電纜燃燒試驗(yàn)新舊標(biāo)準(zhǔn)的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)仿真對(duì)比分析*

高俊國(guó)，孔譯輝，孫偉峰，李 明，房權(quán)生，張曉虹

(1.哈爾濱理工大學(xué) 工程電介質(zhì)及其應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080；2.寶勝集團(tuán)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225800)

0 引言

為便于監(jiān)督部門(mén)對(duì)電纜產(chǎn)品的監(jiān)督管理和規(guī)范企業(yè)生產(chǎn)，我國(guó)相繼發(fā)布了多項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電纜及光纜在火焰條件下的燃燒試驗(yàn)方法，但這些方法標(biāo)準(zhǔn)相互獨(dú)立，不利于對(duì)電纜及光纜燃燒性能優(yōu)劣的綜合評(píng)價(jià)。新標(biāo)準(zhǔn)《電纜或光纜在受火條件下火焰蔓延、熱釋放和產(chǎn)煙特性的試驗(yàn)方法》(GB 31248-2014)(簡(jiǎn)稱(chēng)新標(biāo)準(zhǔn))是根據(jù)我國(guó)電纜及光纜燃燒性能的實(shí)際發(fā)展水平制定的，相對(duì)于舊標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18380-2008(簡(jiǎn)稱(chēng)舊標(biāo)準(zhǔn))是一個(gè)全新的阻燃體系。與舊標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，其對(duì)電纜及光纜燃燒性能等級(jí)進(jìn)行了重新劃分，從試驗(yàn)設(shè)備到供火時(shí)間和進(jìn)風(fēng)流量，都作了重要調(diào)整。新標(biāo)準(zhǔn)可通過(guò)試驗(yàn)獲得電纜火災(zāi)初起階段的燃燒性能數(shù)據(jù)，通過(guò)熱釋放速率反應(yīng)火焰沿電纜蔓延的危險(xiǎn)性，通過(guò)煙密度測(cè)試可體現(xiàn)起火區(qū)域能見(jiàn)度，使標(biāo)準(zhǔn)水平提高了一步[1,2]。筆者通過(guò)查閱資料及咨詢(xún)電纜企業(yè)發(fā)現(xiàn)：新標(biāo)準(zhǔn)在頒布后的3 a中并未真正有項(xiàng)目上的應(yīng)用，電纜及光纜燃燒性能檢測(cè)仍然使用舊標(biāo)準(zhǔn)[3-4]。自從2017年“西安地鐵事件”后，有關(guān)部門(mén)注意到了舊標(biāo)準(zhǔn)的不足，避免類(lèi)似事件的發(fā)生，決定在阻燃檢測(cè)方面全面啟用更為完善、要求更高的新標(biāo)準(zhǔn)。但是舊標(biāo)準(zhǔn)的使用已近10 a，各電纜企業(yè)對(duì)其非常熟悉，新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電纜燃燒性能檢測(cè)的影響未知，所以有必要對(duì)新舊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析，為阻燃電纜的研發(fā)與設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

目前電纜燃燒性能的各項(xiàng)指標(biāo)試驗(yàn)并未在各個(gè)生產(chǎn)廠(chǎng)家全面展開(kāi)，究其原因可能是由于電纜燃燒的試驗(yàn)設(shè)備、電纜樣品造價(jià)高，一般廠(chǎng)家無(wú)力承擔(dān)。但是部分高校已經(jīng)嘗試了用計(jì)算機(jī)仿真的方法對(duì)電纜成束燃燒試驗(yàn)進(jìn)行研究，并與實(shí)體試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)能夠較好吻合[4-5]。曹會(huì)等[6]利用FDS軟件模擬LDH阻燃材料和非LDH阻燃材料在不同條件下的火災(zāi)蔓延特性；曹彬等[7]應(yīng)用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS對(duì)無(wú)風(fēng)情況下池火災(zāi)對(duì)周?chē)髿猸h(huán)境的熱輻射強(qiáng)度進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)FDS輻射強(qiáng)度結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)果吻合較好；李營(yíng)等[8]利用FDS對(duì)無(wú)電纜參與的火災(zāi)和有電纜參與的火災(zāi)進(jìn)行了仿真研究，得出了電纜在火災(zāi)中是否被引燃主要取決于是否與火焰直接接觸的結(jié)論。

