火源位置對L型管廊電纜火災(zāi)影響規(guī)律的數(shù)值模擬研究

耿德望，劉 泓，王 克，陸梓萍，楊立中

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026)

0 引言

綜合管廊作為城市的“生命線”，在為城市提供電力、燃?xì)獾戎匾姓茉吹耐瑫r(shí)，也面臨著巨大的消防安全威脅。綜合管廊內(nèi)部容納大量的電力電纜、通信線纜、燃?xì)夤艿赖?，火?zāi)危險(xiǎn)性高[1]。大部分的綜合管廊火災(zāi)是由電力電纜老化以及燃?xì)夤艿佬孤对斐傻模娎|火災(zāi)作為占比最高的事故類型，容易造成城市大面積電力癱瘓，帶來不可計(jì)量的損失[2]。

綜合管廊電纜火災(zāi)事故案例引發(fā)了世界各國對其消防安全的重視，但各國城市綜合管廊的消防技術(shù)規(guī)范目前還不夠統(tǒng)一與完備[3]。近幾年國內(nèi)外學(xué)者基于實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的方法，開展了包括溫度場、煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律、排煙通風(fēng)以及滅火救援[4]等方面的綜合管廊火災(zāi)安全的研究。杜長寶[5]開展了縮尺寸管廊火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)綜合管廊頂棚溫度沿縱向呈指數(shù)規(guī)律衰減。葉開[6]通過全尺寸的綜合管廊火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，基于近似的熱邊界層厚度，推導(dǎo)出最高溫度縱向衰減的理論預(yù)測模型，并提出了基于Oka模型的綜合管廊火災(zāi)頂棚射流溫度場的二維預(yù)測方法。鄭源[7]開展了綜合管廊火災(zāi)煙氣特性的實(shí)驗(yàn)研究，探究了綜合管廊狹長結(jié)構(gòu)煙氣層及其流場熱特征規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了熱邊界層并不會(huì)受火源位置變化的影響而產(chǎn)生較大的變化。大部分學(xué)者開展實(shí)驗(yàn)研究時(shí)通常選用油池火模擬綜合管廊火災(zāi)，相比于實(shí)際情況下的多層電纜火災(zāi)，這種簡化的實(shí)驗(yàn)方案存在一定誤差，不能很好地還原出實(shí)際管廊電纜火災(zāi)的特殊規(guī)律?，F(xiàn)階段的研究對象多為幾十米長的一字型綜合管廊，然而城市的快速發(fā)展也推動(dòng)了綜合管廊逐步在地下交織成網(wǎng)，實(shí)際工程中出現(xiàn)了越來越復(fù)雜廊道構(gòu)型的綜合管廊，如L型、T型、U型管廊。此類復(fù)雜廊道構(gòu)型綜合管廊火災(zāi)安全的研究目前還處于初步探索階段，相應(yīng)的研究工作并不多。An等[8]建立了縱向總長度18.4 m的L形結(jié)構(gòu)的綜合管廊電力艙模型，研究了拐角處的電纜傾角對其火災(zāi)發(fā)生時(shí)的溫度分布、CO濃度分布規(guī)律的影響。Liang等[9]建立了T形結(jié)構(gòu)的綜合管廊電力艙模型，研究了廊道構(gòu)型對電纜火災(zāi)蔓延過程的影響。

事實(shí)上，工程設(shè)計(jì)中的一個(gè)管廊防火分區(qū)可長達(dá)數(shù)百米，并且在狹長的地下空間內(nèi)，電纜起火的位置也難以預(yù)料，因此有必要開展火源位置對不同廊道構(gòu)型的綜合管廊電纜火災(zāi)影響規(guī)律的研究。綜合管廊作為大型地下建筑，開展實(shí)驗(yàn)研究難度大，實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性低，因此越來越多的學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法開展綜合管廊火災(zāi)研究。其中，由美國國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)局(NIST)開發(fā)的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS(Fire Dynamics Simulator)受到了國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)可[10,11]，它以流體動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，可以較好地模擬復(fù)雜的大型建筑火災(zāi)場景。本文基于FDS數(shù)值模擬軟件，選取了典型的L型綜合管廊為研究對象，開展了火源位置對L型管廊電纜火災(zāi)影響規(guī)律的研究，研究結(jié)果可為綜合管廊火災(zāi)安全防控與消防設(shè)計(jì)提供參考。

