流體力學(xué)l論文

1、礦井火災(zāi)時(shí)期的風(fēng)流紊亂 院 系 專 業(yè) 班 級(jí) 姓 名 學(xué) 號(hào) 指 導(dǎo) 教 師 推薦精選礦井火災(zāi)時(shí)期的風(fēng)流紊亂 摘要 礦井火災(zāi)發(fā)生以后，如果不能及時(shí)控制火勢(shì)，火災(zāi)產(chǎn)生的附加熱效應(yīng)將改變礦井中的風(fēng)流方向和流量，即產(chǎn)生風(fēng)流紊亂，而井下的風(fēng)流紊亂往往是造成人員重大傷亡、使災(zāi)害擴(kuò)大的主要因素。關(guān)鍵詞 流體力學(xué) 礦井火災(zāi) 風(fēng)流紊亂 火風(fēng)壓 一、風(fēng)流紊亂的基本形式 所謂風(fēng)流紊亂是指井下發(fā)生火災(zāi)時(shí)，在火和煙氣的作用下，正常情況時(shí)巷道內(nèi)風(fēng)流的流動(dòng)方向以及風(fēng)量的分配被打亂，火災(zāi)產(chǎn)生的有毒有害煙氣進(jìn)入到進(jìn)風(fēng)流中，使得事故范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，造成大量的人員傷亡。 風(fēng)流紊亂的基本形式是煙流逆退和風(fēng)流逆轉(zhuǎn)。1.煙流逆退 由

2、于浮升力的影響，火災(zāi)燃燒中的火焰與生成的煙氣一起向上流動(dòng)。如圖1-1所示，在礦井巷道中，如果火源處向上流動(dòng)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(jìn)、回兩個(gè)方向的流動(dòng)，其中巷道頂部逆著巷道進(jìn)風(fēng)方向流動(dòng)的煙流被稱為煙流逆退（smoke rollback）。 由于頂板對(duì)流動(dòng)的粘性影響，在十分貼近頂板的薄層內(nèi)，煙氣的流動(dòng)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小；而下降超過(guò)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(zhuǎn)向下流，然而熱煙氣仍具有一定的浮力，還會(huì)很快上浮。于是頂板上部的煙流會(huì)形成一連串的旋渦，它們可將煙氣層下方的空氣卷吸進(jìn)來(lái)，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(fēng)系統(tǒng)壓力的影響，流動(dòng)速度逐漸減小，最后又順風(fēng)流流動(dòng)，這種逆退煙流的回流現(xiàn)象也被稱為煙流滾退。在實(shí)驗(yàn)?zāi)M巷道中實(shí)拍到的煙流逆退現(xiàn)象如圖1-2所示。圖1-1 礦井火災(zāi)煙流逆退示意圖 圖1-2 火災(zāi)模擬實(shí)驗(yàn)中的煙流逆退現(xiàn)象 從煙流逆退的產(chǎn)生機(jī)制中可得出，煙流逆退在水平、下行或上行巷道中都會(huì)產(chǎn)生。顯然，在下行巷道中逆退的煙流量最大，因?yàn)榛馂?zāi)煙流浮力的作用方向與風(fēng)流流動(dòng)方向是相反的；在上行巷道中逆退的煙流量最小，因?yàn)闊熈鞲×Φ淖饔梅较蚺c風(fēng)流流動(dòng)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(huì)對(duì)在風(fēng)流上風(fēng)側(cè)滅火的救護(hù)隊(duì)