FDS是由美國(guó)火災(zāi)科研機(jī)構(gòu)NIST開(kāi)發(fā)的一種適用于求解火災(zāi)驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)問(wèn)題的程序，其中主要功能是利用場(chǎng)模擬求解火災(zāi)過(guò)程中各種狀態(tài)參數(shù)在空間上的分布及其隨時(shí)間的變化。因此，本文選擇利用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS按照新舊國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分別建立簡(jiǎn)化的燃燒室及成束電纜模型，對(duì)比分析新舊標(biāo)準(zhǔn)中的差異因素對(duì)電纜燃燒性能試驗(yàn)的影響，進(jìn)而分析新標(biāo)準(zhǔn)下電纜通過(guò)燃燒性能試驗(yàn)的難易程度，并將分析結(jié)果進(jìn)一步用于電纜成束燃燒的實(shí)體試驗(yàn)中。

1 兩版標(biāo)準(zhǔn)差異對(duì)比

1.1 電纜及光纖燃燒性能等級(jí)劃分

新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電纜及光纖燃燒性能等級(jí)進(jìn)行了重新劃分[9-10]，等級(jí)劃分如表1所示。

表1 新舊標(biāo)準(zhǔn)對(duì)燃燒性能等級(jí)的劃分Table 1 Classification of combustion performance grades in new and old standards

1.2 部分差異對(duì)比

新標(biāo)準(zhǔn)中的B1級(jí)為阻燃1級(jí)電纜(光纜)，與舊標(biāo)準(zhǔn)中的阻燃A類(lèi)電纜(光纜)相對(duì)應(yīng)，都屬于各自標(biāo)準(zhǔn)中阻燃電纜的最高等級(jí)，因此選擇這2個(gè)等級(jí)進(jìn)行差異點(diǎn)對(duì)比，差異點(diǎn)對(duì)比列入表2中。其中主要在點(diǎn)火源數(shù)量、進(jìn)風(fēng)流量、電纜排列方式、供火時(shí)間和炭化高度方面進(jìn)行了調(diào)整。

表2 新舊標(biāo)準(zhǔn)的差異點(diǎn)對(duì)比Table 2 Comparison of difference between new and old standards

2 電纜及燃燒室模型的建立

2.1 求解方程

FDS軟件嚴(yán)格遵守以下方程[11]：

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

組分方程：

(3)

能量方程：

(4)

式中：ρ為組分密度，g/m3；u為組分速度，m/s；m為組分質(zhì)量，g；Cp為定壓比熱，J/(kg·K)；T為組分溫度，K；μ為組分粘性系數(shù)，Pa·s；Pr為普朗特?cái)?shù)；wsQs為干擾源。

對(duì)于火災(zāi)場(chǎng)景，不能假設(shè)燃料和氧氣在混合時(shí)完全反應(yīng)。因此阻燃電纜燃燒試驗(yàn)中的燃燒反應(yīng)也不為完全反應(yīng)，存在除一步反應(yīng)外的額外反應(yīng)[11]：

(5)

(6)

2.2 仿真模型的簡(jiǎn)化

模型的規(guī)模直接影響計(jì)算時(shí)間，適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化模型可以有效縮短計(jì)算時(shí)間，提高效率[12]。同時(shí)，簡(jiǎn)化方法需要建模經(jīng)驗(yàn)和跟蹤仿真結(jié)果。在建模工程中，對(duì)電纜及燃燒室模型做以下處理：

1)略去燃燒室內(nèi)外的非必要支撐，忽略燃燒室壁面材料及厚度，將壁面統(tǒng)一設(shè)置為絕熱表面；

2)將電纜簡(jiǎn)化為只保留線(xiàn)芯層和護(hù)套層的長(zhǎng)方體模型；

3)采用非均勻網(wǎng)格劃分方法，在點(diǎn)火源附近區(qū)域采用細(xì)網(wǎng)格劃分，以保證計(jì)算結(jié)果的可靠性，點(diǎn)火源上部和下部區(qū)域采用粗網(wǎng)格劃分，以縮短計(jì)算時(shí)間；

4)將煙密度測(cè)量裝置簡(jiǎn)化為一個(gè)位于燃燒室上出口處的煙密度傳感器。

圖1為根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn)建立的模型，電纜模型在燃燒室內(nèi)垂直于地面平行排列，電纜模型下部黑色條狀物為點(diǎn)火源。

圖1 簡(jiǎn)化模型的網(wǎng)格劃分及傳感器位置示意Fig.1 The simplified model mesh division and the schematic diagram of sensor position

2.3 材料屬性、重要參數(shù)比較和傳感器

FDS的材料庫(kù)有豐富的材料可以選取，如果沒(méi)有所需的材料，還可以自定義。為不失一般性，且綜合3D模型的仿真速度，設(shè)置電纜護(hù)套及線(xiàn)芯屬性如表3所示。其中護(hù)套選擇的是聚氯乙烯(PVC)，線(xiàn)芯選擇的是銅。

