綜合管廊斷面和風(fēng)速對(duì)排煙影響的數(shù)值模擬研究

謝安生，韋 巖，楊 款

（1.長(zhǎng)安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西西安710064；2.長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710064）

綜合管廊即城市綜合管道走廊，是位于城市地下的一個(gè)狹長(zhǎng)的隧道空間，將電力、通信、燃?xì)?、給水等市政管線(xiàn)集中敷設(shè)在其中，是保證城市正常運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施。綜合管廊內(nèi)火災(zāi)主要是由電纜電火花、短路等現(xiàn)象引起的，由于管廊位于地下，出入口較少，火災(zāi)后產(chǎn)生的高溫?zé)煔夂陀卸居泻怏w會(huì)積聚在管廊內(nèi)，對(duì)人員和設(shè)備造成損害。因此，綜合管廊內(nèi)通常都設(shè)有通風(fēng)系統(tǒng)，以排除管廊內(nèi)的余熱以及火災(zāi)后產(chǎn)生的煙氣。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于隧道火災(zāi)方面進(jìn)行了大量的研究。閆治國(guó)、楊其心[1-2]等人采用大比例模型試驗(yàn)研究了不同風(fēng)速條件下溫度和風(fēng)速的發(fā)展規(guī)律；王日升[3]等采用三維瞬態(tài)模擬軟件模擬了公路隧道火災(zāi)排煙時(shí)的臨界風(fēng)速，并得出火災(zāi)煙氣在隧道中的蔓延規(guī)律；張玉春[4]等采用三維模擬軟件，對(duì)比研究了縱向風(fēng)和橫向風(fēng)條件下煙氣的蔓延規(guī)律；趙永昌［5］等采用FDS 模擬軟件，模擬了綜合管廊火災(zāi)煙氣的溫度場(chǎng)并得到管廊內(nèi)的煙氣蔓延以及溫度變化規(guī)律；彭玉輝［6］等采用數(shù)值模擬的方法，研究了隧道內(nèi)電纜發(fā)生火災(zāi)時(shí)的煙氣濃度及縱向溫度變化規(guī)律。

綜合國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究可以看出，綜合管廊在火災(zāi)方面的研究大都借鑒了公路隧道火災(zāi)的經(jīng)驗(yàn)，關(guān)于綜合管廊火災(zāi)方面的研究很少，而綜合管廊斷面高寬比和通風(fēng)速度對(duì)于電纜艙火災(zāi)排煙的影響方面研究更少。本文應(yīng)用火災(zāi)模擬軟件PyroSim 對(duì)綜合管廊電纜艙火災(zāi)進(jìn)行模擬，討論斷面高寬比和通風(fēng)速度對(duì)火災(zāi)排煙效果的影響，以期為綜合管廊建設(shè)提供參考性意見(jiàn)。

1 模型的建立

1.1 電纜艙的幾何特征

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，綜合管廊內(nèi)部?jī)舾卟灰诵∮?.4米，內(nèi)部?jī)魧拺?yīng)該滿(mǎn)足管道、配件及運(yùn)輸?shù)囊?，不宜小?.9 米。其中，電纜水平敷設(shè)的空間需滿(mǎn)足如下要求[7]：最上層支架距離其他設(shè)備的凈距不宜小于300 mm；最下層支架距離綜合管廊底板的凈距不宜小于100 mm；中間的電纜支架層間距應(yīng)根據(jù)電纜的電壓等級(jí)、類(lèi)別確定，可參考表1中的各項(xiàng)指標(biāo)。

表1 電纜支架層間垂直距離的允許最小值 mm

根據(jù)以上條件，選取三種不同截面類(lèi)型的綜合管廊為研究對(duì)象，在相同通風(fēng)速度的條件下為保證其通風(fēng)量相同，控制其截面面積均為9 m2，斷面尺寸分別為3.6 m（高）×2.5 m（寬）、3 m（高）×3 m（寬）和2.5 m（高）×3.6 m（寬），高寬比分別為1.44、1.0、0.7，分別記為類(lèi)型1、類(lèi)型2和類(lèi)型3，取一個(gè)通風(fēng)區(qū)間長(zhǎng)度為200 m。