1 FDS模型設(shè)計(jì)

1.1 綜合管廊模型搭建

本文以某綜合管廊高壓電力艙為研究對象建立1∶1的L型管廊數(shù)值模型進(jìn)行分析，模型空間體積內(nèi)部凈寬2.8 m，凈高3.2 m，管廊總長度為150 m。查詢相關(guān)資料可知電纜的熱釋放速率為265 kW/m2，本文假設(shè)電纜故障起火段為一固定火源?？紤]管廊內(nèi)由于不同位置的電纜故障引發(fā)的火災(zāi)，在不同位置設(shè)置固定功率的火源引燃電纜，并考慮管廊內(nèi)由于不同程度的電纜故障引發(fā)不同規(guī)模的火災(zāi)設(shè)置了3種不同大小的火源功率。本文研究綜合管廊內(nèi)最惡劣的起火場景，火源設(shè)置在單側(cè)最下層電纜位置[12]。

常見的綜合管廊電纜內(nèi)包覆的導(dǎo)體為三根銅芯，絕緣材質(zhì)為交聯(lián)聚乙烯(XLPE)，內(nèi)填充聚乙烯(PE)發(fā)泡，最外層為聚氯乙烯(PVC)護(hù)套[6]。為了簡化FDS計(jì)算，將電纜主要的可燃材料PVC作為電纜的簡化模型，設(shè)計(jì)左右兩側(cè)共7層電纜，如圖1。

圖1 綜合管廊電力艙電纜簡化與布置示意圖Fig. 1 Simplification and layout of cables in cable cabin of utility tunnel

為了便于下文討論不同火源位置對L型綜合管廊電纜艙火災(zāi)的影響，本文定義火源所在的一段管廊為主線，另一段為支線；定義L型管廊模型沿主線管廊的長度為X軸，沿寬度為Y軸，沿高度為Z軸。如圖2，L型綜合管廊模型中軸線豎直面上(Z=1.6 m和Z=3.2 m)間隔5 m布置熱電偶，間隔25 m布置煙氣濃度測點(diǎn)。設(shè)置了3種位置的切片，分別位于主線管廊模型的中軸線所在豎直面、支線管廊模型的中軸線所在豎直面以及管廊模型中軸線所在的水平面(取人眼平均高度Z=1.6 m)，這些切片包含溫度切片、CO濃度切片、CO2濃度切片。

1.2 網(wǎng)格設(shè)計(jì)

圖2 L型管廊模型測點(diǎn)與切片設(shè)置示意圖(俯視圖)Fig. 2 Measuring points and slice settings of L-shaped utility tunnel model (top view)

選取電纜穩(wěn)定燃燒后的階段，繪制了距離火源50 m處的平均豎向溫度分布曲線，如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著網(wǎng)格尺寸的變小，溫度分布的曲線趨于一致，網(wǎng)格尺寸小于0.20 m后溫度曲線具有較好的收斂性?？紤]到計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力，更小的網(wǎng)格不會(huì)顯著提升模擬的精度，并且會(huì)大大增加計(jì)算時(shí)間。因此本文選取綜合管廊模型的網(wǎng)格尺寸為0.20 m。

圖3 不同網(wǎng)格尺寸的豎向溫度分布Fig. 3 Vertical temperature distribution for different grid sizes

1.3 工況設(shè)計(jì)

考慮不同火源位置以及不同火源功率對L型綜合管廊電纜火災(zāi)規(guī)律的影響，設(shè)計(jì)不同火源位置工況如圖4和表1所示。

圖4 L型管廊模型火源位置示意圖(俯視圖)Fig. 4 The locations of the fire source in the L-shaped utility tunnel model (top view)