4、員造成威脅，逆退回來(lái)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(shí)還會(huì)使滅火隊(duì)員的頭頂上方的可燃物燃燒起來(lái)。伴隨煙流的逆退，火煙有時(shí)也可能進(jìn)入到進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)中，在富燃料燃燒時(shí)還可能產(chǎn)生回燃和爆炸現(xiàn)象，這都將帶來(lái)更大的危害，使事故擴(kuò)大。推薦精選2. 風(fēng)流逆轉(zhuǎn)在礦井火災(zāi)時(shí)期，火災(zāi)產(chǎn)生的火風(fēng)壓可能會(huì)造成某些支路壓力的變化，從而會(huì)改變風(fēng)流的流動(dòng)方向。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中的某分支風(fēng)流方向發(fā)生改變的現(xiàn)象叫風(fēng)流逆轉(zhuǎn)，即該分支的風(fēng)流方向與未起火時(shí)的方向相反。一般風(fēng)流的逆轉(zhuǎn)會(huì)使火災(zāi)區(qū)域擴(kuò)大，為救災(zāi)和人員逃生帶來(lái)更大的危害。過(guò)去國(guó)內(nèi)外發(fā)生的許多起重特大火災(zāi)和瓦斯爆炸事故，都是由于發(fā)生風(fēng)流逆轉(zhuǎn)

5、而造成了大量人員的傷亡。因此，保證礦井通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定和防止風(fēng)流逆轉(zhuǎn)是礦井抗災(zāi)能力的一個(gè)最重要標(biāo)志，同時(shí)也是礦井火災(zāi)時(shí)期救災(zāi)工作的一個(gè)重要原則。二、風(fēng)流紊亂的產(chǎn)生原因 外因火災(zāi)使火災(zāi)及附近地點(diǎn)空氣的溫度迅速上升，這就使空氣產(chǎn)生熱膨脹。與此同時(shí)，由于熱的作用會(huì)帶來(lái)兩方面的影響。一方面，由于對(duì)空氣的加熱使其密度下降，在非水平的巷道分支將產(chǎn)生附加火風(fēng)壓；另一方面，通風(fēng)巷道中會(huì)產(chǎn)生熱膨脹，就會(huì)減少主干通風(fēng)巷道的質(zhì)量流量，即產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)。以上兩項(xiàng)作用將改變礦井通風(fēng)系統(tǒng)的壓力分布，從而改變?cè)械V井風(fēng)量分配并產(chǎn)生風(fēng)流紊亂，擴(kuò)大事故范圍，帶來(lái)嚴(yán)重后果。1. 火風(fēng)壓 礦井發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火災(zāi)的熱力作用會(huì)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(huì)產(chǎn)生一種浮升力，這個(gè)浮升力的大小與巷道的高差以及火災(zāi)前后的空氣密度有關(guān)。在地面建筑中這種現(xiàn)象也很普遍，被稱為煙囪效應(yīng)，即通常室內(nèi)空氣的密度比外界小，這便產(chǎn)生了使氣體向上運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)十分顯著，這種現(xiàn)象有時(shí)也叫熱風(fēng)壓。 在礦井中，火災(zāi)產(chǎn)生的熱動(dòng)力是一種浮升力，這種浮力效應(yīng)就被稱為火風(fēng)壓，它的產(chǎn)生機(jī)制與礦井自然風(fēng)壓產(chǎn)生機(jī)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(fēng)壓。因此火風(fēng)壓的定義是井下發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于高溫?zé)熈髁鹘?jīng)有

7、標(biāo)高差的井巷所產(chǎn)生的附加風(fēng)壓。 從熱力學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，火風(fēng)壓可理解為風(fēng)流密度變化在垂直方向上產(chǎn)生的浮升力的總和，實(shí)質(zhì)上就是礦井火災(zāi)時(shí)期高溫?zé)熈髁鹘?jīng)傾斜或垂直井巷時(shí)所造成的自然風(fēng)壓的增量。按照作用范圍的不同，火風(fēng)壓可以分為: 局部火風(fēng)壓全礦火風(fēng)壓1） 局部火風(fēng)壓 局部火風(fēng)壓是指礦井發(fā)生火災(zāi)后高溫火煙流經(jīng)每段傾斜或垂直的井巷時(shí)，在局部區(qū)段上產(chǎn)生的火風(fēng)壓。一般來(lái)說(shuō)，只有在存在高差的傾斜及垂直巷道才會(huì)產(chǎn)生明顯的火風(fēng)壓，水平巷道因標(biāo)高差很小，所產(chǎn)生的火風(fēng)壓可忽略不計(jì)。局部火風(fēng)壓的作用相當(dāng)于在高溫?zé)熈髁鹘?jīng)的風(fēng)路上安設(shè)了一系列輔助通風(fēng)機(jī)。 局部火風(fēng)壓具有方向性，其作用方向總是向上。因此，當(dāng)火區(qū)位于上行風(fēng)流中時(shí)