1.2 PyroSim建模

PyroSim被用來(lái)建立火災(zāi)模擬，并對(duì)火災(zāi)中煙氣的運(yùn)動(dòng)、溫度和濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，采用大渦模擬控制微分方程來(lái)描述火災(zāi)煙氣的流動(dòng)情況，大渦模擬能較好的處理湍流與浮力之間的相互作用，使求解更加精確。網(wǎng)格劃分的好壞會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生很大影響，綜合考慮計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度，選擇網(wǎng)格尺寸為0.2 m×0.2 m×0.2 m。該軟件以單位面積熱釋放速率（HRR）定義火源的大小，目前在國(guó)內(nèi)，根據(jù)火源功率，火災(zāi)大小可分為以下三種：小型火災(zāi)3 MW，中型火災(zāi)20 MW，大型火災(zāi)50 MW[8]。由于管廊內(nèi)空間狹小且著火材料為電纜，一般為小型火災(zāi)，取HRR 為3 000 kW/m2，由于火源熱釋放速率會(huì)隨著燃燒時(shí)間而不斷變化，因此設(shè)置火源類(lèi)型為非穩(wěn)定火源模型即t2模型，增長(zhǎng)時(shí)間為60 s[8]，火源位于第二列中間100 m 處。電纜艙內(nèi)主要燃燒物質(zhì)為電纜，其絕緣材料大部分為聚氯乙烯，基本物性參數(shù)：密度為1 380 kg/m3，比熱為1.289 kJ/（kg·K），電導(dǎo)率為0.192 W/（m·K），電纜點(diǎn)火溫度為250 ℃，熱釋放速率為265 kW/m2。電纜艙壁面材料為混凝土，其物性參數(shù)：密度為2 280 kg/m3，比熱為1.04 kJ/（kg·K），厚度為0.3 m，并允許向墻后土壤散熱。通風(fēng)方式采用機(jī)械進(jìn)風(fēng)和機(jī)械排風(fēng)，兩個(gè)風(fēng)口分別位于該通風(fēng)區(qū)間兩端上側(cè)，風(fēng)口尺寸為1 m×1 m。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，排風(fēng)口風(fēng)速不得大于5 m/s，為比較不同風(fēng)速大小對(duì)排煙的影響，風(fēng)速分別取5、4 和3 m/s，送風(fēng)溫度取環(huán)境溫度。根據(jù)一些工程所得經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)綜合管廊內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，通常先關(guān)閉火災(zāi)區(qū)域的所有通風(fēng)口使其窒息滅火，確認(rèn)火災(zāi)熄滅后，再開(kāi)啟通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行通風(fēng)換氣和排煙。參考相關(guān)資料，為了防止火災(zāi)復(fù)燃，當(dāng)火災(zāi)熄滅0.5 h 以后方可進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)。根據(jù)模擬結(jié)果得知火災(zāi)在密閉管廊內(nèi)的燃燒時(shí)間不超過(guò)10 min，故在2 400 s 后打開(kāi)通風(fēng)系統(tǒng)，并設(shè)定通風(fēng)排煙的時(shí)間為2 400 s，模擬時(shí)長(zhǎng)共計(jì)4 800 s。在高度方向每隔0.5 m、長(zhǎng)度方向每隔10 m設(shè)置一個(gè)熱電偶以便于分析電纜艙內(nèi)煙氣的變化過(guò)程。為了使求解方便，建模時(shí)作如下假設(shè)：電纜物性參數(shù)均為常數(shù)且不隨溫度變化而變化；電纜支架等不會(huì)燃燒且分區(qū)段布置，對(duì)結(jié)果影響很小故忽略電纜支架；模擬過(guò)程中不考慮自動(dòng)滅火系統(tǒng)的作用。

1.3 模擬工況設(shè)計(jì)

依據(jù)三種不同截面類(lèi)型和不同通風(fēng)速度，生成模擬方案表，共設(shè)計(jì)9組模擬工況，具體如表2所示。

表2 模擬方案表

通過(guò)以上模擬工況的設(shè)計(jì)，最終根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析比較綜合管廊斷面高寬比和通風(fēng)速度對(duì)排煙的影響。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 排煙過(guò)程煙氣變化規(guī)律

