D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2004.02.002 第26卷第2期 北京科技大学学报 VoL.26 No.2 2004年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2004 平巷烟流滚退逆行规律 周心权王海燕赵红泽 中国矿业大学（北京校区），北京100083 摘要运用环境流体力学及传热学的相关理论，研究了水平巷道火灾烟流滚退规律，通过 对滚退烟流与巷壁间的热交换过程分析，得出了滚退发生时烟流逆行距离的函数表达式，并 对其进行简化以便于实际应用、 关键词矿井火灾；烟流滚退；逆行距离 分类号TD752.1 烟流滚退是矿井火灾时期常见的、危害严重 的推力而发生弯曲，不再是垂向轴对称，因而应 的风流紊乱现象之一，其表现形式为在火源下风 视为横流中的浮羽流.当发生烟流滚退时，风流 侧节流效应和巷道断面温度、压力梯度影响下， 速度较低，并且受巷道顶板的限制，羽流撞击顶 新鲜风流沿巷道底部按原风向流入火源的同时， 板前的弯曲程度较小，因而可将撞击顶板前的火 火源产生的烟流沿上风侧巷道顶部逆向回退并 烟羽流视为近区流动.利用环境流体力学理论， 翻卷流向火源.烟流滚退会导致火源上风侧烟流 对火烟羽流可建立起以下几个量纲为1的关系 与新鲜风流摻混后，再逆流回火源，从而对火源 式B,利 上风侧从事直接灭火的人员构成威胁，并且在一 体积流量： Q=kB。nz (1) 定的条件下诱发瓦斯爆炸.因此，掌握烟流滚退 轴线密度差： =k2|三 (2) △p W2霜z知 发生的规律，对矿井火灾救灾安全具有重要的意 浮羽流半径厚度： b=kaz (3) 义，烟流滚退的重要特征就是产生逆流层，因而 羽流断面密度差分布： 逆流层的长度，即烟流滚退逆行距离对火灾安全 p(z,r）=△p.eiv (4) 亦具有重要意义.本文在文献[3]的基础上，对 平巷烟流滚退规律及其逆行距离进行了研究， 式中，4为风流速度，m/s:m为特征尺度，2。=圆， m:B,为羽流的起始浮力通量，B。=Q△pagp,m/s: 1火烟羽流模型 为羽流的起始流量，ms;△p为羽流的起始密 度差，△p,=p一p,kgm;p为羽流的起始密度，kg 在火灾过程中，由于燃烧产物和邻近火源的 m':p,为风流密度，kgm;△pm为羽流的轴线密度 气体受热而体积膨胀，密度减少，相对于周围气 差，△pm=Pm一pa,kgm;pm为羽流的轴线密度，kg 体来说出现局部的密度差，从而产生重力差，即 m;z为羽流轴向坐标，即距火源点的垂直距离， 浮力作用和压强梯度，促使受热气流和燃烧产物 m:r为羽流径向坐标，m:k,k,为实验系数：2为 上升，并在上升过程中卷吸周围气体共同前进， 略大于1的系数. 形成气体流动.这种气体流动常呈现羽状，称为 火烟浮羽流.在静止的环境中，火烟羽流通常呈 2滚退烟流与巷壁之间的热交换 现垂向轴对称的几何性质，矿并火灾时期，由于 有风流的存在，从火源升起的火烟羽流受到风流 高温烟流由火源点生成后，会在浮升力的作 用下向上运动.在这一过程中由于卷吸作用会与 收稿日期200305-04周心权男，58岁，教授，博士生导师 周围气体发生摻混，因而是个传质传热过程.由 *国家"十五”科技攻关项目专题No.2001BA803B0416)
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 平巷烟流滚退逆行规律 周 心 权 王 海燕 赵 红 泽 中国矿业大 学 北 京校 区 ， 北京 摘 要 运用 环 境流 体力 学及传 热 学 的相 关理 论 ， 研 究 了水 平 巷道 火灾烟 流滚退 规律 ， 通过 对 滚退烟流 与巷壁 间 的热 交换过 程分 析 ， 得 出 了滚退 发生 时烟 流逆 行 距 离 的 函数表达式 ， 并 对 其进 行 简化 以便 于 实际应用 关键 词 矿 井火灾 烟 流 滚退 逆 行 距 离 分类号 烟流滚 退 是矿 井 火 灾 时期 常 见 的 、 危 害严 重 的风 流紊 乱现象之 一 其表 现 形 式 为在 火源 下 风 侧 节 流 效 