城市綜合管廊電力艙火災(zāi)數(shù)值模擬

楊斌 杜貞愛 柳琦 龔哲 姜學(xué)鵬

摘要：為了給綜合管廊電力艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)，為管廊內(nèi)人員逃生提供指導(dǎo)參考，本文對(duì)城市綜合管廊電力艙進(jìn)行火災(zāi)數(shù)值模擬研究，研究其火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律、火災(zāi)后管廊內(nèi)溫度場(chǎng)分布。本文采用FDS軟件進(jìn)行火災(zāi)數(shù)值模擬，建立1：1的模擬模型，對(duì)火源區(qū)域進(jìn)行加密網(wǎng)格劃分，火源功率設(shè)置為2MW，快速火災(zāi)等級(jí)，火災(zāi)熱釋放率的增長系數(shù)α取0.04689kW/s2。模擬結(jié)果表明：火災(zāi)發(fā)生后210秒內(nèi)煙氣將蔓延至整個(gè)管廊，隨后將逐步充滿管廊空間?；馂?zāi)燃燒達(dá)到頂峰時(shí)，火災(zāi)截面處管廊頂部溫度達(dá)到800℃。

關(guān)鍵詞：電力管廊;火災(zāi);數(shù)值模擬;煙氣蔓延

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，城市地下空間得到了進(jìn)一步應(yīng)用，城市綜合管廊就是極其重要的基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)城市正常運(yùn)行至關(guān)重要。綜合管廊包含電力艙、燃?xì)馀?、熱力艙、排水艙、綜合艙等[1-2]。綜合管廊處于地下封閉狹長空間，引起火災(zāi)事故的原因不易被發(fā)現(xiàn)，一旦發(fā)生火災(zāi)，會(huì)產(chǎn)生高溫?zé)煔庋杆俪錆M整個(gè)防火區(qū)間[3]。電力艙發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)最高而且火災(zāi)危害巨大，漏電、短路等都易引起火災(zāi)。

本文應(yīng)用FDS模擬綜合管廊電力艙內(nèi)火災(zāi)狀況，研究其火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律、火災(zāi)后管廊內(nèi)溫度場(chǎng)分布，為綜合管廊電力艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)。

一、工程案例

本文以某城市綜合管廊高壓電力艙室為對(duì)象進(jìn)行數(shù)值模擬，按照1：1比例建立模型。高壓電力艙室內(nèi)部凈寬為2.5m，凈高為3.8m，長度取一個(gè)防火區(qū)間長200m，兩側(cè)布置220kv和110kv的電纜，左右各五層，綜合管廊斷面圖如圖1所示。

（一）模型建立

本文對(duì)一個(gè)防火分區(qū)（200m）的電力艙室進(jìn)行建模，管廊高3.8米、寬2.5米，去掉支架等無關(guān)內(nèi)容，僅保留電纜，其模型簡化如圖2所示，在FDS中對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分及參數(shù)設(shè)置，著火區(qū)設(shè)置在管廊中部，著火長度為1m，引火源設(shè)置在第二層電纜下方，為了精簡網(wǎng)格數(shù)量、節(jié)省計(jì)算機(jī)的運(yùn)算時(shí)間，本文對(duì)模擬網(wǎng)格劃分進(jìn)行了特殊處理，網(wǎng)格總數(shù)54600個(gè)，如圖3所示。

（二）火源設(shè)置

實(shí)際的火災(zāi)燃燒更接近一個(gè)非穩(wěn)態(tài)過程，存在著增長階段、穩(wěn)定階段和衰減階段，通常采用t2火災(zāi)模型來表述非穩(wěn)態(tài)火災(zāi)[4]。

（1）

式中：Q——火災(zāi)的熱釋放率，單位為kW。

α——火災(zāi)熱釋放率的增長系數(shù)，單位為kW/s2。

t——火災(zāi)發(fā)生的時(shí)間，單位為s。

本次模擬采用非穩(wěn)定火源，火災(zāi)等級(jí)選取快速火，α取0.04689，引火源位置取左側(cè)倒數(shù)第二層電纜側(cè)面，火源功率2MW，面積為1m×0.2m。

（三）工況及測(cè)點(diǎn)設(shè)置

本文模擬管廊滅火系統(tǒng)失效、防火門及通風(fēng)口關(guān)閉的情況下，發(fā)生火災(zāi)后管廊內(nèi)火災(zāi)發(fā)展、煙氣蔓延、溫度分布等狀況。為了便于分析管廊內(nèi)部溫度場(chǎng)等信息，本文在y=1.25、z=2m、x=1、x=50、x=100、x=150、x=199（x為管廊長度方向，y為管廊寬度方向，z為管廊高度方向）處設(shè)置切片。本文在x=1、x=50、x=100、x=150、x=199處設(shè)置熱電偶，部分測(cè)點(diǎn)分布如圖4所示。