排煙過(guò)程的煙氣變化情況如圖1 所示，為方便觀察，沿高度方向?qū)芾冗M(jìn)行適當(dāng)放大。火災(zāi)熄滅后在密閉條件下靜置冷卻超過(guò)0.5 h后，管廊各點(diǎn)均充滿(mǎn)了煙氣且煙氣量較大。排煙初期，送風(fēng)口區(qū)域處首先出現(xiàn)無(wú)煙區(qū)，排煙效率最高，而其他區(qū)域肉眼所見(jiàn)無(wú)明顯變化。中期階段，可以看到整個(gè)縱斷面上煙氣密度差別明顯，煙氣主要集中在頂棚下，下部區(qū)域可見(jiàn)度明顯高于上部區(qū)域，形成上部煙氣下部空氣的分層。排煙后期，除頂棚下有少量煙氣外，煙氣已基本排出。由此可以看出，管廊內(nèi)排煙順序由下而上，下部區(qū)域煙氣先被排出，頂棚下排煙效率最低，原因是送風(fēng)溫度為室外空氣溫度，較管廊內(nèi)煙氣溫度低，送風(fēng)主要沿著下部區(qū)域流動(dòng)，下部空氣流速和流量明顯高于上部區(qū)域，因此能更好的排出煙氣。

2.2 各工況煙氣密度變化情況對(duì)比

為方便觀測(cè)各個(gè)時(shí)刻煙氣密度變化情況，在火源處橫截面上每隔0.5 m高設(shè)置一熱電偶，通風(fēng)時(shí)間每隔100 s取一測(cè)量值并繪制曲線(xiàn)圖。為比較通風(fēng)速度大小對(duì)排煙效率的影響，控制其斷面高寬比相同，將以上9種工況分為3組作比較，其中類(lèi)型1在三種風(fēng)速下煙氣密度大小隨通風(fēng)時(shí)間的變化情況如圖2所示。

圖1 排煙過(guò)程煙氣變化規(guī)律

圖2 類(lèi)型1煙氣密度變化情況

由圖2 可以看出，在0 時(shí)刻，煙氣密度大小隨著垂直高度的增加而不斷增大，即管廊內(nèi)煙氣處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，上部區(qū)域的煙氣量大于下部區(qū)域，原因是煙氣溫度較管廊內(nèi)空氣溫度高，密度小，煙氣主要集中在上部。在排煙初期，三種工況下煙氣密度均有明顯的上升，原因是開(kāi)始通風(fēng)時(shí)，管廊內(nèi)煙氣由靜止開(kāi)始流動(dòng)，由于通風(fēng)區(qū)間較長(zhǎng)，通風(fēng)有一定的滯后性，上游的煙氣向下游聚積導(dǎo)致密度暫時(shí)增大，而隨著通風(fēng)時(shí)間的增加，密度開(kāi)始減小，且始終呈現(xiàn)上部煙氣密度大于下部的分布規(guī)律。其中，工況1煙氣密度減小率最大，約500 s時(shí)下部區(qū)域已趨近于零，500 s以后上部區(qū)域排煙效率稍有減小，約1 500 s 時(shí)降為零，此時(shí)整個(gè)截面上已基本沒(méi)有煙氣。對(duì)于工況2，整個(gè)過(guò)程相較工況1 稍有延后，歷時(shí)約1 800 s。而工況3 中，相較于工況1 和工況2，各個(gè)高度上的排煙速率均較緩慢，所用時(shí)間大大增加。綜合比較三種工況可以看出，隨著通風(fēng)速度的不斷減小，整體排煙效率也不斷減小，當(dāng)風(fēng)速過(guò)小時(shí)會(huì)使通風(fēng)時(shí)間顯著增加，影響管廊的正常運(yùn)行，因此需控制風(fēng)速不應(yīng)小于某一值。然而通風(fēng)速度增加也就意味著能耗增加，以工況1 和工況2 為例，兩者風(fēng)速相差1 m/s，通風(fēng)時(shí)間相差約300 s，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性及實(shí)際運(yùn)行等方面因素，哪種工況更為合理還有待進(jìn)一步研究。