应和 巷 道 断 面温 度 、 压 力梯 度 影 响 下 ， 新鲜 风 流沿巷 道底 部按原风 向流入 火 源 的 同时 ， 火 源 产 生 的烟 流 沿 上 风 侧 巷 道 顶 部 逆 向回 退 并 翻卷 流 向火源 烟 流滚退 会 导致火源 上 风 侧 烟流 与新 鲜 风 流 掺 混 后 ， 再逆 流 回火源 ， 从 而 对 火源 上 风侧 从事直 接灭 火 的人 员构成 威胁 ， 并且 在一 定 的条件 下 诱发 瓦斯 爆 炸 因此 ， 掌握烟 流 滚退 发 生 的规律 ， 对矿 井 火灾 救 灾 安全 具有 重 要 的意 义 烟 流滚 退 的重 要特 征 就 是产 生逆 流 层 ， 因而 逆 流层 的长 度 ， 即烟 流滚 退 逆 行距 离对 火 灾 安全 亦 具 有重 要 意 义 ‘ ， 本 文 在 文 献 」的基 础 上 ， 对 平 巷烟 流 滚退 规 律及 其逆 行 距 离进 行 了研 究 ， 的推 力而 发 生 弯 曲 ， 不 再 是垂 向轴对 称 ， 因而 应 视 为横 流 中 的浮 羽 流 ， 当发 生 烟 流 滚 退 时 ， 风 流 速度 较低 ， 并 且 受 巷 道顶 板 的 限制 ， 羽 流撞击 顶 板 前的弯 曲程度 较 小 ， 因 而 可 将撞 击 顶 板前的火 烟羽 流视 为近 区流动‘ 利用 环境流 体力学理 论 ， 对 火烟 羽 流 可 建 立 起 以下 几 个 量 纲 为 的关 系 式 ， 。 体积 流 量 二 七夙 丫 轴线 密 度 基 镖 一 、 聂图 一们 浮 羽 流 半径 厚 度 几 羽 流 断面 密 度 差 分布 如， 一 如 希 式 中 ， 为风流 速 度 ， 耐 几 为特 征 尺度 ，几 皿之 ’ 火 烟 羽 流模 型 在火灾过程 中 ， 由于 燃 烧 产物和 邻 近 火源 的 气 体 受 热 而 体积 膨 胀 ， 密 度减 少 ， 相 对 于 周 围气 体 来 说 出现 局 部 的密 度 差 ， 从 而 产 生 重 力 差 ， 即 浮 力作用 和 压 强梯 度 ， 促 使 受 热 气 流和 燃烧 产 物 上升 ， 并在 上 升 过 程 中卷 吸 周 围气 体共 同前 进 ， 形 成 气 体流 动 这种 气 体流 动 常 呈 现 羽 状 ， 称 为 火烟 浮羽 流 在 静 止 的环 境 中 ， 火烟 羽 流 通 常 呈 现 垂 向轴对 称 的 几 何 性质 矿 井火 灾 时期 ， 由于 有风 流 的存在 ， 从 火源 升起 的火烟羽 流 受 到风 流 收稿 日期 刁 一 周 心 权 男 ， 岁 ，教授 ， 博 士 生 导师 国家 “ 十五 ” 科技攻关项 目专题 困 为羽 流 的起 始浮 力通量 ， 如 。 加 。 ， ， 为羽 流 的起 始流 量 ， 如 。 为羽 流 的起始密 度 差 ， 却 。 二 。一 。 夕 加 两 为羽 流 的起 始密度 ， 坷 耐 。 为风 流 密 度 ， 吨 ‘ 如 、 为羽 流 的轴 线密 度 差 ， 如 ， 二 一 。 ， 。 为羽 流 的轴 线密 度 ， 耐 为羽 流 轴 向坐 标 ， 即距 火源 点 的垂 直距 离 ， 为羽 流 径 向坐 标 ， ， 从 ， 丸为 实验 系 数 义为 略 大 于 的系数 滚 退 烟 流 与巷 壁 之 间的热交换 高温 烟 流 由火源 点生 成 后 ， 会在浮 升 力 的作 用 下 向上运 动 在这 一 过程 中 由于卷 吸作用会 与 周 围气 体 发 生 掺混 ， 因而 是 个传 质传热过 程 ， 由 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2004．02．002
