L型管廊電纜艙火災(zāi)模擬分析

肖峻峰，莊裕林，鄭飛虎，胡 楠

安徽建筑大學(xué) 建筑健康監(jiān)測(cè)及災(zāi)害預(yù)防技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，城市地下綜合管廊建設(shè)不斷推進(jìn)，為適應(yīng)地形及管廊自身結(jié)構(gòu)形式的需要，出現(xiàn)了十字型、U型、L型等管廊。L型管廊因其拐點(diǎn)結(jié)構(gòu)的特殊性，一旦發(fā)生火災(zāi)，煙氣容易在拐點(diǎn)處聚集，給管廊本身造成巨大破壞的同時(shí)，還會(huì)給人員逃生以及救援帶來(lái)很大困難[1-3]。因此，對(duì)L型管廊火災(zāi)發(fā)展規(guī)律進(jìn)行研究具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)管廊火災(zāi)的研究主要為狹長(zhǎng)受限管廊。王璞潘等[4]通過(guò)試驗(yàn)，楊永斌[5]、楊豐西[6]、翟越等[7]通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)地下綜合管廊火災(zāi)進(jìn)行研究，得出不同火源位置影響因素下管廊溫度場(chǎng)變化規(guī)律。雷蕾[8]通過(guò)數(shù)值模擬，劉海靜等[9]、張晉等[10]通過(guò)試驗(yàn)方法，得出狹長(zhǎng)受限空間管廊在通風(fēng)因素影響下，溫度場(chǎng)變化規(guī)律。趙永昌等[11]通過(guò)建立小尺寸綜合管廊模型，用模擬方法得出不同火災(zāi)功率下管廊中煙氣及溫度的變化規(guī)律。但是，針對(duì)L型綜合管廊各因素下火災(zāi)煙氣變化規(guī)律的研究較少。本文利用PyroSim軟件建立L型管廊電纜艙模型，探究火源位置、火源功率、出口風(fēng)速對(duì)管廊火災(zāi)的能見(jiàn)度、溫度、CO濃度的影響，為地下綜合管廊消防設(shè)計(jì)與防滅火技術(shù)實(shí)施提供參考。

1 模型建立

1.1 幾何模型

以某地下L型管廊電纜艙為例，利用PyroSim建立全尺寸模型。該模型長(zhǎng)為200 m，分為2段，每段長(zhǎng)為100 m，連接部位為90°，截面尺寸為2.6 m×3.0 m(寬×高)，管廊電纜艙室左右兩側(cè)各為6層10 kV電纜，上下層電纜的間距為0.3 m，最底層電纜距底部的凈距為0.28 m。電纜艙模型如圖1所示。

圖1 電纜艙模型示意圖

1.2 網(wǎng)格設(shè)置

網(wǎng)格大小取火源特征直徑的0.1～0.25倍較為合適，火源特征直徑由式(1)計(jì)算[12]。

(1)

式中，D*為火源特征直徑，m；Q為火災(zāi)燃燒熱釋放速率，kW；ρ∞為環(huán)境空氣密度，kg·m-3；Cp為空氣比熱容，J·kg-1·K-1；T∞為環(huán)境溫度，K；g為重力加速度，m·s-2。

模型中設(shè)置火源熱釋放速率為1.5,3,4.5 MW，空氣密度為1.29 kg·m-3，環(huán)境溫度為293 K，空氣比熱容為1 005 J·kg-1·K-1，重力加速度為9.81 m·s-2，環(huán)境壓力為1 001.3 kPa，相對(duì)濕度為40%，邊界條件為混凝土。經(jīng)計(jì)算得出網(wǎng)格尺寸為0.2 m×0.2 m×0.2 m，網(wǎng)格總數(shù)為192 465。

1.3 火源設(shè)置

電纜艙主要燃燒物為電纜，且空間較為狹窄，一般為小型火，所以將火源功率分別設(shè)置為1.5,3,4.5 MW?；鹪次恢镁O(shè)置在最底層電纜下方，但所處縱向位置不同，位置1在L型管廊一側(cè)端部靠近進(jìn)風(fēng)口一側(cè)，距坐標(biāo)原點(diǎn)的距離為1 m，位置2在L型管廊一側(cè)中部，距坐標(biāo)原點(diǎn)的距離為50 m，位置3在管廊拐點(diǎn)處，距坐標(biāo)原點(diǎn)的距離為99 m，如圖1所示。模擬時(shí)間為360 s。

