[发明专利]矿井外因火灾的数值模拟方法

说明书

本发明涉及一种矿井外因火灾的数值模拟方法，包括如下步骤：模型的建立；网格的划分；火源燃烧模型的确定；初始条件设置；边界条件设置；输出参数的确定。该矿井外因火灾的数值模拟方法可以最低成本最高效率的研究各种不同工况下的外因火灾情况，从而控制并减少矿井火灾、瓦斯爆炸等重大恶性事故的发生。

技术领域：

本发明涉及煤矿火灾防治技术领域，尤其涉及一种矿井外因火灾的数值模拟方法。

背景技术：

近年来，世界各地都发生过矿井外因火灾。巷道属于狭长受限空间，一旦发生火灾，内部温度较高，热量不易消散，烟气扩散与人员疏散通道单一，火灾扑救和人员疏散极为困难，往往造成重大的人员伤亡和财产损失，因此需要研究人员对外因火灾进行科学深入的研究。巷道外因火灾研究的主要方法有全尺寸研究法、实验室实验法(缩尺模型)、计算机数值模拟等几种方法。全尺寸火灾实验研究由于运作成本高昂实验数量受到限制，而模型实验研究虽然能够有效降低实验成本，但是模型比例受到火灾相似理论可靠性的制约，实际上尺寸范围非常有限，即以现有的技术条件巷道燃烧火灾强度范围有限。

逆流层现象是在火灾模型试验中发现的。在风速较低而燃烧强度较大的巷道火灾试验中，燃烧过程中出现了巷道顶板附近的烟流逆风流方向流动的现象，即新鲜风流与烟气流分层流动，在巷道同一断面上，形成下部新鲜风流向火区方向流动，上部烟流逆风流方向流动的情况，这种现象称为火灾烟流逆流层现象。针对巷道火灾中出现的烟流的逆流层现象，国内外学者提出了“临界风速”的概念。烟气逆流层通常可以通过增大风速的方法消除，能够恰好消除烟气逆流层的风速称为临界风速。现有研究结果表明，当巷道内存在较高的纵向风速时，可以有效地将烟气控制在火源的一侧，从而有助于求援人员靠近火区实现灭火，但当纵向风速过大时，不仅设备投资增大，而且加快了气流的紊乱程度，在较短的时间内破坏了烟气的分层贴附现象，使巷道断面提前充满烟气，不利于火源下风向人员的疏散。采用临界风速控制烟气的流动，既能防止上游逆流的烟雾危害和阻塞车辆与行人，又能延长烟雾在巷道顶壁的贴附时间，避免烟雾在下游扩散太长的距离，从而增加人员疏散时间和安全性。因此，研究巷道火灾时临界通风风速具有重要的意义。

发明内容：

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种矿井外因火灾的数值模拟方法，可以最低成本最高效率的研究各种不同工况下的外因火灾情况，从而控制并减少矿井火灾、瓦斯爆炸等重大恶性事故的发生。

根据实际情况，为简化问题的复杂性，作如下的假设：

(1)在巷道内流动过程中，燃烧产生的高温烟流在不再发生化学反应；

(2)发生火灾前巷道内风流为充分发展的紊流流动，风流温度均匀；

(3)火灾产生的烟流视为多组分理想气体，风流及烟流遵循理想气体状态方程；

(4)巷道壁面温度等于围岩冷却带温度，壁面干燥无渗透，且火灾期间保持恒温。

采用FDS进行火灾条件下矿井安全相关因素的模拟研究，FDS软件属于场模拟软件，是以大涡模拟(LES)为基础的三维计算流体力学软件(CFD)。其采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的N-S方程，重点计算火灾中的烟气和热传递过程。

火灾条件下的流场与浓度场的基本方程如下：

连续方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

组份守恒方程：

因此，本发明提供一种矿井外因火灾的数值模拟方法，包括如下步骤：