類(lèi)型2 中，工況4 的排煙時(shí)間為1 300 s，工況5 的排煙時(shí)間為1 600 s，工況6的排煙時(shí)間為2 000 s。類(lèi)型3 中，工況7 的排煙時(shí)間為1 100 s，工況8 的排煙時(shí)間為1 400 s，工況9 的排煙時(shí)間為1 900 s。由此可以看出，類(lèi)型2和類(lèi)型3的煙氣密度變化規(guī)律與類(lèi)型1基本相同，隨著通風(fēng)速度的減小，排煙效率也減小，不同的是，截面類(lèi)型不同，排煙所花費(fèi)的時(shí)間也不相同，因此可以推測(cè)排煙效率與截面的形狀也有關(guān)系。

為比較斷面高寬比對(duì)排煙效率的影響，應(yīng)控制其通風(fēng)速度相同。其中，當(dāng)風(fēng)速為4 m/s時(shí)，三種類(lèi)型煙氣密度變化情況如圖3所示。

由圖3 可以看出，三種類(lèi)型煙氣密度變化規(guī)律相同，均有一個(gè)上升的過(guò)程而后開(kāi)始下降最后降為零且上部區(qū)域煙氣密度始終大于下部區(qū)域。工況2中，下部區(qū)域排煙速度最快，約600 s 時(shí)密度大小趨近于零，600 s 以后，上部區(qū)域排煙速度稍有減慢，密度曲線(xiàn)較為平緩，1 800 s 時(shí)最上層煙氣密度降為零，此時(shí)，整個(gè)斷面上煙氣已基本排除干凈，排煙過(guò)程歷時(shí)約1 800 s。工況5 中，其整體排煙效率高于類(lèi)型1，各高度處密度梯度沒(méi)有大的差別，約800 s時(shí)下部區(qū)域煙氣密度趨近于零，約1 600 s時(shí)最上層煙氣密度降為零，比類(lèi)型1提前了約200 s。工況8 的整體排煙效率最高，其中，下部區(qū)域排煙效率與工況5基本相同，均為800 s，1 400 s時(shí)刻最上層煙氣密度已幾乎為零，相較類(lèi)型1 提前了約400 s。綜合比較以上三種工況可以看出，通風(fēng)量相同時(shí)，斷面高寬比對(duì)于排煙效率影響較大。對(duì)于高寬比較大的類(lèi)型1，由于其高度較大，導(dǎo)致同一斷面上速度差別明顯，送風(fēng)主要沿著下部區(qū)域流動(dòng)，下部區(qū)域風(fēng)速明顯高于上部區(qū)域，所以在三種類(lèi)型里面，其下部區(qū)域排煙效率最高，上部區(qū)域排煙效率最低。反觀高寬比較小的類(lèi)型2和類(lèi)型3，雖然其下部排煙效率比類(lèi)型1低，但由于其高度較小，同一截面上下速度差較小，所以整體排煙效果較好。

圖3 三種類(lèi)型煙氣密度變化情況

當(dāng)風(fēng)速為5 m/s，工況1的排煙時(shí)間為1 500 s，工況4 的排煙時(shí)間為1 300 s，工況7 的排煙時(shí)間為1 100 s。當(dāng)風(fēng)速為3 m/s時(shí)，工況3的排煙時(shí)間為2 200 s，工況6的排煙時(shí)間為2 000 s，工況9的排煙時(shí)間為1 800 s，與以上所得規(guī)律相印證。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)綜合管廊電纜艙火災(zāi)排煙階段的煙氣密度變化情況進(jìn)行模擬分析，得出以下結(jié)論：

（1）排煙過(guò)程中，管廊內(nèi)排煙順序由下而上，下部區(qū)域排煙效率高于上部區(qū)域且距離送風(fēng)口越近排煙效率越高；整個(gè)排煙過(guò)程中同一斷面上頂部的煙氣密度均為最大，隨著高度的降低，煙氣密度也逐漸減小。

（2）在同一斷面下，隨著通風(fēng)速度的不斷減小，排煙效率也不斷減小。

（3）高寬比對(duì)于排煙效率影響較大，風(fēng)速相同時(shí)，高寬比越大，下部排煙效率越高，而上部排煙效率越低，高寬比越小，其整體排煙效率越高。