1.4 電纜設(shè)置

電力電纜可燃燒部分通常是由PVC和PE材料組成的結(jié)構(gòu)層，模型中電纜由PVC和PE材料按照6︰4比例混合，采用單層鋪設(shè)，其厚度為0.08 m，電纜在溫度達(dá)到250 ℃時(shí)被點(diǎn)燃，燃燒滿足非穩(wěn)態(tài)模型，按t2快速增長(zhǎng)，材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

1.5 風(fēng)口設(shè)置

《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50838—2015)規(guī)定，綜合管廊電纜艙室的通風(fēng)方式應(yīng)采用自然進(jìn)風(fēng)和機(jī)械排風(fēng)相結(jié)合的方式[13]。在L型管廊兩端頂部各設(shè)置1個(gè)面積為1 m2的自然進(jìn)風(fēng)口和機(jī)械出風(fēng)口，出風(fēng)口風(fēng)速分別設(shè)置為2,3,5 m·s-1。

2 模擬工況設(shè)置

2.1 工況設(shè)計(jì)

為研究火源位置、火源功率、出口風(fēng)速對(duì)L型管廊電纜艙火災(zāi)的影響，共設(shè)置7個(gè)工況，見(jiàn)表2。

表2 模擬工況

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

在管廊中部1.8 m高度處沿管廊縱向每隔10 m分別設(shè)置CO濃度、溫度、能見(jiàn)度測(cè)點(diǎn)，在測(cè)點(diǎn)沿高度方向每隔0.6 m分別設(shè)置CO濃度、溫度、能見(jiàn)度3種參數(shù)電偶。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 不同火源位置的影響分析

圖2為火源功率3 MW，出口風(fēng)速2 m·s-1，不同火源位置下沿管廊縱向T=180 s時(shí)能見(jiàn)度切片。從圖中可以看出，不同火源位置下能見(jiàn)度都出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象，距離火源較近的區(qū)域上層能見(jiàn)度首先降至幾乎為零，隨后距離火源較遠(yuǎn)處的上層能見(jiàn)度開(kāi)始下降，中層能見(jiàn)度雖有所下降，但仍在10 m以上，下層能見(jiàn)度保持在30 m范圍。但當(dāng)煙氣蔓延至拐點(diǎn)處時(shí)，能見(jiàn)度低于10 m的區(qū)域變大，說(shuō)明在此處出現(xiàn)煙氣下沉聚集現(xiàn)象。對(duì)比圖2(a)與(b)還可以看出，火源離拐點(diǎn)越遠(yuǎn)，煙氣到達(dá)拐點(diǎn)時(shí)造成能見(jiàn)度下降越明顯，能見(jiàn)度低于10 m的區(qū)域也越大。

圖2 不同火源位置下管廊能見(jiàn)度切片

圖3為火源功率3 MW，出口風(fēng)速2 m·s-1，不同火源位置T=300 s時(shí)沿管廊縱向1.8 m高度處溫度變化情況。從圖中可以看出，沿管廊縱向距離火源位置越遠(yuǎn)，相對(duì)溫度越低。火源位于端部和中部時(shí)，拐點(diǎn)處溫度變化出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，此時(shí)火源位置距離拐點(diǎn)較遠(yuǎn)，火源熱輻射對(duì)此處的影響為非主導(dǎo)作用，說(shuō)明受到了煙氣對(duì)流傳熱的影響，煙氣在拐點(diǎn)處出現(xiàn)了聚集，導(dǎo)致局部溫度升高。從圖中還可知，火源位于位置2時(shí)，管廊中溫度高于60 ℃的區(qū)域范圍更廣，說(shuō)明此位置發(fā)生火災(zāi)危險(xiǎn)性更大。

圖3 不同火源位置下管廊溫度變化曲線

圖4為火源功率3 MW，出口風(fēng)速2 m·s-1，不同火源位置T=300 s時(shí)沿管廊縱向1.8 m高度處CO濃度變化情況。從圖中可以看出，火源處CO濃度相對(duì)較高，沿管廊縱向，距離火源較遠(yuǎn)處的CO濃度較低，但曲線在拐點(diǎn)處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，說(shuō)明CO在拐點(diǎn)處也出現(xiàn)了聚集現(xiàn)象。從圖中還可知，火源位于位置2時(shí)，CO濃度超過(guò)250 ppm的測(cè)點(diǎn)數(shù)量更多，進(jìn)一步說(shuō)明此位置發(fā)生火災(zāi)時(shí)危險(xiǎn)性更大。

