付　強(qiáng)

(武漢市消防支隊(duì)，武漢，430000)

輻射熱流條件下多層電纜著火的數(shù)值模擬

付強(qiáng)*

(武漢市消防支隊(duì)，武漢，430000)

摘要：通過CFD計(jì)算軟件對(duì)錐形量熱燃燒實(shí)驗(yàn)條件下的多層電纜著火性能進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)比相應(yīng)CONE電纜燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其計(jì)算結(jié)果表明所建立的電纜模型所得計(jì)算結(jié)果能夠較好預(yù)測(cè)電纜著火時(shí)間。在此基礎(chǔ)上，對(duì)護(hù)套層、絕緣層厚度、線芯層直徑等參數(shù)對(duì)著火時(shí)間的影響進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)護(hù)套層厚度對(duì)著火時(shí)間影響最大，線芯層對(duì)著火時(shí)間影響較??；當(dāng)護(hù)套層及絕緣層厚度達(dá)到一定數(shù)值之后，電纜著火時(shí)間將不再發(fā)生變化。另外，因?yàn)殡娎|由多層熱特性各異的材料組成，不能簡(jiǎn)單的劃分為熱薄材料或者熱厚材料，但就所模擬電纜而言，其著火時(shí)間在不同的熱輻射強(qiáng)度下分別表現(xiàn)出與熱薄材料或者熱厚材料相似的變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：電纜；著火時(shí)間；數(shù)值模擬； CFD

0引言

近年來，電氣火災(zāi)發(fā)生起數(shù)逐年增加，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[1,2]。為了更好地保證建筑物火災(zāi)安全性，需要對(duì)其進(jìn)行火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估，電纜等材料的燃燒性能是其中一項(xiàng)重要的內(nèi)容，材料越容易被著火則其產(chǎn)生的火災(zāi)危險(xiǎn)性越大，造成的火災(zāi)損失也必然增加。在目前的可燃物著火性能研究中，著火時(shí)間是一個(gè)很重要的評(píng)估參數(shù)，材料的著火時(shí)間越長(zhǎng)，說明其在此條件下越不容易被著火，阻火性就越好。

錐形量熱燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠與大尺度的燃燒試驗(yàn)相吻合，因此被廣泛用于表征材料的燃燒行為[3,4]。電纜在單向熱源作用下的著火數(shù)值模型，前人已有所研究[5]，該類模型一般將電纜當(dāng)做平面來對(duì)待，整個(gè)傳熱過程變成一維。但由于電纜實(shí)際上為柱形結(jié)構(gòu)，將其平面化可能會(huì)使得計(jì)算當(dāng)中電纜所接收的輻射強(qiáng)度較實(shí)驗(yàn)當(dāng)中更大，從而使得計(jì)算結(jié)果偏小，所以將電纜當(dāng)做柱形考慮二維傳熱更為合適。本文擬通過CFD數(shù)值計(jì)算程序模擬電纜材料在錐形量熱儀實(shí)驗(yàn)條件下，即受單一方向熱源作用下的傳熱過程中溫度場(chǎng)的變化，探究使用數(shù)值模擬的方法分析電纜著火性能的可行性。

1數(shù)值模型

1.1 模型建立

圖1　電纜簡(jiǎn)化模型示意圖Fig.1　Simplified model of the cable

通常，工業(yè)中使用的電纜主要分為三個(gè)區(qū)域：護(hù)套層、絕緣層、線芯層。其中，不同型號(hào)的電纜其線芯層內(nèi)線芯數(shù)量有所區(qū)別，需要在模型當(dāng)中將其簡(jiǎn)化，保持電纜外徑不改變把線芯按總截面積等效為單線芯的情況。簡(jiǎn)化后的三層電纜模型如圖1所示：(1)護(hù)套層(R2

為了更好地對(duì)模型當(dāng)中的傳熱過程建立數(shù)學(xué)模型，該模型的成立還需服從以下假設(shè)：

(1)電纜內(nèi)部的傳熱為二維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)，即不考慮軸向熱傳導(dǎo)；

(2)傳熱過程中，材料不發(fā)生化學(xué)變化，其各項(xiàng)熱物理參數(shù)穩(wěn)定不變，當(dāng)電纜上表面溫度達(dá)到著火溫度時(shí)，即認(rèn)為電纜被著火；