表1 綜合管廊電纜火災(zāi)數(shù)值模擬工況表

2 結(jié)果與討論

2.1 火源位置對溫度縱向衰減規(guī)律的影響

選取不同火源位置和不同火源功率的模擬工況下火源處最高溫度的時(shí)刻，結(jié)合溫度切片選取各測點(diǎn)位置處的豎向最大溫度繪制了最高溫度縱向衰減曲線，如圖5。在L型管廊中，火源功率的大小影響了火災(zāi)發(fā)生的快慢，而對于管廊最高溫度的縱向衰減規(guī)律影響較小。管廊內(nèi)外側(cè)的火源位置對于溫度衰減的影響較小，但當(dāng)火源位于5號(hào)、6號(hào)位置時(shí)，火源處的溫度受電纜布置的影響略有差異，管廊主線外側(cè)的電纜更容易被引燃，火災(zāi)蔓延的范圍相比于內(nèi)側(cè)更大，因此火源位于5號(hào)位置的溫度也更高。不同火源位置的最高溫度縱向分布隨著與火源的距離增大，呈現(xiàn)指數(shù)衰減的趨勢。

圖5 不同火源位置的L型管廊最高溫度的縱向衰減曲線Fig. 5 Longitudinal attenuation curve of the maximum temperature of L-shaped utility tunnel at different fire source locations

當(dāng)火源位于1號(hào)～4號(hào)位置時(shí)，最高溫度的縱向衰減在管廊拐彎節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)了明顯的斷層，經(jīng)過節(jié)點(diǎn)后的溫度突升，然后在管廊支線的溫度衰減相對更慢。這是由于L型管廊的特殊廊道構(gòu)型內(nèi)的“蓄煙效應(yīng)”，煙氣由火源處沿著頂棚向遠(yuǎn)處運(yùn)動(dòng)，到達(dá)L型管廊的節(jié)點(diǎn)位置后由于廊道構(gòu)型的影響，煙氣受到端墻與側(cè)壁兩個(gè)方向的反作用力從而改變原有的傳播方向。管廊節(jié)點(diǎn)處煙氣大量積聚后再向管廊支線繼續(xù)擴(kuò)散，節(jié)點(diǎn)處的溫度會(huì)出現(xiàn)明顯的升高，導(dǎo)致管廊主線和支線內(nèi)溫度縱向衰減不連續(xù)。為了獲得L型管廊主線與支線的最高溫度縱向衰減規(guī)律，我們選取火源功率為2 MW的六種不同火源位置的工況分兩種情況討論。葉開[6]引入了熱邊界層厚度δT(x)的計(jì)算公式用以分析全尺寸綜合管廊火災(zāi)的縱向溫度衰減規(guī)律：

(1)

其中，H是管廊模型高度為3.2 m，x為與火源的距離，φ與ε為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

綜合管廊電纜火災(zāi)為強(qiáng)羽流撞擊，高子鶴[15]的研究發(fā)現(xiàn)該場景下縱向溫升的變化關(guān)系分為撞擊區(qū)與衰減區(qū)，在撞擊區(qū)內(nèi)頂棚射流下方溫升基本保持不變。本文研究綜合管廊電纜火災(zāi)的溫度縱向衰減區(qū)域，Gao等[16]通過實(shí)驗(yàn)研究得出衰減區(qū)的起始位置是頂棚高度處羽流半徑的1.7倍。葉開[6]的研究發(fā)現(xiàn)以管廊模型的寬度2.8 m近似為頂棚高度處的羽流半徑，可以獲得相對保守的估計(jì)。本文選取x=5 m為L型管廊主線溫度縱向衰減的第一個(gè)測量位置，即下文的參考值坐標(biāo)xrv，將管廊主線與支線的參考坐標(biāo)處溫度設(shè)為ΔTmax,rv。如圖6(a)、圖6(b)，分別選取火源位于端墻位置時(shí)管廊主線火源右側(cè)5 m～50 m以及管廊支線10 m～80 m范圍內(nèi)的豎向溫度分布形態(tài)。溫度在豎向高度的分布呈現(xiàn)“帽型”，由管廊頂棚向下快速增大到最高溫度后逐漸下降。這一規(guī)律與Oka和Imazeki[17]與葉開等人的研究結(jié)論類似，因此本文同樣采用邊界層溫度均一假設(shè)，其頂棚射流豎向溫度分布示意如圖6(c)所示。