表3 電纜護(hù)套及線(xiàn)芯屬性Table 3 Properties of cable sheath and core

本文選擇舊標(biāo)準(zhǔn)中的阻燃A類(lèi)電纜與新標(biāo)準(zhǔn)中的B1級(jí)阻燃電纜，對(duì)其供火1 200 s，根據(jù)早期的燃燒數(shù)據(jù)對(duì)電纜燃燒情況進(jìn)行火災(zāi)動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算對(duì)比及分析預(yù)測(cè)，表4中列出了根據(jù)新舊標(biāo)準(zhǔn)所建立模型中的重要參數(shù)。

表4 模型中的重要參數(shù)Table 4 Important parameters in the model

隨著耗氧理論的廣泛應(yīng)用，大量傳統(tǒng)的燃燒試驗(yàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)被熱釋放速率、總熱釋放量等所取代，此類(lèi)參數(shù)是對(duì)火災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和性能化防火設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[13]?？紤]到實(shí)體試驗(yàn)中安裝的傳感器數(shù)量較少，為了更細(xì)致地對(duì)電纜燃燒的過(guò)程情況進(jìn)行分析及預(yù)測(cè)，在仿真模型中設(shè)置了除標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定外的若干傳感器，所設(shè)置的傳感器數(shù)量如表5所示。其中的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)平面設(shè)置在電纜的前后表面，可以用來(lái)監(jiān)測(cè)表面的溫度及氧氣的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。

表5 模型中的各傳感器個(gè)數(shù)Table 5 Number of sensors in the model

3 數(shù)值仿真結(jié)果與分析討論

3.1 新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)箱體溫度的影響

圖2為燃燒室箱體溫度的擬合曲線(xiàn)，其中舊標(biāo)準(zhǔn)箱體溫度曲線(xiàn)波動(dòng)幅度小，總體呈上升趨勢(shì)，這一現(xiàn)象與實(shí)體試驗(yàn)中箱體溫度變化趨勢(shì)一致；新標(biāo)準(zhǔn)箱體溫度曲線(xiàn)較舊標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)波動(dòng)幅度大、平均值高，700 s前呈上升趨勢(shì)，700～1 000 s間出現(xiàn)連續(xù)下降后溫度回升，可能在700～1 000 s間電纜模型中距離點(diǎn)火源較近的材料燒盡，1 000～1 200 s間火焰延電纜向上發(fā)生了蔓延。且舊標(biāo)準(zhǔn)箱體最高溫度為103℃，新標(biāo)準(zhǔn)箱體最高溫度為115℃。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，箱體溫度越高電纜不合格的幾率越大，所以從箱體溫度擬合曲線(xiàn)來(lái)看在新標(biāo)準(zhǔn)下電纜通過(guò)燃燒性能試驗(yàn)的難度增大。

圖2 燃燒室箱體溫度的擬合曲線(xiàn)Fig.2 Fitting curve of combustion chamber box temperature

3.2 新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電纜前后表面溫度的影響

通過(guò)仿真試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在2個(gè)點(diǎn)火源同時(shí)作用的情況下，正中間的電纜火焰蔓延速度較位于點(diǎn)火源中間處的電纜慢，故將溫度傳感器設(shè)置在位于點(diǎn)火源中間處的電纜表面。

圖3和圖4分別為舊標(biāo)準(zhǔn)與新標(biāo)準(zhǔn)下位于點(diǎn)火源上方1.18 m處的電纜前后表面溫度變化曲線(xiàn)。圖3顯示，在舊標(biāo)準(zhǔn)下電纜前表面的溫度比后表面的溫度低，溫度差在100℃左右，而圖4顯示在新標(biāo)準(zhǔn)下該點(diǎn)的前后表面溫度相差無(wú)幾，且與圖3中后表面溫度接近。

圖3 舊標(biāo)準(zhǔn)下電纜前后表面溫度變化曲線(xiàn)Fig.3 Temperature variation curves of front and rear surfaces of cables in the old standard

圖4 新標(biāo)準(zhǔn)下電纜前后表面溫度變化曲線(xiàn)Fig.4 Temperature variation curves of front and rear surfaces of cables in the new standard

實(shí)體試驗(yàn)過(guò)程中，電纜的爬火現(xiàn)象在后表面較為嚴(yán)重，故后表面的溫度較高，但在新標(biāo)準(zhǔn)下電纜燃燒過(guò)程中，隨著火焰的蔓延，前后表面溫度沒(méi)有明顯區(qū)別，這表明電纜前后表面具有相同程度的爬火現(xiàn)象，而不是單一的后表面爬火現(xiàn)象嚴(yán)重，且新標(biāo)準(zhǔn)中允許的最大炭化高度為1.5 m，較舊標(biāo)準(zhǔn)減少1 m，所以根據(jù)表面溫度曲線(xiàn)推測(cè)新標(biāo)準(zhǔn)下電纜通過(guò)燃燒性能試驗(yàn)的難度增大。