Vol.26 No.2 周心权等：平巷烟流滚退逆行规律 ·119· 于巷道顶板的限制，羽流撞击顶板，压力增加，当 热烟流产生的局部火风压高于机械风压时，部分 烟羽流在距底板一定高度处发生逆转.随着高温 滚退烟流运动趋势线 烟流不断向周围环境释放热量，逆转烟流在前进 的过程中产生的压力不断下降.当等于小于机械 风压时，折转烟流会停滞并再次折转，形成烟流 滚退.此时，如果没有外界因素的干扰，在某一时 刻滚退烟流会达到一准稳态过程.本文考虑逆转 图1烟流滚退示意图 烟流全部发生滚退，忽略边界上的微小烟流滚 Fig.1 Sketch of a reverse smoke flow 退，并以巷道上部逆行烟流作为研究对象 烟流滚退发生时，高温烟流不仅由于对流引 起烟流与巷壁之间的热交换，还存在烟流与周围 3烟流滚退逆行距离 物体和流体间的热辐射现象.由于烟流的热辐射 考虑在烟流与风流的冲击区（如图2所示）， 与烟流中介质的温度以及介质的辐射吸收、散射 由于风流与烟流的对持，在烟流冲击区的前端必 能力有关，而且在巷道中任意一点对空气中其他 定存在一个烟流与风流的滞止点S,该点处的压 点都有辐射换热作用，使得计算辐射换热变得复 力既可由流线风流侧紧邻点S的一点A的有关 杂和困难，与对流换热相比，辐射换热所占比重 参数求得，也可由烟流侧紧邻点S的一点B的有 小，因此在研究中忽略辐射换热作用，仅考虑烟 关参数求得： 流（上部）与巷壁的对流热交换过程. 如图1所示，假设烟流滚退发生时： Pn=pPy或pa=n (1)巷道围岩具有无限的热容量，在热传导 式中，Ps1为风流侧参数求得的S点的压力，Pa:Ps 过程中巷壁温度不变，烟流与巷壁的热交换过程 为烟流侧参数求得的S点的压力，Pa. 是稳态过程，传导的热量不随时间而变化：(2)发 火前，围岩具有与风温相同的温度t=t。. 由描述流体与巷壁间的对流换热基本定律 B 烟流滚区 得： dg=a(tr-t)dA (5) 新鲜风流区 式中，为烟流温度，℃：9为交换的热量，kJ/s;1为 壁温，等于着火前的风温，℃：A为烟流与巷道接 7777777777777 触的面积，m:a为对流换热系数，kJ/(m2·s℃). 图2烟流滚退区示意图 逆行烟流对巷壁的热交换g引起烟流中温 Fig.2 Sketch of the smoke rollback area 度变化dr: 若取A,B点距S点很近，忽略其中的摩擦阻 d-是 (6) 力，则在临界状态有P=ps2,即S点处于力的平衡 式中，G为烟流的质量流量，kgs:C为烟流的质 状态.忽略A,B两点的静压差异，则有 量定压热容，kJ/kgK). PB=PA(VAVE) (8) 将式(S)代入式(6)进行积分，并考虑到在本 式中，y为巷道顶板附近的风速，设=k,(u,为 问题中，取上部烟流与巷道壁接触的平均周长为 风速，k为系数，以下还会用到类似的系数问题， 0,m,烟流滚退时从火源点到烟流滞止点的距离 意义相同，不再赘述)， 为L,m.L=0时，=t,即在C断面处，烟流温度 设图1中烟流撞击顶板后转折点C距底板高 等于火源点温度t.则A可表示为⑦L,故经过推 为zc,并设zc=kH,H为巷道高.火灾过程中，由于 导可得： 烟流温度和压力都不太高（温度一般不超过900 L=Indth-4.(GC. (7) ℃，静压力略高于10Pa),因此烟流和风流都可 -t。taU 视为理想气体
】 周 心 权等 平 巷 烟 流滚 退 逆 行规律 于巷 道 顶 板 的 限制 ， 羽 流撞 击 顶 板 ， 压 力增加 ， 当 热烟 流 产 生 的局 部 火风 压 高于 机械 风 压 时 ， 部 分 烟羽 流 在距 底 板 一 定 高度 处 发生逆 转 随着 高温 烟流 不 断 向周 围环 境释 放 热量 ， 逆 转烟 流 在 前进 的过 程 中产 生 的压 力不 断下 降 当等 于 小 于 机械 风 压 时 ， 折 转烟 流 会 停滞 并 再 次折 转 ， 形 成 烟 流 滚退 此 时 ， 如 果没 有 外 界 因素 的干扰 ， 在 某 一 时 刻滚 退烟 流 会达 到 一准 稳 态 过 程 本 文考 虑逆 转 烟 流 全 部 发 生 滚 退 ， 忽 略 边 界 上 的微 小 烟 流 滚 退 ， 并 以巷 道 上 部 逆 行 烟 流 作 为研 究 对 象 烟 流滚 退 发 生 时 ， 高温 烟 流 不 仅 由于对 流 引 起烟 流 与巷 壁 之 间 的热交换 ， 还 存在 烟 流 与 周 围 物 体和 流 体 间 的热辐 射现 象 由于烟 流 的热 辐 射 与烟 流 中介质 的温 度 以及 介 质 的辐 射 吸 收 、 散射 能力有 关 ， 而 且在 巷道 中任 意 一 点对 空气 