8、，局部火風(fēng)壓的作用方向與機(jī)械風(fēng)壓作用方向一致；當(dāng)火區(qū)位于下行風(fēng)流時(shí)，局部火風(fēng)壓的作用方向與機(jī)械風(fēng)壓作用方向相反，稱之為負(fù)火風(fēng)壓。推薦精選局部火風(fēng)壓的大小及其變化對(duì)風(fēng)流逆轉(zhuǎn)起關(guān)鍵作用，準(zhǔn)確計(jì)算火風(fēng)壓對(duì)預(yù)測(cè)、分析和防止火災(zāi)時(shí)期的風(fēng)流紊亂具有重要意義。根據(jù)火風(fēng)壓的定義，火風(fēng)壓的值等于發(fā)火后礦井的自然風(fēng)壓值與發(fā)火前礦井的自然風(fēng)壓之差，如下圖為一礦井通風(fēng)示意圖，若在出風(fēng)井井底車場(chǎng)發(fā)生火災(zāi)，局部火風(fēng)壓為：式中： 火風(fēng)壓，Pa； 高溫?zé)熈髁鹘?jīng)回風(fēng)井筒的垂高，m； 礦井進(jìn)風(fēng)井筒內(nèi)風(fēng)流的平均密度，kg/m3； 發(fā)火前出風(fēng)井筒內(nèi)風(fēng)流的平均密度，kg/m3； 發(fā)火后出風(fēng)井筒內(nèi)煙流的平均密度，kg/m3； 重力加速度

9、，m/s2。 2） 全礦火風(fēng)壓礦井發(fā)生火災(zāi)后，高溫火煙流經(jīng)每段傾斜或垂直井巷時(shí)，所產(chǎn)生的局部火風(fēng)壓之和即稱之為全礦火風(fēng)壓。由于連接進(jìn)出風(fēng)井口的大氣可以看作一個(gè)風(fēng)阻為零的支路，礦井的通風(fēng)系統(tǒng)可以看作是一個(gè)封閉回路系統(tǒng)，因此全礦火風(fēng)壓就是該封閉回路中的各分支局部火風(fēng)壓的代數(shù)和，更為準(zhǔn)確的全礦火風(fēng)壓的計(jì)算式為：2.節(jié)流效應(yīng)礦井火災(zāi)時(shí)期，受火煙的熱力作用的影響，主干風(fēng)路以及旁側(cè)支路中的風(fēng)量往往會(huì)隨著火勢(shì)的發(fā)展而發(fā)生變化。由于礦井火災(zāi)的發(fā)生，巷道內(nèi)的氣體受熱膨脹，流動(dòng)阻力增大而造成空氣質(zhì)量流量減少的現(xiàn)象稱之為節(jié)流效應(yīng)。節(jié)流效應(yīng)是礦井火災(zāi)過(guò)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(shè)通風(fēng)巷道的前