(3)電纜僅上表面受外加輻射熱流作用，只考慮由于表面溫度升高而造成的對(duì)流熱損失和輻射熱損失；

(4)電纜各層之間的能量傳遞過程不存在熱損耗，且忽略電纜之間的熱反饋。

1.2數(shù)值方程

基于之前所建立的物理模型及假設(shè)，可建立傳熱過程中的控制方程組以及邊界層方程組，如下所示：

傳熱方程，公式(1)：

護(hù)套層：

絕緣層：

(1)

線芯層：

邊界條件，公式(2)：

(2)

初始條件，公式(3)：

(3)

2模型驗(yàn)證

基于上述條件可以通過CFD程序建立模型并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，但其結(jié)果仍需要加以驗(yàn)證以保證其準(zhǔn)確性，故選用文獻(xiàn)[6]中電纜耐火性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為參照。如圖2所示，所選取電纜型號(hào)為ZCNYJV 4×25+1×16，即銅芯、交聯(lián)聚乙烯絕緣、聚氯乙烯護(hù)套、四芯截面積為25 mm2、一芯截面積為16 mm2阻燃C類耐火電纜，其具體參數(shù)見表1。

表1　電纜錐形量熱計(jì)測(cè)試樣品的各項(xiàng)參數(shù)

圖2　試驗(yàn)樣品Fig.2　Test sample

實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過錐形量熱儀(Cone Calorimeter)對(duì)10 cm×10 cm電纜樣品作用單向輻射熱流，觀察樣品表面變化并結(jié)合HRR曲線，記錄其著火時(shí)受熱時(shí)間作為其著火時(shí)間；另外，將樣品置于微燃量熱儀(MCC)當(dāng)中，不斷升溫直至樣品燃燒，觀察并結(jié)合HRR曲線將其著火時(shí)的溫度作為其點(diǎn)燃溫度。根據(jù)文獻(xiàn)[6]中實(shí)驗(yàn)結(jié)果，樣品MCC實(shí)驗(yàn)所得著火溫度為305℃，所以在模擬計(jì)算時(shí)，當(dāng)模型表面溫度達(dá)到305℃即判定樣品被著火。而CONE實(shí)驗(yàn)中樣品電纜在不同輻射強(qiáng)度的著火時(shí)間與各自條件下模擬計(jì)算時(shí)間對(duì)比如表2所示，可以看到，數(shù)值模擬結(jié)果能夠較好吻合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最大相差不超過6%，說明上述模型能夠較好模擬輻射熱流條件下多層電纜的表面溫度。

表2　電纜著火時(shí)間對(duì)比

3計(jì)算與討論

由于之前所建立的數(shù)值模型能夠較好預(yù)測(cè)電纜在輻射熱流條件下的表面溫度，考慮通過控制單一變量的方法進(jìn)行一系列計(jì)算，探究護(hù)套層厚度、絕緣層厚度、熱輻射強(qiáng)度等因素對(duì)于電纜著火時(shí)間的影響。

3.1護(hù)套層厚度對(duì)電纜著火性能的影響

在35 kW/m2和50 kW/m2兩種熱輻射強(qiáng)度下對(duì)樣品電纜進(jìn)行數(shù)值模擬，僅改變護(hù)套層厚度(即圖1當(dāng)中R1與R2之差)，使其在0 mm～5 mm范圍內(nèi)依次增加，每次增加0.5 mm。而絕緣層和線芯層厚度及其他物性參數(shù)保持不變，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3　35 kW/m2和50 kW/m2下相應(yīng)著火時(shí)間模擬結(jié)果Fig.3　The simulated iginiton time under radiation heat fluxes of 35 kW/m2 and 50 kW/m2