中其他 点都有辐 射 换 热 作用 ， 使 得 计算辐 射 换 热 变得 复 杂 和 困难 与 对 流 换 热 相 比 ， 辐 射 换 热 所 占比重 小 ， 因此 在研 究 中忽 略辐 射 换 热 作 用 ， 仅 考 虑 烟 流 上 部 与 巷 壁 的对 流 热 交 换 过 程 如 图 所 示 ， 假 设 烟 流 滚 退 发 生 时 巷 道 围岩 具 有 无 限 的热 容量 ， 在 热 传 导 过程 中巷 壁温 度 不 变 ， 烟 流 与巷壁 的热 交换 过 程 是稳 态 过程 ， 传 导 的热 量 不 随 时 间而 变化 发 火 前 ， 围岩具 有 与风 温 相 同 的温 度 ‘ 由描 述 流 体 与 巷 壁 间 的对 流 换 热 基 本 定 律 得 ‘，， 向 介一 式 中 ， 寿为烟 流温 度 ， ℃ 为 交换 的热 量 ， 为 壁 温 ， 等于着 火前 的风温 ， ℃ 为烟 流 与巷 道接 触 的面 积 ， 耐 为对 流 换 热 系数 ， ， · · ℃ 逆 行 烟 流 对 巷 壁 的热 交 换 引起 烟 流 中温 度 变 化 ， 、 心 火 图 烟 流 滚 退 示 意 图 · 烟 流 滚 退 逆 行距 离 考虑 在烟 流 与风 流 的冲 击 区 如 图 所 示 ， 由于 风 流 与烟 流 的对 持 ， 在烟 流冲 击 区 的前端 必 定存在 一 个 烟 流 与 风 流 的滞 止 点 该 点处 的压 力 既可 由流 线 风 流 侧 紧 邻 点 的一 点 的有 关 参 数 求 得 ， 也 可 由烟 流 侧 紧邻 点 的一 点 的有 关 参 数 求 得 乃 一 呼 或 一你呼 · 式 中 ， ，为 风 流 侧 参 数 求 得 的 点 的压 力 ， 为烟 流 侧 参 数求 得 的 点 的压 力 ， 新鲜风流区 图 烟 流 滚 退 区示 意图 、 二 旦星 一 一 ’ ‘ 蛛 式 中 ， 为烟 流 的质 量 流 量 ， 量 定 压 热 容 ， · 为烟 流 的质 将 式 代 入 式 进 行 积 分 ， 并考 虑 到 在本 问题 中 ， 取 上 部烟 流 与 巷道 壁 接 触 的平 均 周 长 为 万 ， ， 烟 流 滚 退 时从 火源 点到烟 流滞 止 点 的距 离 为 ， 时 ， 寿 介 二 ， 即在 断面 处 ， 烟 流 温 度‘ 等 于火 源 点温度 寿二 则 可表 示 为瓦 ， 故经 过 推 导 可 得 乙一 卜一 醉 气 旦叹 奚 若 取 ， 点距 点很 近 ， 忽 略其 中 的摩 擦 阻 力 ， 则在 临界状 态 有 ， ， 即 点处 于 力 的平 衡 状 态 忽 略 ， 两 点 的静 压 差 异 ， 则 有 。 ， 式 中 ， 为 巷 道 顶 板 附近 的风 速 ， 设 抵 。 。 为 风 速 ， 抵为 系数 ， 以下 还 会 用 到类 似 的系 数 问题 ， 意 义 相 同 ， 不 再 赘 述 设 图 中烟 流 撞击 顶 板 后 转 折 点 距 底 板 高 为麦 ， 并 设几 几 ， 为 巷 道 高 火 灾 过 程 中 ， 由于 烟 流 温 度 和 压 力 都 不 太 高 温 度 一 般 不 超 过 ℃ ， 静 压 力 略 高于 护 ， 因此 烟 流 和 风 流 都 可 视 为 理 想 气 体
·120· 北京科技大学学报 2004年第2期 如图3所示，可将巷道中的火烟羽流再分成 常系数k(以下遇到类似的问题以同样方法处 两个区域，即基本未受顶板影响的羽流区I和受 理)，则上式写为 到顶板影响的撞击区Ⅱ.在撞击区中，由于流动 △pn=-kB盼gH5p. 受到顶板的限制，压强增高，使流线发生折转，流 则C断面逆转烟流平均密度为 线的转折点D可作为羽流区与撞击区的分界点， pc=p.+App=p.l1-kBgH-3. 图3中C点（也即图1中的C点）与D点距底 由此可得逆行烟流的质量流量为 板的距离相差不大，可以认为近似相等（即z G=Qtpc=kckiks Bol Hsp.l1-kBgH-(9) z),只是D点较C点沿水平方向向下风测移动D 烟流到达$点再次发生转向前的速度（沿巷 的距离，因此设C断面逆转的羽流总的体积流量 道纵向，即水平方向速度)可由B点断面处速度 就是D断面逆转的体积流量，即Qc=Q。.