圖6 L型管廊不同位置處的豎向溫度分布Fig.6 Vertical temperature distribution at different positions of L-shaped utility tunnel

利用式(1)對管廊主線與支線的邊界層厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到了經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的擬合結(jié)果。

L型管廊主線的熱邊界層厚度沿縱向變化的擬合公式為：

(2)

L型管廊支線的熱邊界層厚度沿縱向變化的擬合公式為：

(3)

圖7給出了前人一字型管廊的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與本文數(shù)值模擬結(jié)果的對比?？梢园l(fā)現(xiàn)，L型管廊電纜火災(zāi)主線與支線的煙氣熱邊界層厚度變化呈現(xiàn)明顯的分段，均大于前人的池火實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果。受到L型結(jié)構(gòu)拐彎節(jié)點(diǎn)的影響，煙氣在節(jié)點(diǎn)處更易積聚，這種蓄煙效應(yīng)使得管廊主線的煙氣熱邊界層厚度更大，而支線的煙氣熱邊界層厚度整體較小。

圖7 熱邊界層厚度沿縱向的變化Fig.7 Variation of thermal boundary layer thickness along the longitudinal direction

基于前人的研究[6]，式(4)可以較好地描述綜合管廊火災(zāi)中最高溫度的縱向衰減規(guī)律，但是僅適用于常見的一字型綜合管廊：

(4)

其中，W為管廊模型寬度取2.8 m，St為斯坦頓數(shù)，由綜合管廊電纜火災(zāi)熱邊界層特性判斷公式中ε≠1。當(dāng)火源位于1號(hào)～4號(hào)位置時(shí)，火源位于管廊主線內(nèi)外側(cè)的溫度衰減具有一致性，因此對內(nèi)外側(cè)的溫度縱向衰減進(jìn)行統(tǒng)一量化分析。根據(jù)式(4)可以得出不同火源位置的L型管廊主線最高溫度縱向分布擬合結(jié)果。

對于火源位于1號(hào)、2號(hào)位置的管廊主線：

(5)

對于火源位于3號(hào)、4號(hào)位置的管廊主線：

(6)

為了描述L型管廊支線的溫度縱向衰減規(guī)律，引入支線管廊方向上坐標(biāo)Y，以實(shí)現(xiàn)對L型管廊在二維平面上的最高溫度縱向衰減擬合。選取y=5 m為L型管廊支線溫度縱向衰減的參考值坐標(biāo)yrv。本文中的L型管廊主線長度為50 m，即X坐標(biāo)的取值范圍為5 m～50 m，當(dāng)x>50時(shí)，Y坐標(biāo)的取值范圍為5 m～100 m。推廣到一般情況下的L型管廊支線溫度縱向衰減規(guī)律為：

(7)

結(jié)合L型管廊支線熱邊界層擬合結(jié)果，根據(jù)式(7)對不同火源位置的L型管廊支線最高溫度縱向衰減規(guī)律通過擬合，得到最終的結(jié)果如圖8所示。

對于火源位于1號(hào)、2號(hào)位置的管廊支線：

(8)

對于火源位于3號(hào)、4號(hào)位置的管廊支線：

(9)

不同火源位置工況得到的L型管廊最高溫度縱向衰減規(guī)律的參數(shù)如表2?？梢园l(fā)現(xiàn)擬合結(jié)果較好，說明計(jì)算后的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)適用于L型管廊電纜火災(zāi)溫度縱向衰減特性。結(jié)合式(4)和式(7)，本文提出了L型管廊最高溫度縱向衰減模型，該模型可以很好地描述L型綜合管廊主線與支線在二維平面上的溫度變化規(guī)律。