從圖3中可以看到，隨著護(hù)套層厚度的增加兩個(gè)輻射強(qiáng)度下的著火時(shí)間均出現(xiàn)減小的趨勢(shì)，但當(dāng)電纜護(hù)套層大于一定厚度，著火時(shí)間保持為一個(gè)定值，即當(dāng)35 kW/m2的輻射熱流作用下，護(hù)套厚度大于3 mm時(shí)電纜著火時(shí)間為37 s，此后即使護(hù)套層厚度增加著火時(shí)間也不發(fā)生改變；當(dāng)輻射強(qiáng)度為50 kW/m2時(shí)，著火時(shí)間依然有相似變化規(guī)律，由于輻射強(qiáng)度更高，電纜上表面升溫更加迅速，著火時(shí)間到達(dá)固定值的護(hù)套厚度為1.5 mm，對(duì)應(yīng)著火時(shí)間為17 s。這是因?yàn)楫?dāng)護(hù)套層達(dá)到一定厚度時(shí)，熱量并未穿透護(hù)套層傳遞到絕緣層其表面溫度就達(dá)到了著火溫度，故而絕緣層與線芯層無明顯升溫，此時(shí)著火時(shí)間與絕緣層厚度及線芯層無關(guān)。

3.2絕緣層厚度對(duì)電纜著火性能的影響

通常，電纜的絕緣層與護(hù)套層材料有所區(qū)別，此例所用樣品電纜絕緣層材料跟護(hù)套層不同，為氯乙烯材料，因此有必要對(duì)其進(jìn)行著火性能影響分析，以得到絕緣層厚度對(duì)著火時(shí)間的影響。因此對(duì)樣品電纜傳熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬，熱輻射強(qiáng)度為35 kW/m2和50 kW/m2，模型在之前基礎(chǔ)上僅改變其絕緣層厚度(即圖1當(dāng)中R2與R3之差)，由0 mm增加至7 mm，每次增加尺度為0.5 mm；護(hù)套層和線芯層厚度保持不變，結(jié)果如圖4所示。

圖4　電纜絕緣層對(duì)著火時(shí)間的影響Fig.4　The influence of insulation layer thickness on igniton time

從圖4中著火時(shí)間和絕緣層厚度的模擬曲線中可以看出，當(dāng)絕緣層厚度較小時(shí)，熱量能夠穿透絕緣層傳遞到線芯層，線芯層為金屬具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，使得表面溫度的增加減緩，延長(zhǎng)了電纜著火的時(shí)間。在35 kW/m2和50 kW/m2兩種熱輻射強(qiáng)度下，電纜絕緣層的厚度超過1 mm后，電纜表面達(dá)到著火溫度的時(shí)間基本保持不變，也就是說當(dāng)絕緣層超過1 mm，熱輻射穿透厚度小于護(hù)套層和絕緣層的厚度之和，熱量還未傳遞到線芯層電纜表面即達(dá)到著火溫度被認(rèn)為著火，此時(shí)，電纜的著火時(shí)間不再隨絕緣層厚度增加而改變。

3.3線芯層厚度對(duì)電纜著火性能的影響

跟護(hù)套、絕緣材料不同，線芯層的金屬具有很好的熱性能，若熱量傳遞到線芯層，傳熱過程將會(huì)有很大的不同，則有必要對(duì)線芯層厚度進(jìn)行討論。與上述實(shí)驗(yàn)相同，基于樣品電纜，僅改變線芯層金屬材料的半徑，使其從0 mm增加到5 mm，變化尺度仍為0.5 mm，其余物性參數(shù)保持不變。圖5為電纜著火時(shí)間隨線芯直徑變化的計(jì)算結(jié)果。

圖5　電纜線芯層對(duì)著火時(shí)間的影響Fig.5　The influence of conductor thickness on ignition time

從上述對(duì)護(hù)套層厚度和絕緣層厚度的分析已經(jīng)得出，在電纜整個(gè)保護(hù)層厚度超過3 mm時(shí)，電纜的著火時(shí)間并不會(huì)隨厚度的增加而變化，即可推斷出，熱輻射的穿透厚度小于3 mm。而在保持原電纜護(hù)套層和絕緣層厚度不變的情況，其整體保護(hù)層厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于3 mm，因此，由圖5中即可看出，電纜著火時(shí)間并沒有隨電纜線芯層直徑增大而發(fā)生變化，其值基本保持不變。因此，對(duì)于本文涉及的電纜，其線芯層對(duì)著火溫度的影響很小。