并设C 代替，即=QA.式中A为B断面巷道断面 断面的烟流密度与D断面所在羽流断面的平均 积，可设A。=kA(A为巷道断面积).将式(1")代入， 密度相等.假设烟流到达C断面后，发生逆转烟 注意到Qa=Gp(因为本研究关心的是断面上的 流量为k2(k系数，0≤k≤0.5)，且质量流量不再 平均温度，因此近似认为B断面的平均密度与B 发生变化，即不再与周围气体发生掺混作用.由 点密度相同)，有 式(1)可得C断面处逆行的体积流量 Vo=kckikskokiBoH3pA-1-kB8gH-5pp (10) Qt=kckiks BolHs 1) 联立式(8)和式(10)并取p=p,可得 Pa=kBHIA-u,11-kBgHsOPp. (11) Ve 真实气体温度越低（或密度越大），真实气体 D 与理想气体差别越大，高温（低密度）烟流均可视 为理想气体，因此，烟流和风流都满足理想气体 状态方程式，由此给出风流密度和烟流密度的关 系为 P.-RTp: Pe RT.po 图3水平巷道火烟羽流 而火灾期间因火场附近为非封闭区域，高温使气 Fig.3 Smoke plume in a horizontal airway 体膨胀，密度降低，故该区域的静压变化很小，近 似取P=P.,燃烧生成气体假定以N:(气体常数 应用式(2)及z,B,的定义式，可推导出D断 R=0.29680kJ/(kgK)),C0(R=0.29683kJ/(kg 面所在断面轴线处的烟流密度差 K)和C02(R=0.18892k/(kgK))为主，火灾烟 4-k学”-kgHn (2) 流与风流的气体常数(R=0.287kJ/(kg·K))比较 由式(3)，D断面处的浮羽流半径厚度为 接近，计算时近似取R=R,则上式变为 bp=kiksH (3) P.pr=TT. (12) 实际上由于受到水平风速的影响，D断面的 联立式(11)和式(12)，可得B点烟流温度（注：T 羽流己经不完全是圆形断面，但考虑到巷道的有 为热力学温度，K;t为摄氏温度，℃). 限性，仍将羽流断面视为圆形.而实际的羽流半 Ta=T.P=k-BH-1Au1-kBgH-T.(13) 径厚度要略高于式(3)的值，但仍可按式(3)计 对S点所在断面烟流温度可取T=T,设逆行烟 算.将式(3)代入(4)式可得D断面羽流断面密度 流与巷壁接触的平均巷道周长0=kU(U为巷道 差分布： 断面周长)，且注意到热力学温度T之差与摄氏温 yp(D,r）=△D.be uim (4) 度t之差相等，则由式(7)有 则根据式(3")式(4)及△po可得D断面羽流平均密 L-aUCp 度差为 (14) 4po-k无H"pdr 式中，M=k2B2H-oAd1-kBgH-2-1,k,k, =-kkB时gHrp.ed. k"为待定系数，均为正值，通过式(14)可引出两 因为，k,元，心ed均为常系数，故可以合并为 个量纲为1的量：
北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 如 图 所 示 ， 可 将 巷 道 中 的火烟 羽 流 再 分 成 两个 区域 ， 即基 本未受顶 板 影 响 的羽 流 区 和 受 到顶 板 影 响 的撞 击 区 在撞 击 区 中 ， 由于 流 动 受 到顶板 的限制 ， 压 强增 高 ， 使流 线发 生折 转 流 线 的转折 点 可 作 为羽 流 区 与撞 击 区 的分 界 点 图 中 点 也 即 图 中 的 点 与 点距 底 板 的距 离相 差 不 大 ， 可 以认 为近 似相 等 即几二 ， 只 是 点较 点沿 水 平 方 向 向下 风 测 移 动 的距 离 因此 设 断面 逆 转 的羽 流 总 的体 积 流 量 就 是 断面逆 转 的体积 流 量 ， 即 并设 断面 的烟 流 密度 与 断 面所 在羽 流 断 面 的平 均 密度 相 等 假 设 烟 流 到达 断面 后 ， 发 生逆 转 烟 流量 为 反 系数 ， ‘ ‘ ， 且质 量 流 量 不 再 发 生变 化 ， 即不 再 与周 围气 体 发 生 掺 混 作 用 由 式 可 得 断面 处逆 行 的体 积 流 量 二 友 几 ，‘，尸 厂， ， 沐 古 图 水 平巷 道 火 烟 羽 流 · 抚 侧 应 用 式 及而 ， 。 