沉管隧道火災高溫試驗爐煙道設計與性能研究*

張升耀，董毓利，王慧青，段進濤，鄭 威

(1.華僑大學 土木工程學院，福建 廈門 361021； 2.廈門工學院 建筑與土木工程學院，福建 廈門 361021)

0 引言

沉管隧道工程環(huán)境復雜，一旦發(fā)生火災事故，后果不堪設想[1-3]。沉管隧道火災試驗體量較大，為保證試驗安全性，可在野外臨時試驗場地建造試驗爐，但會造成經(jīng)濟性與安全性相互矛盾[4-5]。為最大化試驗構(gòu)件利用率會進行多次火災試驗，煙道被重復使用且存在短期改造可能。因此，煙道設計需同時考慮安全性、經(jīng)濟性及改建便捷性。

實驗室用煙道常發(fā)生高溫故障，相關(guān)學者針對試驗爐煙道問題展開研究：段進濤等[6]提出改進熱平衡法，使用FDS(Fire Dynamics Simulator)模擬火災試驗爐，發(fā)現(xiàn)火災試驗爐內(nèi)溫度場并非完全均勻分布，且煙道位置溫度高于爐室平均溫度；陳榮淋[7]利用FDS模擬火災試驗爐燃燒，通過分析火災試驗爐內(nèi)溫度場分布發(fā)現(xiàn)，火災試驗爐煙道口位置溫度較高，提出試驗爐建造應加強煙道與爐體連接處。關(guān)于煙道性能研究主要集中在煙道排煙效率、煙道位置布置對排煙影響等方面[8-9]，關(guān)于煙道內(nèi)部溫度分布研究較少，針對高溫條件下煙道破損未提出有效解決辦法。

煙道破壞使試驗被迫終止，造成經(jīng)濟損失同時帶來一定安全隱患。試驗過程中，必須同時考慮煙道安全性、經(jīng)濟性、改建便捷性。本文提出自帶降溫系統(tǒng)煙道設計方案，通過FDS數(shù)值模擬研究煙道內(nèi)溫度場分布，并通過實際隧道火災試驗驗證自帶降溫煙道可靠性與實用性。

1 試驗方案設計與數(shù)值模擬分析

1.1 試驗方案設計

火災試驗煙氣溫度一般大于1 000 ℃，且持續(xù)時間較長，沉管隧道臨時火災試驗爐采用砌筑煙道，工期短且成本低，但高溫會導致砌筑煙道出現(xiàn)裂縫、剝落等安全問題，可通過水噴淋方式對煙道中高溫煙氣降溫。沉管隧道火災試驗縱斷面如圖1所示。由圖1可知，火災試驗爐設于沉管隧道內(nèi)部，黏土磚砌筑兩側(cè)爐墻，爐墻內(nèi)壁覆蓋防火棉，爐室其他部位有防火板覆蓋；煙道由右下孔洞延伸至隧道外部，在煙道前端設置水噴淋系統(tǒng)，噴淋頭下方設置排水坡及排水口；隧道火災場景設計依據(jù)RABT隧道火災曲線[10]，采用熱平衡法控制爐溫,試驗升溫2 h；火源為2臺燃燒機，單機熱功率約1.3 MW，燃燒機安裝在爐室左側(cè)，煙氣由左至右排出?；馂脑囼灎t建造前，采用FDS軟件進行數(shù)值模擬，研究煙道溫度場分布情況，并檢驗煙道設計方案可行性。

圖1 沉管隧道火災試驗縱斷面

1.2 數(shù)值模擬分析

火災動力學模擬軟件FDS[11]對火災及煙氣模擬能力較好，常用功能包括火源設置、燃燒模型以及水噴淋系統(tǒng)等。為簡化試驗方案，作以下假設條件：

1)燃燒采用簡單熱解模型[12]，保持火源功率相同。

2)爐室內(nèi)鋪設防火板、防火棉，表面設置為絕熱類型。

3)煙道中黏土磚和混凝土導熱率低，表面設置為惰性類型。

4)僅模擬沉管隧道火災升溫段。

爐室和煙道計算空間，如圖2所示。爐室和煙道計算空間分別為3 m×1.8 m×1.8 m、0.6 m×0.6 m×3.9 m。網(wǎng)格尺寸采用1/8～1/12特征火焰直徑，特征火焰直徑D*[13]如式(1)所示:

圖2 計算空間

(1)

計算空間選用方形網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量采用基于快速傅里葉變換(FFTs)的泊松求解器設置。在合理范圍內(nèi)，計算網(wǎng)格尺寸由大逐漸減小，最終2次計算結(jié)果相近，此時網(wǎng)格尺寸基本滿足精度要求。2種不同尺寸網(wǎng)格模擬計算，耗時越短，計算效率越高。模擬過程0.10 m×0.10 m×0.10 m 、0.15 m×0.15 m×0.15 m 2種尺寸網(wǎng)格模擬結(jié)果相近，但精細網(wǎng)格會延長計算時間，實際模擬時長約為粗糙網(wǎng)格5倍。因此，試驗最終選用0.15 m×0.15 m×0.15 m網(wǎng)格進行計算，可兼顧計算精度與計算效率。

爐室燃燒模型為簡單熱解模型,燃燒反應為METHANE(甲烷) 燃燒反應，單一火源功率1.3 MW。在火源四周設置通風(supply)表面，通風速率由燃燒化學反應方程式確定。假設甲烷完全燃燒，化學反應如式(2)所示:

(2)

由FDS模擬結(jié)果可知，可燃氣體消耗速率MLR_FUEL為0.049 8 kg/s，O2質(zhì)量消耗速率如式(3)所示:

Vm(O2)=4*MLR_FUEL

(3)

標準大氣壓下空氣密度ρ、空氣中O2質(zhì)量分數(shù)ω等參數(shù)見表1。

表1 空氣參數(shù)

通風表面噴入空氣體積流速如式(4)所示:

VV(AIR)=Vm(O2)/(ω*ρ)

(4)

火源模型如圖3所示。圖中矩形尺寸均為0.15 m×0.15 m，中間矩形為火源表面，四周為通風表面。采用熱平衡法控制爐溫，由式(4)計算通風表面進風速率VV(AIR)，經(jīng)修正每個單元通風表面(共4個單元)進風速率為0.15 m3/s。爐室表面設置adiabatic(絕熱表面)，煙道表面設置inert(惰性表面)，煙道出口設置open(開放表面)。

圖3 火源模型

利用3個水噴淋頭對熱煙氣降溫，噴淋頭布置如圖1所示。噴淋頭水流量35 L/min,噴射角度3°，60°。

爐室布置9個熱電偶(THCP)測量爐室溫度，煙道內(nèi)設置4個測點測量煙道煙氣溫度,其中1個測點位于距離排煙口前端0.25 m處，其余3個測點間隔0.5 m連續(xù)布置在噴淋頭(NOZZLE)后，測點布置如圖4所示。模擬時長2 h，采用LES(大渦模擬)計算模式。

圖4 測點布置

1.3 模擬結(jié)果

爐室橫截面溫度分布如圖5所示。爐室溫度短時間(約5 s)內(nèi)上升至約1 300 ℃，持續(xù)燃燒放熱狀態(tài)相對穩(wěn)定。爐室縱截面溫度云圖如圖6所示。由圖5～6可知，爐溫溫度場相對均勻，火源噴射處火焰溫度相對最高。

圖5 爐室橫截面溫度

圖6 縱截面溫度

煙道溫度場前端溫度略有升高，經(jīng)水噴淋段降溫后呈梯度下降，最終下降至600 ℃左右。整個系統(tǒng)模擬測點溫度如圖7所示。經(jīng)水噴淋降溫，煙氣平均溫度約580 ℃，煙道大部分熱煙氣溫度不超過700 ℃。無噴淋措施縱截面溫度場如圖8所示，煙氣溫度持續(xù)大于1 000 ℃，煙道長時間高溫使砂漿砌筑煙道開裂、剝落最終導致漏煙。據(jù)資料顯示，室內(nèi)火災場景下120 mm厚混凝土板單面受火2 h，混凝土背火面溫度僅100 ℃[14]，黏土磚與混凝土屬熱惰性材料，導熱率較低，升溫速率較慢，在模擬試驗中，損壞幾率較小。因此，煙道升溫工況下運行2 h較安全。