10、端受到火災(zāi)的影響，氣流流經(jīng)該巷道后克服摩擦做功，記為P ，單位為W。 式中：H巷道通風(fēng)阻力，Pa；R風(fēng)阻，N.s2/m8；Q風(fēng)流的體積流量，m3/s；M風(fēng)流的質(zhì)量流量，kg/s；空氣的密度，m/s3；Rt 與密度無(wú)關(guān)的巷道通風(fēng)阻力系數(shù)， Rt =R/ 。經(jīng)轉(zhuǎn)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(zāi)時(shí)，空氣的密度因熱力作用而減小，空氣的質(zhì)量流量也會(huì)下降，但是，相反的是，空氣的體積流量卻會(huì)增加，這就是節(jié)流效應(yīng)。三、風(fēng)流紊亂的發(fā)生條件1、上行通風(fēng)時(shí)的旁側(cè)支路風(fēng)流逆轉(zhuǎn)條件旁側(cè)支路風(fēng)流的逆轉(zhuǎn)主要是由于在上行風(fēng)路中產(chǎn)生了較大的局部火風(fēng)壓 。

11、如圖2-1所示的簡(jiǎn)化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)火災(zāi)發(fā)生在采區(qū)的上山內(nèi)即上行風(fēng)路a1中，此時(shí)主干風(fēng)路12A3F4B56的風(fēng)向一般保持原來(lái)的方向不變，而旁側(cè)支路a2、b、c2則可能會(huì)發(fā)生風(fēng)流逆轉(zhuǎn)。 圖2-1 上行風(fēng)流中發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)網(wǎng)示意圖圖2-4 下行風(fēng)流發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)網(wǎng)示圖2、 下行通風(fēng)時(shí)的主干風(fēng)路風(fēng)流逆轉(zhuǎn) 下行風(fēng)流中發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火風(fēng)壓的方向與主通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓作用的方向相反，井下風(fēng)流紊亂的情況與上行風(fēng)流發(fā)生火災(zāi)的情況具有本質(zhì)的差別。 如圖2-4所示的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)支路a是內(nèi)部分系統(tǒng)，b是旁側(cè)支路，c是外部分系統(tǒng)。h0為外部分系統(tǒng)風(fēng)壓，hi為內(nèi)部分系統(tǒng)的火風(fēng)壓，hl為旁側(cè)支路內(nèi)的火風(fēng)壓。各支路（a、b、c）的風(fēng)流方向是

12、由h0、hi、hl三個(gè)量所決定的。顯然，h0、hi、hl三者之中最大者（hmax）所在支路的風(fēng)流具有固定方向且與最大風(fēng)壓（hmax） 的作用方向相同；三者中的最小者（hmin）所在的支路的風(fēng)流方向也具有固定方向但與最小風(fēng)壓（hmin）的作用方向相反；而中值風(fēng)壓（hm）所在支路的風(fēng)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(zhuǎn)。 如圖2-4所示的情形，要使風(fēng)流保持原有的方向（即發(fā)火前的方向），只有當(dāng)h0大于hi和hl時(shí)才有可能。若hi和hl中任何一個(gè)大于h0，而另一個(gè)小于h0時(shí)，外部分系統(tǒng)的風(fēng)流便可能發(fā)生逆轉(zhuǎn)；若hi和hl均大于h0時(shí)，則外部分系統(tǒng)的風(fēng)流肯定要發(fā)生逆轉(zhuǎn)。推薦精選四、風(fēng)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(zāi)事故，最緊急的工作之一就是對(duì)井下風(fēng)流進(jìn)行有效控制，防止風(fēng)流紊亂的發(fā)生。如果控風(fēng)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(zāi)害范圍擴(kuò)大，還可以最大限度的減少災(zāi)害的損失以及避免人員傷亡。常用的風(fēng)流控制的方法包括：反風(fēng)法短路法調(diào)壓法1、反風(fēng)法1） 全礦反風(fēng) 當(dāng)產(chǎn)生大量有毒有害氣體的事故（如火災(zāi)、瓦斯或煤塵爆炸等）發(fā)生在礦井的主進(jìn)風(fēng)區(qū)域（如井底車場(chǎng)、主要進(jìn)風(fēng)道等），必須及時(shí)采取全礦反風(fēng)措施，否則爆炸產(chǎn)生的有毒有害氣體或火災(zāi)產(chǎn)生的高溫?zé)熈骶蜁?huì)隨進(jìn)風(fēng)流侵入到井下各個(gè)工作場(chǎng)所，會(huì)使災(zāi)害進(jìn)一步擴(kuò)大。2）局部反風(fēng)局部反風(fēng)方法適用于采區(qū)

