風的主通風機正常運轉；（2）決不允許停止主通風機運行，更不能放下主通風機閘門；（3）軸流式風機可通過調整葉片角度來提高主通風機風壓；（4）離心式風機可通過調整前導器來提高主通風機風壓。3）增大內部分系統(tǒng)的風阻值（Ri），措施如下：（1）在火源的進風側張掛風簾；（2）在火源的進風側構筑臨時密閉。 在高瓦斯礦井中實施這一措施時，應對火區(qū)中瓦斯?jié)舛冗M行有效的監(jiān)控，并及時檢查是否存在瓦斯局部聚積的情況，防止發(fā)生再生事故。4） 減小外部分系統(tǒng)的風阻值（Ro），措施如下：（1）提起排煙主通風機風峒中的閘門；推薦精選（2）開啟排煙道路上的調節(jié)風門；（3）防止局部冒頂事故的發(fā)生，以免造成排煙通道的