3.3 新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)煙密度的影響

在模型簡(jiǎn)化中將煙密度測(cè)量裝置簡(jiǎn)化為一個(gè)位于燃燒室上出口處的煙密度傳感器，該傳感器距離上出口10 mm。通過(guò)仿真計(jì)算得出的煙密度變化曲線(xiàn)如圖5所示，由圖可見(jiàn)阻燃A類(lèi)電纜較B1級(jí)阻燃電纜在20 min供火時(shí)間內(nèi)煙霧產(chǎn)生速率快、密度大。因此在煙密度方面新標(biāo)準(zhǔn)下的電纜試驗(yàn)容易通過(guò)檢測(cè)。

圖5 煙密度變化曲線(xiàn)Fig.5 Change curve of smoke density

3.4 新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)熱釋放速率的影響

圖6為通過(guò)數(shù)值仿真求解出的燃燒室內(nèi)總熱釋放速率(HRR)曲線(xiàn)。從圖6中可以看出舊標(biāo)準(zhǔn)下的總HRR曲線(xiàn)增長(zhǎng)速率一直高于新標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 燃燒室內(nèi)總熱釋放速率曲線(xiàn)Fig.6 Total HRR curve in combustion chamber

圖7為電纜燃燒過(guò)程中各熱釋放速率監(jiān)測(cè)器對(duì)應(yīng)的熱釋放速率曲線(xiàn)。熱釋放速率監(jiān)測(cè)器是對(duì)一片區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，綜合考慮仿真速度和計(jì)算精度，采用等間距設(shè)置，即從點(diǎn)火源下方90 mm處開(kāi)始向上每隔250 mm設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)器，一共設(shè)置10個(gè)監(jiān)測(cè)器，且在新舊標(biāo)準(zhǔn)模型中所設(shè)置的熱釋放速率監(jiān)測(cè)器數(shù)量和位置相同。從圖7中可以看出，隨著時(shí)間的推移，火焰逐漸沿著電纜向上攀爬，即爬火過(guò)程，在這一過(guò)程中新舊標(biāo)準(zhǔn)的HRR曲線(xiàn)之間的差距從2倍逐漸增大到百倍，即在電纜燃燒的早期，新標(biāo)準(zhǔn)下電纜的爬火能力較弱；如果人為假定HRR數(shù)值在低于10-3時(shí)電纜的燃燒反應(yīng)停止，觀(guān)察圖7中(c)，(d)，(e)發(fā)現(xiàn)，舊標(biāo)準(zhǔn)下電纜炭化高度在1.75～2 m之間，新標(biāo)準(zhǔn)下電纜炭化高度在1.25～1.5 m之間，且2種標(biāo)準(zhǔn)情況下的炭化高度在供火1 200 s內(nèi)基本達(dá)到穩(wěn)定，由此推測(cè)新標(biāo)準(zhǔn)下的電纜模型的炭化高度超過(guò)最大炭化高度(1.5 m)的風(fēng)險(xiǎn)較大。

圖7 各熱釋放速率監(jiān)測(cè)器對(duì)應(yīng)的熱釋放速率曲線(xiàn)Fig.7 HRR curves corresponding to various heat release rate monitors

4 結(jié)論

1)舊標(biāo)準(zhǔn)箱體最高溫度為103℃，新標(biāo)準(zhǔn)箱體最高溫度為115℃，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，箱體最高溫度越高電纜不合格的幾率越大，故推測(cè)在新標(biāo)準(zhǔn)下電纜通過(guò)燃燒性能試驗(yàn)的難度增大。

2)新標(biāo)準(zhǔn)在炭化高度方面要求較為嚴(yán)格，且新標(biāo)準(zhǔn)下電纜前表面的爬火現(xiàn)象嚴(yán)重，這導(dǎo)致了電纜成束燃燒試驗(yàn)在炭化高度方面不易通過(guò)檢測(cè)。

3)電纜在新標(biāo)準(zhǔn)下的煙密度是舊標(biāo)準(zhǔn)下的一半，可見(jiàn)新標(biāo)準(zhǔn)下的成束電纜燃燒試驗(yàn)在煙密度方面容易通過(guò)檢測(cè)。

4)將成束電纜燃燒的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果進(jìn)一步用于實(shí)體試驗(yàn)中。在保證電纜機(jī)械強(qiáng)度的前提下，為達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)中的B1級(jí)阻燃等級(jí)，需要在舊標(biāo)準(zhǔn)下A類(lèi)阻燃的基礎(chǔ)上增加電纜的阻燃效果，特別需要抑制的是火焰在電纜表面垂直蔓延的能力。