的定义 式 ， 可 推 导 出 断 面所 在 断面 轴 线 处 的烟 流 密度 差 帆 一 棍群黔舀 一从衅诊 一 、 一 云 一 ， 哟 由式 ， 断面 处 的浮 羽 流 半径 厚度 为 。 二 从瓦 实 际 上 由于 受 到水 平 风 速 的影 响 ， 断 面 的 羽 流 已 经 不 完全 是 圆形 断面 ， 但 考虑 到巷道 的有 限性 ， 仍 将羽 流 断面 视 为 圆形 而 实 际 的羽 流 半 径 厚度 要 略 高 于式 ’ 的值 ， 但 仍 可 按 式 ’ 计 算 将式 ， 代 入 式可 得 断面羽 流 断面 密 度 差 分布 彻 ， 一 如 孟云舔 ’ 则根据 式 ’ 式’ 及 如 。 可 得 断面 羽 流 平 均 密 度 差 为 炳 一 渝摆帆 一 儡 一、 、 洲 一 一， 。 犷 一 、 因 为棍 ， 允 ， 、 ， 弃 一 ，均 为 常 系数 ， 故 可 以合 并 为 常 系 数 以下 遇 到 类 似 的 问题 以 同样方 法 处 理 ， 则 上 式 写 为 如 。 一 怡 一 ’ 一 气 则 断面逆 转 烟 流 平 均 密 度 为 一 彻 一 一 胭黔 一 ’ 一 州 由此 可 得逆 行 烟 流 的质 量 流 量 为 二 匆 棍 同 ’分加，一 胭君舍 一 ’ 一 烟 流 到 达 点再 次 发 生转 向前 的速 度 沿 巷 道 纵 向 ， 即水 平 方 向速 度 可 由 点 断 面 处速 度 代替 ， 即 朔 式中 。 为 断面 巷道 断面 积 ， 可 设 。 二 鹅 为巷道 断面积 将 式 ’ 代入 ， 注 意 到 坯 加 。 因为本研 究 关 心 的是 断 面 上 的 平 均温 度 ， 因此 近 似 认 为 断 面 的平 均密 度与 点密 度 相 同 ， 有 。 ，丸从 ’ 。 ’月尸 ‘协 一 ， 一 粉 一 ’ 一 ，‘，卜石 ’ 联 立 式 和 式 并取八 ， 。 ， 可 得 户 。 左刀黔万 ，灿 一， ， 一 妞君蓄 一 ’牙 加 真实气 体温度越 低 或密 度 越大 ， 真 实气 体 与理想气 体 差 别越大 ， 高温 低 密度 烟 流均可视 为理 想 气 体 因此 ， 烟 流 和 风 流 都 满 足 理想 气 体 状 态 方程 式 ， 由此 给 出风 流 密度 和烟 流 密度 的关 系 为 鱼 不刃 兀尸’ 而 火 灾 期 间 因火场 附近 为非封 闭区 域 ， 高温 使气 体膨胀 ， 密度 降低 ， 故 该 区域 的静压变化很 小 ， 近 似 取介 燃 烧 生成 气 体假 定 以 气 体常数 · ， 曰 · 和 沃 · 为主 ， 火灾烟 流 与风 流 的气 体 常数 “ 地 · 比较 接 近 ， 计 算时近 似取 。 ， 则上 式 变 为 巾 联立 式 和 式 ， 可 得 点烟 流 温 度 注 为热 力学温 度 ， 为摄 氏温 度 ， ℃ 几 立 二 犷谕 一 牙司 一 妞若 门 一 尸 ， 一 兀 对 点所 在 断面烟 流温 度 可 取 几 设 逆行 烟 流 与巷 壁 接触 的平 均巷 道 周 长百二 棍 为巷 道 断面 周长 ， 且注 意到热 力学温度 丁之 差 与摄 氏温 度 之 差 相 等 ， 则 由式 有 ， 几 一 、 二二 ， ，。 二 ， 了 卜 。 ，， ， 。 。 ， 卜，。 一 塌扩 尸 ’ 一 ’ ’“ 尸 ” 犷 ’ 印 。 ‘ 一 妞若 门 一 ’ ’ 式 中 ， 卜溉 刀 一 切 一 了蓄 一 ’ 一 「 ，一 ， ， ’， 尸 为待 定系数 ， 均 为 正值 ， 通 过 式 可 引 出两 个 量 纲 为 的量