圖4 不同火源位置下管廊CO濃度變化曲線

3.2 不同火源功率的影響分析

圖5為火源位于管廊中部，出口風(fēng)速2 m·s-1，火源功率分別為1.5 MW、4.5 MW，在T=180 s時(shí)Y=1.4 m和X=98.8 m處能見(jiàn)度切片。從圖中可知，能見(jiàn)度同樣出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，上層能見(jiàn)度最先出現(xiàn)低于10 m的情況，下層及距離火源較遠(yuǎn)處能見(jiàn)度處于安全標(biāo)準(zhǔn)以上，在拐點(diǎn)處出現(xiàn)了能見(jiàn)度低于其周圍的情況，說(shuō)明煙氣在拐點(diǎn)有聚集現(xiàn)象。與圖2(b)對(duì)比還可以發(fā)現(xiàn)，火源功率由1.5 MW增至4.5 MW時(shí)，能見(jiàn)度大于10 m的范圍有所減少。且隨著火源功率的增加，拐點(diǎn)能見(jiàn)度明顯下降，說(shuō)明火源功率越大，對(duì)管廊能見(jiàn)度影響也越大，尤其對(duì)拐點(diǎn)處能見(jiàn)度的影響更加明顯。

圖5 不同火源功率下管廊能見(jiàn)度切片

圖6為火源位于管廊中部，出口風(fēng)速2 m·s-1，不同火源功率在T=300 s時(shí)沿管廊縱向高度1.8 m處溫度變化情況。從圖中可以看出，三種工況下，沿管廊縱向距離火源位置越遠(yuǎn)，溫度越低，但火源功率由1.5 MW增至4.5 MW的過(guò)程中，拐點(diǎn)處溫度由60 ℃升高至132 ℃，說(shuō)明隨著火源功率的增大，煙氣在拐點(diǎn)處的聚集現(xiàn)象越明顯，溫度上升更高。從圖中還可知，沿管廊縱向各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度隨著火源功率的增大都有所增大，說(shuō)明隨著火源功率的增大，在相同時(shí)間內(nèi)有更多的電纜被點(diǎn)燃，進(jìn)而造成管廊溫度增高。

圖6 不同火源功率下管廊溫度變化曲線

圖7為火源位于管廊中部，出口風(fēng)速2 m·s-1，不同火源功率下拐點(diǎn)高度為1.8 m處CO濃度變化曲線。從圖中可以看出，火源功率為1.5 MW時(shí)，拐點(diǎn)處CO濃度在100 s時(shí)開(kāi)始增大，但增長(zhǎng)較為緩慢，在360 s時(shí)，拐點(diǎn)處CO濃度為145 ppm；火源功率為3 MW時(shí)，拐點(diǎn)處CO濃度在90 s時(shí)開(kāi)始增大，相較于火源功率為1.5 MW時(shí)，CO濃度增長(zhǎng)速度有所增加；火源功率為4.5 MW時(shí)，拐點(diǎn)處CO濃度在80 s時(shí)開(kāi)始增大，且相比于其他兩種火源功率，CO濃度增長(zhǎng)速度更快，在360 s時(shí)，濃度達(dá)到了530 ppm。結(jié)果表明，隨著火源功率增大，管廊中煙氣生成速率及蔓延速度增大，對(duì)管廊的影響也增大。

圖7 不同火源功率下拐點(diǎn)處CO濃度變化曲線

3.3 不同出口風(fēng)速的影響分析

圖8為火源位于管廊中部，火源功率3 MW，不同出口風(fēng)速在T=180 s時(shí)Y=1.4 m和X=98.8 m處能見(jiàn)度切片。與圖2(b)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速由2 m·s-1增至5 m·s-1時(shí)，能見(jiàn)度大于10 m的區(qū)域在火源上游呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，但在火源下游卻呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。這是由于向上游蔓延的煙氣受到火風(fēng)壓和通風(fēng)的作用力是相反的，風(fēng)速越大，受到阻礙作用越大，煙氣向上游蔓延越困難，從而上游能見(jiàn)度越好；向下游蔓延的煙氣受到火風(fēng)壓和通風(fēng)作用力的相互促進(jìn)，蔓延速度更快，從而下游能見(jiàn)度較差。