二、結(jié)果分析

（一）煙氣蔓延規(guī)律分析

管廊內(nèi)電纜火災(zāi)后管廊內(nèi)的煙氣蔓延隨時(shí)間的變化圖，如圖5所示。

由圖5可知，綜合管廊火災(zāi)屬于受限空間火災(zāi)，隨著火災(zāi)的發(fā)展，生成的煙氣越來越多。煙氣受到浮力作用上升到達(dá)頂棚，并吸卷下方的空氣，形成頂棚射流，煙氣羽流沿著頂棚向兩邊逐漸擴(kuò)散，煙氣向兩邊的蔓延規(guī)律幾乎成對(duì)稱布置。火災(zāi)發(fā)生210秒后，煙氣蔓延至管廊兩端，隨后煙氣逐步充滿管廊，火災(zāi)在發(fā)展過程中，消耗了管廊內(nèi)大部分氧氣，此時(shí)管廊內(nèi)氧氣含量越來越低，火勢(shì)開始逐漸減小，火災(zāi)開始進(jìn)入衰退階段。在t=820s，火焰因缺氧而熄滅。

（二）溫度場(chǎng)分析

由煙氣蔓延分析可知，火災(zāi)發(fā)生后煙氣呈現(xiàn)對(duì)稱布置，溫度場(chǎng)分析時(shí)，僅分析火災(zāi)右側(cè)的溫度狀況，火災(zāi)位置截面處布置了6個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，其坐標(biāo)信息為T（x，y，z），如圖6所示?；馂?zāi)右側(cè)布每隔25米布置一個(gè)煙氣溫度測(cè)點(diǎn)，其坐標(biāo)信息為T（x，y，z），如圖7所示。

由圖6可知，在前250秒，火災(zāi)溫度逐步變大，253秒后火災(zāi)溫度有一定回落，隨著火災(zāi)引燃其他電纜，火災(zāi)溫度繼續(xù)增大，在500秒左右火災(zāi)燃燒達(dá)到頂峰，之后隨著管廊內(nèi)的氧氣逐步消耗，火災(zāi)溫度逐步回落，在溫度回落過程中，700秒至800秒左右時(shí)，火災(zāi)溫度出現(xiàn)了波動(dòng)，可能是火災(zāi)引燃了對(duì)側(cè)電纜燃燒，對(duì)側(cè)電纜燃燒變大，使溫度增加。800秒之后，溫度急劇下降至100℃左右，這是由于管廊內(nèi)氧氣消耗完，火焰熄滅造成。由圖6可知，在火災(zāi)處管廊截面的中心線上，越接近管廊頂部溫度越高，管廊頂部最高溫度接近800℃，管廊內(nèi)電纜火災(zāi)將對(duì)管廊內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成不可修復(fù)的損傷。由圖7可知，距離火災(zāi)越遠(yuǎn)，溫度越低，在1.7米高處，就算在距離火災(zāi)最遠(yuǎn)端，火災(zāi)燃燒達(dá)到峰值時(shí)，其溫度也超過了50℃。此溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)與海南消防總隊(duì)做的城市地下綜合管廊火災(zāi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合[5]。

三、結(jié)語

（一）火災(zāi)發(fā)生后210秒內(nèi)煙氣將蔓延至整個(gè)管廊，隨后將逐步充滿管廊空間。

（二）火災(zāi)燃燒達(dá)到頂峰時(shí)，火災(zāi)截面處管廊頂部溫度達(dá)到800℃。

本文模擬研究不足之處在于，建立的是理想化模型，只模擬了滅火系統(tǒng)失效的極端狀況下管廊火災(zāi)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉海靜，王磊，相坤，等.綜合管廊電力艙電纜燃燒溫度及煙氣分布試驗(yàn)研究[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2018，31（12）：6-13.

[2]王明年，田源，于麗，等.城市綜合管廊電纜火災(zāi)數(shù)值模擬及影響因素分析[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2018，14（11）：54-59.

[3]陳立清.某綜合管廊火災(zāi)煙氣數(shù)值模擬研究[D].安徽建筑大學(xué)，2018.

[4]鐘委，霍然，史聰靈.熱釋放速率設(shè)定方式的幾點(diǎn)討論[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2004，13（2）：64-69.

[5]陳治君，張剛，石曉龍，等.城市地下綜合管廊滅火系統(tǒng)試驗(yàn)[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2019，38（1）：110-112，118.

作者簡介：

楊斌（1989—），男，漢族，碩士研究生，工程師，主要從事能源大數(shù)據(jù)及火災(zāi)數(shù)值模擬研究。