Vol.26 No.2 周心权等：平巷烟流滚退逆行规律 ·121◆ 量纲为1的量I:B-B昭gH 4结论 量纲为1的量Ⅱ：BBH”Au, 通过引入B,B.两个量纲为1的量，烟流滚退 对水平巷道火灾烟流滚退时烟流与巷道壁 时烟流逆行距离表达式可写为如下形式，即 间的热交换理论进行分析，从而得出烟流逆行距 L=1-kBalk"aC.H3p,U-Bolx 离的表达式.运用烟流模型及理想气体状态方程 Tee-T In7.(-1) 等基本理论对表达式进行了求解.结果表明，滚 退发生时逆退距离不仅与火源的基本参数有关， 烟流滚退现象发生过程中涉及多因素的影 而且与风速、风温、风流密度、巷道断面（周长、面 响，其逆行距离也与包括火源、风流状态及巷道 积)及巷道高度有密不可分的联系. 特征、壁面条件等等多种因素有关.观察式(14)， 可以反映出上述特点，一般情况下，对某一确定 参考文献 矿井来说，对流换热系数、新鲜风流密度烟流的 1 Flecher D F,Kent J H,Apte V B,et al.Numerical simula- 质量定压热容等参数可认为为常数，因此对逆行 tions of smoke movement from a pool fire in a ventilated 距离影响最大的因素主要有巷道高度、巷道周长 tunnel [J].Fire Saf J,1994,23(3):305 及火源特征三个方面.而逆行距离与风速变化的 2 Lee CK,Chaiken R F,Singer J M.Interaction between duct fires and ventilation flow-An experimental study 关系较为复杂 [J].Combust Sci Technol,1979,20:59 以式(14)作为理论基础，可通过巷道模拟实 3余常昭.环境流体力学导论M小.北京：清华大学出 验确定三个待定系数k,k,",进而为实际应用时 版社，1992 提供参考系数.对于某一确定的烟流滚退现象， 4周延，王省身，水平巷道烟流滚退发生条件的研究 其火源温度、羽流起始流量可以估算（根据燃料 [).煤炭学报，1998,23(4)：362 类型及燃料规模)，而新鲜风流密度、温度可以通 5黄方谷，韩风华，工程热力学与传热学M北京：北 过测定获得，巷道断面参数已知，因此通过式 京航空航天大学出版社，1992 6周心权，吴兵，矿井火灾救灾理论与实践M北京： (14)即可以计算出滚退烟流逆行距离， 煤炭工业出版社，1996 Rollback Law of Reverse Smoke Flow in a Horizontal Airway during Mine Fire ZHOU Xinquan,WANG Haiyan.ZHAO Hongze China University of Mining and Technology,Beijing 100083,China ABSTRACT Rollback smoke is one kind of familiar turbulent flow during mine fire and may cause serious dam- age and injury.The rollback law of reversal smoke flow is significant to mine fire rescue.The theories of environ- mental fluid mechanics and heat transfer are applied to study on the rollback law of the reversal smoke flow in a horizontal airway during mine fire.The heat transfer process between the reversal smoke and the airway wall is anal- yzed.Through the analysis above,the rollback distance equation of the reversal smoke is formed.The mass flux of the reversal smoke flow at the reverse point above the fire source and under the roof and the temperature at the point before smoke reverse again are