圖8 不同火源位置的最高溫度縱向衰減擬合結(jié)果Fig. 8 Longitudinal attenuation fitting of maximum temperature at different fire source locations

表2 L型管廊最高溫度縱向衰減擬合結(jié)果

2.2 火源位置對煙氣濃度分布規(guī)律的影響

CO氣體是火災(zāi)煙氣中最具決定性的危險(xiǎn)氣體。圖9為火源功率2 MW時(shí)不同火源位置的L型管廊電纜火災(zāi)位于人眼高度處(Z=1.6 m)的煙氣濃度分布，選取的時(shí)間均為每個(gè)工況火災(zāi)達(dá)到其熱釋放速率峰值的時(shí)刻。從圖9中可以看出，火源位置附近的小區(qū)域內(nèi)CO濃度較低。不同火源位置的電纜火災(zāi)煙氣濃度縱向分布均有一個(gè)相同規(guī)律，管廊主線內(nèi)的煙氣濃度隨著與火源距離越遠(yuǎn)而逐漸降低，管廊支線(非火災(zāi)區(qū)間)內(nèi)的煙氣濃度在距離管廊節(jié)點(diǎn)25 m附近的位置達(dá)到最低值，然后隨著與節(jié)點(diǎn)距離的增加煙氣濃度逐漸升高。這是由于煙氣沿著頂棚由火源位置向遠(yuǎn)處擴(kuò)散，經(jīng)過節(jié)點(diǎn)位置處受端墻與側(cè)壁的共同影響出現(xiàn)積聚并改變運(yùn)動(dòng)方向，繼續(xù)沿著管廊支線頂棚擴(kuò)散，到達(dá)支線端墻防火門處冷卻下沉，然后沿著底板反向填充。因此支線末端的端墻人眼高度處煙氣濃度較大，而靠近節(jié)點(diǎn)人眼高度處的煙氣濃度測點(diǎn)位置更晚被煙氣填充到，煙氣濃度相對較低。而當(dāng)火源位于5號(hào)、6號(hào)位置時(shí)，受電纜布置方式與氧氣卷吸效率的影響，管廊內(nèi)外側(cè)的火源造成了不同的結(jié)果。火源位于5號(hào)位置時(shí)，電纜燃燒不如火源位于6號(hào)位置時(shí)劇烈，該情況下的CO煙氣濃度更高，管廊支線內(nèi)煙氣擴(kuò)散的范圍也更大。

圖9 不同火源位置的L型管廊CO濃度分布(Z=1.6 m)Fig. 9 CO concentration distribution of L-shaped utility tunnel at different fire source locations (Z=1.6 m)

2.3 煙氣危害性參數(shù)分析

黃銳[18]提出了峰寬時(shí)間的概念，利用這個(gè)指標(biāo)能夠評估高濃度煙氣在實(shí)驗(yàn)中持續(xù)的時(shí)間，從而可以統(tǒng)一衡量煙氣的危害性。而綜合管廊電纜火災(zāi)與前人研究的建筑火災(zāi)煙氣擴(kuò)散規(guī)律不同，密閉條件下的煙氣濃度達(dá)到峰值后會(huì)維持在一個(gè)較高的濃度范圍。針對綜合管廊電纜火災(zāi)煙氣危害性，本文提出了適用于該場景下的煙氣濃度峰寬時(shí)間計(jì)算方法，如圖10所示。選取各密閉場景工況的火災(zāi)自熄時(shí)間為終止點(diǎn)，對火災(zāi)發(fā)生至終止點(diǎn)的煙氣濃度曲線進(jìn)行數(shù)值積分，圖10中水平線是曲線數(shù)值積分的積分中值，水平線左邊與實(shí)驗(yàn)曲線的交點(diǎn)就是峰寬時(shí)間的起始點(diǎn)，峰寬時(shí)間等于終止點(diǎn)時(shí)間減去起始時(shí)間。因此，基于時(shí)間與煙氣濃度整體作用的概念[19]，煙氣濃度總危害性參數(shù)可以評價(jià)建筑火災(zāi)不同位置的煙氣危險(xiǎn)性[20]，綜合管廊火災(zāi)的煙氣總危害性參數(shù)為氣體濃度積分中值與峰寬時(shí)間的乘積，計(jì)算公式為：