對(duì)比以上分別對(duì)電纜護(hù)套層、絕緣層和線芯層厚度影響的分析，可以看到，在35 kW/m2和50 kW/m2兩種輻射強(qiáng)度下，護(hù)套層厚度對(duì)電纜表面達(dá)到著火溫度時(shí)間的影響最大，而絕緣層只在護(hù)套層較薄的情況下產(chǎn)生影響，當(dāng)整體保護(hù)層達(dá)到3 mm時(shí)，絕緣層厚度對(duì)電纜著火時(shí)間不產(chǎn)生影響；而由于本實(shí)驗(yàn)所采用的電纜保護(hù)層較厚，因此，線芯層的影響最小。

3.4熱輻射強(qiáng)度對(duì)電纜性能的影響

圖6　輻射熱流對(duì)著火時(shí)間的影響Fig.6　The ignition time under different radiation heat fluxes

4結(jié)論

本文建立柱形電纜二維傳熱模型并利用FLUENT軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果跟電纜在錐形量熱儀實(shí)驗(yàn)條件下的著火時(shí)間能夠較好吻合，說明該方法可以用來分析電纜著火特性研究。

基于建立的模型，對(duì)電纜護(hù)套層厚度、絕緣層厚度和線芯層直徑等控制單因子變量的模擬，發(fā)現(xiàn)：

(1)不管在高熱輻射值情況下(50 kW/m2)還是低熱輻射值情況下(35 kW/m2)，電纜表面達(dá)到著火溫度時(shí)間受護(hù)套層厚度的影響最大，當(dāng)護(hù)套層厚度超過一定數(shù)值(臨界熱穿透厚度)之后，著火時(shí)間不再變化；

(2)而絕緣層厚度對(duì)著火時(shí)間的影響較為有限，其影響程度依賴于護(hù)套層厚度，僅當(dāng)護(hù)套厚度小于臨界熱穿透厚度時(shí)，絕緣層厚度增加會(huì)使著火時(shí)間減少并穩(wěn)定到某一數(shù)值；

(3)當(dāng)護(hù)套層大于3 mm或護(hù)套層和絕緣層總厚度超過5 mm時(shí)，線芯層對(duì)著火時(shí)間無影響；

另外，由于電纜由多層熱特性各異的材料組成，不能將其簡(jiǎn)單的劃分為熱薄或者熱厚材料，但通過對(duì)電纜在不同輻射強(qiáng)度作用下傳熱進(jìn)行模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)其在較低輻射強(qiáng)度(小于20 kW/m2)時(shí)著火時(shí)間隨輻射強(qiáng)度變化表現(xiàn)出與熱薄材料相似的變化規(guī)律，而在較高輻射強(qiáng)度(大于20 kW/m2)下則與熱厚材料相似的變化規(guī)律。

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Numerical simulation of multilayer cable ignition under radiant heat flux

FU Qiang

(Wuhan fire fighting division, Wuhan 430000, China)

Abstract:The surface temperature of cable under the cone calorimeter test has been simulated with CFD package. The predicted ignition time is acceptable comparing to the results of cone calorimeter experiments of the same cable. The influence of the thickness of coating layer, insulation layer and the diameter of conductor have been studied based the CFD model. The results indicate that the coating layer is the major influence factor while the diameter of conductor has minor effect. It is found that once the aggregate thickness of the coating layer and insulation layer is beyond certain values, the ignition time of the cable remains unchanged. In addition, since cable is made of several materials with different thermal properties, it cannot be simply classified as thermally-thick or thermally-thin material. However, the cables examined in this paper show similar the ignition times with thermally-thick materials or thermally-thin materials respectively under different radiant heat fluxes.

Keywords:Cable; Ignition time; Numerical simulation; CFD

收稿日期：2015-09-24；修改日期：2015-11-06

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51176179和51036007)資助。

作者簡(jiǎn)介：付強(qiáng)(1982-)，男，湖北武漢人，博士，畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程系。武漢市消防支隊(duì)技術(shù)科科長(zhǎng)，高級(jí)工程師。主要從事電纜燃燒性能研究，以及消防產(chǎn)品監(jiān)督檢查工作。 通訊作者：付強(qiáng)，E-mail:175463270@qq.com

文章編號(hào)：1004-5309(2016)-0014-06

DOI:10.3969/j.issn.1004-5309.2016.01.02

中圖分類號(hào)：X915.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A