the key points of working out the equation.At the stagnation before smoke reverse again,namely at the stagnant point of the reversal smoke,the pressure between smoke flow and airflow is equal and thus a pressure equilibrium equation is built up.Combined with the smoke plume model and gas state equation,the mass flux of the reversal smoke and the temperature at the stagnant point are worked out.At a result,the function of rollback distance of the reversal smoke is educed and simplified in order to be used in practice KEY WORDS mine fire;reverse smoke;back distance
心】 周 心 权 等 平巷 烟 流 滚 退 逆 行规律 量 纲 为 的量 及 衅曹 一 一 量 纲 为 的量 凡 一 琳 一 切 通 过 引入凡 ， 两 个量 纲 为 的量 ， 烟 流 滚 退 时烟 流 逆 行 距 离表 达 式 可 写 为如 下 形 式 ， 即 一 担 国 一 ’ 牙加 。 一 ’ 兀 代 一 淤 一 一 ，一 烟 流 滚 退 现 象 发 生 过 程 中涉 及 多 因素 的影 响 ， 其 逆 行距 离也 与包 括 火源 、 风 流状 态及 巷 道 特征 、 壁 面 条件等等 多种 因素 有关 观 察 式 ， 可 以反 映 出上 述特 点 ， 一 般情 况 下 ， 对 某 一确 定 矿 井 来 说 ， 对 流 换 热 系 数 、 新 鲜 风 流 密 度烟 流 的 质量 定压 热 容等参数 可 认 为 为常数 ， 因此 对 逆 行 距 离影 响最 大 的因素主 要 有 巷道 高度 、 巷 道 周 长 及 火源 特 征三 个 方面 而 逆 行 距 离 与风速 变化 的 关 系 较 为复杂 以式 作 为理 论 基 础 ， 可通 过 巷 道 模拟 实 验 确 定 三 个待 定 系数 ， ’ ， 尸 ， 进 而 为实 际应 用 时 提 供 参 考 系数 对 于 某 一 确 定 的烟 流 滚 退 现 象 ， 其 火 源 温 度 、 羽 流起 始流 量 可 以估 算 根 据 燃 料 类 型及燃料 规 模 ， 而 新 鲜风 流密 度 、 温度 可 以通 过 测 定 获 得 ， 巷 道 断 面 参 数 己 知 ， 因此 通 过 式 即可 以计 算 出滚 退 烟 流 逆 行 距 离 结 论 对 水 平 巷 道 火 灾 烟 流 滚 退 时烟 流 与 巷 道 壁 间的热 交换 理论 进 行 分 析 ， 从而 得 出烟 流逆 行距 离 的表 达 式 运 用烟 流模 型及 理想 气体 状 态 方 程 等基 本 理 论对 表 达 式进 行 了求 解 结 果表 明 ， 滚 退 发 生 时逆 退距 离 不仅 与 火源 的基 本 参数 有 关 ， 而 且 与风速 、 风温 、 风流 密度 、 巷道 断面 周长 、 面 积 及 巷 道 高度 有 密 不 可 分 的联 系 参 考 文 献 ， ， ， ， ， ， ， 一 〔 ， ， 余 常 昭 环 境 流 体 力学 导 论 北 京 清 华 大 学 出 版 社 ， 周 延 ， 王 省 身 水平 巷 道烟 流 滚 退 发 生 条件 的研 究 煤 炭学报 ， ， 黄 方 谷 ， 韩 凤 华 工 程 热 力学 与 传 热 学「 北 京 北 京航 空 航 天 大 学 出版 社 ， 周 心 权 ， 吴 兵 矿 井火 灾救 灾 理 论 与 实践 北 京 煤炭工 业 出版 社 ， ， 班咬刃 由 ， 乙从咬 ， 介 ， ， 切卿 刀 厂 ， ， ， ， ， 恤