(10)

其中，tend為綜合管廊火災(zāi)自熄滅時(shí)間，tselect為處于CO濃度中值以上的時(shí)間。

圖10 綜合管廊電纜火災(zāi)煙氣峰寬時(shí)間計(jì)算方法Fig. 10 Calculation method for peak-width time of cable fire smoke concentration in utility tunnel

圖11 不同火源位置的L型管廊CO總危害性參數(shù)Fig. 11 CO toxic hazard parameters of L-shaped utility tunnel with different fire source locations

圖11為計(jì)算得出的不同工況下L型管廊電纜火災(zāi)CO總危害性參數(shù)?？梢园l(fā)現(xiàn)，管廊主線與支線的煙氣總危害性參數(shù)有明顯的分界，主線的煙氣危害性整體高于管廊支線。當(dāng)火源位于1號(hào)、2號(hào)位置時(shí)，火源位置與管廊節(jié)點(diǎn)位置的煙氣總危害性參數(shù)較大。當(dāng)火源位于3號(hào)、4號(hào)位置時(shí)，火源位置與管廊主線端墻防火門位置的煙氣總危害性參數(shù)較大。當(dāng)火源位于5號(hào)、6號(hào)位置時(shí)，管廊節(jié)點(diǎn)位置的煙氣總危害性參數(shù)最大，且火源位于5號(hào)位置的節(jié)點(diǎn)處煙氣危害性參數(shù)是所有工況下不同位置中的最大值。值得注意的是，距離火源位置最遠(yuǎn)的管廊支線端墻防火門位置的煙氣危險(xiǎn)性相對較高，不同火源位置工況下的電纜火災(zāi)煙氣總危害性參數(shù)最低值總是在L型管廊的非火災(zāi)區(qū)間(管廊支線)距離節(jié)點(diǎn)25 m(即坐標(biāo)X+Y=75 m)位置，這一結(jié)論可為L型綜合管廊消防安全設(shè)計(jì)提供參考。

3 結(jié)論

本文通過開展全尺寸L型綜合管廊電纜火災(zāi)數(shù)值模擬研究，對比不同火源位置的電纜火災(zāi)最高溫度縱向衰減規(guī)律、人眼高度處煙氣濃度分布以及煙氣危害性，得出以下結(jié)論：

(1)L型廊道構(gòu)型影響綜合管廊電纜火災(zāi)最高溫度縱向指數(shù)衰減規(guī)律的連續(xù)性，最高溫度的縱向衰減在節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)明顯突升。本文基于熱邊界層理論提出了L型綜合管廊二維平面上的最高溫度縱向衰減模型，擬合結(jié)果表明該模型能很好描述L型管廊不同火源位置的最高溫度縱向衰減規(guī)律。

(2)不同火源位置L型管廊人眼高度處的煙氣濃度在非火災(zāi)區(qū)間距離節(jié)點(diǎn)25 m附近的位置較低，然后隨著與節(jié)點(diǎn)距離的增加煙氣濃度逐漸升高?；鹪锤浇鼌^(qū)域與距離火源最遠(yuǎn)的管廊端墻防火門位置是煙氣濃度較高的區(qū)域，管廊中部的交叉節(jié)點(diǎn)附近煙氣濃度相對更低。

(3)本文基于峰寬時(shí)間的定義提出了適用于綜合管廊火災(zāi)的煙氣危害性參數(shù)計(jì)算方法。根據(jù)綜合管廊電纜火災(zāi)煙氣總危害性參數(shù)分析結(jié)果，不同火源位置的L型管廊火災(zāi)煙氣總危害性參數(shù)總在非火災(zāi)區(qū)間靠近管廊節(jié)點(diǎn)的25 m處位置最低，這一結(jié)論可為未來的綜合管廊消防安全設(shè)計(jì)提供參考。