14、內(nèi)部進(jìn)風(fēng)側(cè)發(fā)生火災(zāi)，特別是下行風(fēng)流工作面的進(jìn)風(fēng)側(cè)發(fā)生火災(zāi)的情況，通過(guò)預(yù)先設(shè)置一些控風(fēng)設(shè)施，一旦發(fā)生火災(zāi)及時(shí)啟動(dòng)這些設(shè)施，使得風(fēng)流在此區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)反向流動(dòng)，將有害氣體和煙流直接引入到礦井或采區(qū)的回風(fēng)巷道內(nèi)，使災(zāi)變煙流不侵襲工作場(chǎng)所，并可有效地防止下行風(fēng)流的主干風(fēng)路發(fā)生逆轉(zhuǎn)。2 短路法當(dāng)事故發(fā)生在進(jìn)風(fēng)側(cè)時(shí)，在有害氣體、煙流流經(jīng)巷道的前方尋找與礦井總回風(fēng)道、采區(qū)回風(fēng)巷或工作面回風(fēng)巷相連接的聯(lián)絡(luò)巷，將其風(fēng)門打開，使風(fēng)流短路，將氣流直接引入回風(fēng)流中。這種方法適用于防止下行風(fēng)流發(fā)生煙流逆退或者風(fēng)流逆轉(zhuǎn)。3 調(diào)壓法 調(diào)壓法多用于防止上行風(fēng)流的旁側(cè)支路發(fā)生風(fēng)流逆轉(zhuǎn)。根據(jù)上行風(fēng)流旁側(cè)支路風(fēng)流逆轉(zhuǎn)的公式可以得到以下

15、幾種風(fēng)流逆轉(zhuǎn)的防治措施：1） 降低內(nèi)部分系統(tǒng)的局部火風(fēng)壓（hi），措施如下：（1）在火源的上風(fēng)頭張掛風(fēng)簾或構(gòu)筑臨時(shí)防火墻以控制向火源供風(fēng)，阻止火勢(shì)的進(jìn)一步發(fā)展；（2） 采取直接滅火措施控制火勢(shì)發(fā)展，撲滅火災(zāi)。2） 提高或保持外部分系統(tǒng)的風(fēng)壓值（ho），措施如下：（1）要保持擔(dān)負(fù)火區(qū)通風(fēng)的主通風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；（2）決不允許停止主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行，更不能放下主通風(fēng)機(jī)閘門；（3）軸流式風(fēng)機(jī)可通過(guò)調(diào)整葉片角度來(lái)提高主通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓；（4）離心式風(fēng)機(jī)可通過(guò)調(diào)整前導(dǎo)器來(lái)提高主通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓。3）增大內(nèi)部分系統(tǒng)的風(fēng)阻值（Ri），措施如下：（1）在火源的進(jìn)風(fēng)側(cè)張掛風(fēng)簾；（2）在火源的進(jìn)風(fēng)側(cè)構(gòu)筑臨時(shí)密閉。 在高瓦斯礦井中實(shí)施這一措施時(shí)，應(yīng)對(duì)火區(qū)中瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行有效的監(jiān)控，并及時(shí)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(fēng)阻值（Ro），措施如下：（1）提起排煙主通風(fēng)機(jī)風(fēng)峒中的閘門；推薦精選（2）開啟排煙道路上的調(diào)節(jié)風(fēng)門；（3）防止局部冒頂事故的發(fā)生，以免造成排煙通道的