圖7 整個系統(tǒng)模擬測點溫度

圖8 無噴淋措施的縱截面溫度

模擬結(jié)果顯示，帶水噴淋降溫煙道，可有效解決砌筑煙道易開裂漏煙問題，并在煙道安全性、經(jīng)濟性、改建便捷性設計中找到合理平衡點。爐室與煙道連接處頂板溫度較高，在實際煙道建造過程中需加強防火保護。經(jīng)水噴淋降溫排出煙氣溫度約500 ℃，高溫將威脅試驗人員生命安全，需對煙道末端排出煙氣作進一步降溫處理。

2 沉管隧道火災試驗

2.1 火災試驗設計

基于FDS對沉管隧道高溫火災試驗爐設計方案進行驗證，對爐室和煙道連接處頂板位置做好防火保護，并對煙道排出煙氣進行二次降溫處理。根據(jù)設計規(guī)范，防火設計在RABT升溫曲線下耐火極限不低于2 h，因此，火災試驗升溫時間設置為2 h，降溫時間110 min[15]?；馂脑囼灍嵩礊?臺WZL120PF型燃燒機，單機熱功率1.3 MW。燃燒機安裝在爐室側(cè)墻，如圖9所示。

圖9 燃燒機

煙道凈截面尺寸0.5 m×0.5 m，煙道末端利用預制冷卻罐進行二次降溫，如圖10所示。采用黏土磚水泥砂漿砌筑側(cè)墻，需確保砂漿塞縫密實，側(cè)墻厚370 mm。煙道前端頂部高溫區(qū)加強構(gòu)造如圖11所示，采取防火棉覆蓋及加大頂板混凝土厚度等措施降低漏煙機率。采用2 mm鍍鋅鋼板作為底模板與混凝土整體澆筑，鍍鋅鋼板底放置直徑12 mm鋼筋加強支撐，防止鍍鋅鋼板燒壞導致排煙道頂板塌陷，間距0.4 m。水噴淋頭如圖12所示，在鍍鋅鋼板上鉆孔，將水噴淋頭安裝在預定位置，并利用高溫玻璃膠固定。鍍鋅鋼板先鋪設2層不銹鋼網(wǎng)然后澆筑混凝土，混凝土厚120 mm。煙道砌筑實況如圖13所示。

圖10 冷卻罐

圖11 高溫區(qū)加強構(gòu)造

圖12 水噴淋頭

圖13 煙道砌筑

爐室溫度測量采用6根鉑銠熱電偶，煙氣溫度測量采用K型熱電偶，最終排出煙氣溫度由引風機出風口前端設置K型熱電偶F-4測量,煙道混凝土頂板上表面設置K型熱電偶測點F-5測量表面溫度。降溫段停止燃燒機燃燒，只鼓入空氣，引風機抽出火災爐內(nèi)空氣，達到降溫目的。共進行4次平行試驗，升溫階段120 min，降溫階段110 min。采用安捷倫(34980A)溫度采集儀采集溫度數(shù)據(jù)。

2.2 試驗結(jié)果

每組火災試驗約230 min,試驗各測點溫度如圖14所示。由圖14可知，爐室溫度上升較快，約10 min達到升溫曲線拐點，符合RABT升溫曲線特點；試驗1、2平均爐溫1 300 ℃，試驗3、4平均爐溫1 230 ℃；爐內(nèi)溫度場分布不均勻，但不均勻性較??；爐室內(nèi)高溫煙氣進入煙道時溫度與爐溫一致，進入煙道后因水噴淋降溫作用，煙氣溫度下降700 ℃，如圖14(e)所示(Ts試驗爐溫，Tm煙道煙氣溫度)，水噴淋降溫作用明顯，最終排出煙氣溫度約70 ℃。4次試驗過程中，排煙始終通暢，煙道本身沒有出現(xiàn)明顯裂縫，煙道附近沒有明顯煙氣外溢現(xiàn)象，說明水噴淋降溫煙道能保證正常排煙，且耐久性良好，可進行多次重復使用。試驗結(jié)束后檢查爐室發(fā)現(xiàn)，爐室煙氣出口處部分被水浸漬，說明水噴淋系統(tǒng)存在多余水進入爐室，原因可能是排水設計沒有完全發(fā)揮作用，試驗設計時應注意加強完善排水設計，避免過多噴淋水進入爐室。