圖8 不同出口風(fēng)速下管廊能見(jiàn)度切片

圖9為火源位于管廊中部，火源功率3 MW，不同出口風(fēng)速下沿管廊縱向1.8 m高度處溫度變化曲線。從圖中可以看出，三種工況下，距離火源位置越遠(yuǎn)，溫度越低，但在拐點(diǎn)處都出現(xiàn)了溫度升高現(xiàn)象。風(fēng)速由2 m·s-1增至3 m·s-1時(shí)，除火源附近外，其他各測(cè)點(diǎn)溫度均有所增加，這是由于新風(fēng)的注入，增加了管廊的含氧量，促進(jìn)了電纜燃燒，進(jìn)而導(dǎo)致溫度升高，說(shuō)明風(fēng)速由2 m·s-1增至3 m·s-1時(shí)對(duì)管廊的影響較為不利。而當(dāng)風(fēng)速增至5 m·s-1時(shí)，管廊中各測(cè)點(diǎn)溫度較其他兩種風(fēng)速下都有所下降，這是由于風(fēng)速的進(jìn)一步增大，使得溫度較低的更多空氣進(jìn)入管廊，對(duì)管廊溫度的影響較為有利。結(jié)果表明，風(fēng)速對(duì)管廊溫度的影響主要有兩種：一是新風(fēng)注入增加了管廊的氧氣含量，促進(jìn)了火災(zāi)發(fā)展；二是溫度較低的新風(fēng)補(bǔ)入，會(huì)降低火場(chǎng)溫度。

圖9 不同出口風(fēng)速下管廊溫度變化曲線

圖10為火源位于管廊中部，火源功率3 MW，不同出口風(fēng)速下拐點(diǎn)1.8 m高度處CO濃度變化曲線。從圖中可知，風(fēng)速為5 m·s-1時(shí)，拐點(diǎn)出現(xiàn)CO濃度上升的時(shí)間最早，為75 s，說(shuō)明隨著風(fēng)速增大，煙氣向火源下游蔓延的速度有所加快。三種出口風(fēng)速下，拐點(diǎn)處CO濃度最高值分別為348,342,247 ppm，隨著出口風(fēng)速的增大，拐點(diǎn)處最高CO濃度隨之減小。說(shuō)明風(fēng)速的增加，一方面使更多空氣進(jìn)入管廊中，從而對(duì)CO進(jìn)行稀釋，使得濃度有所降低，另一方面出口風(fēng)速的增加，CO排出量也會(huì)有所增加，對(duì)管廊CO濃度的控制較為有利。

4 結(jié)論

4.1 在火源功率和出口風(fēng)速相同條件下，不同火源位置對(duì)L型管廊煙氣蔓延的影響有所不同。沿管廊縱向距離火源越遠(yuǎn)，能見(jiàn)度越高、溫度和CO濃度越低，而在拐點(diǎn)處出現(xiàn)能見(jiàn)度降低、溫度和CO濃度升高的現(xiàn)象，煙氣在拐點(diǎn)處出現(xiàn)聚集，且火源位于管廊一側(cè)中部時(shí)對(duì)管廊的影響較其他兩個(gè)位置大。

4.2 在火源位置和出口風(fēng)速相同時(shí)，火源功率的增大，加速了電纜燃燒，功率越大，整個(gè)管廊中能見(jiàn)度下降越快，溫度和CO濃度升高越快，火災(zāi)危險(xiǎn)性也越大，尤其對(duì)拐點(diǎn)的影響更加嚴(yán)重。

圖10 不同出口風(fēng)速下拐點(diǎn)處CO濃度變化曲線

4.3 在火源位置和功率相同時(shí)，出口風(fēng)速的增大，對(duì)L型管廊上游能見(jiàn)度的影響較為有利，風(fēng)速越大，煙氣向上游蔓延的速度就會(huì)越小，能見(jiàn)度越高，但對(duì)火源下游的能見(jiàn)度較為不利；風(fēng)速由2 m·s-1增至3 m·s-1時(shí)，管廊溫度升高，火災(zāi)危險(xiǎn)性增大；風(fēng)速為5 m·s-1時(shí)，管廊溫度、CO濃度比小風(fēng)速下有所降低，對(duì)管廊火災(zāi)煙氣控制較為有利。