圖14 試驗測點溫度

3 模擬試驗對比分析

將數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與火災試驗數(shù)據(jù)進行對比，如圖15所示。由圖15可知，模擬溫度與試驗溫度相近；火災試驗燃燒達到穩(wěn)定時間大于數(shù)值模擬；在燃燒穩(wěn)定階段，試驗1、2火災試驗爐溫與模擬爐溫基本一致，試驗3、4火災試驗爐溫溫度低于數(shù)值模擬；煙道中熱煙氣試驗溫度高于數(shù)值模擬溫度，最大溫差約90 ℃。

圖15 模擬、試驗數(shù)據(jù)對比

火災試驗煙道內(nèi)煙氣溫度高于數(shù)值模擬，原因可能是數(shù)值模擬中噴淋水被充分霧化，而試驗中因水壓等客觀因素，噴淋水沒有被充分霧化，降溫效果不佳。噴淋頭安裝時其噴水點距煙道頂板存在一定距離h，煙道橫截面上部空間存在噴淋水無法作用區(qū)域，如圖16所示，部分熱煙氣未被降溫而直接溢出。試驗采用冷卻罐中循環(huán)水進行噴淋降溫，循環(huán)水隨試驗延長溫度上升，噴淋冷卻效果降低。

圖16 水噴淋區(qū)域

為找到最終影響因素，使用FDS對影響因素作參數(shù)分析。噴淋水不同平均粒徑水滴(Median Diameter)與煙道煙氣平均溫度變化曲線如圖17所示，當水滴粒徑為300～1 200 μm，煙氣平均溫度與水滴平均粒徑呈線性增長關(guān)系，表明噴淋系統(tǒng)水壓不足，霧化效果不佳情形下，噴淋降溫效果變差，煙道煙氣溫度不斷升高。其他條件一定，未經(jīng)水噴淋降溫區(qū)域大小與噴淋頭至頂板垂直距離h相關(guān)，不同h值對應煙道平均溫度關(guān)系如圖18所示。由圖18可知，當h≤100 mm時，煙氣平均溫度基本不變；當h為100～200 mm時，煙氣溫度隨h增大而升高，表明上部未噴淋區(qū)域較小時，熱煙氣溢出量相對較少，對煙氣整體溫度影響較小，但當未噴淋區(qū)域超過一定限值時，影響作用明顯增大。

圖17 煙氣平均溫度-水滴平均粒徑曲線

圖18 煙氣平均溫度-垂直距離曲線

霧化后冷卻水與熱煙氣接觸汽化過程吸熱，吸熱降溫效果與初始溫度相關(guān)，初始溫度越低汽化吸熱越大，降溫效果越好?；馂脑囼灂r冷卻水循環(huán)使用，點火15 min后水溫50 ℃，停火時水溫約80 ℃。水溫較高，導致噴淋降溫效果低于數(shù)值模擬常溫水，煙氣平均溫度試驗值高于模擬值。煙氣平均溫度試驗與模擬誤差分析見表2。

表2 煙氣平均溫度試驗與模擬誤差分析

水噴淋系統(tǒng)對熱煙氣降溫效果明顯，溫度降低700 ℃，模擬與試驗結(jié)果基本吻合。試驗數(shù)據(jù)顯示，煙道外表面最高溫度約80 ℃，且溫度上升緩慢，模擬假定煙道inert(惰性)表面類型與實際相符。因此，F(xiàn)DS模擬準確性較高，在復雜工程計算中具有可行性。

4 結(jié)論

1)帶水噴淋砌筑煙道，可滿足沉管隧道火災試驗煙道需求，為野外沉管隧道火災試驗煙道設計提供經(jīng)驗借鑒。

2)水噴淋系統(tǒng)可降低煙氣溫度，煙氣溫度降低700 ℃，能減小熱煙氣對煙道損害，解決煙道開裂漏煙問題，使砌筑煙道適用范圍擴大。

3)噴淋水可能存在“過噴”現(xiàn)象，為保證水噴淋降溫效果，加強對回落地面噴淋水處理，避免過多噴淋水進入爐室，影響試驗進行。

4)FDS模擬結(jié)果與試驗結(jié)果最大誤差為8.6%，說明FDS模擬沉管隧道火災試驗及水噴淋對熱煙氣降溫可行。