南瑋 吳愛軍 褚福延

(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院 四川綿陽 621010)

0 引言

城市地下綜合管廊是將城市建構(gòu)筑物的電力、通信、市政等工程管線集中敷設(shè)于地下空間。在綜合管廊的眾多艙室中，具有較大火災(zāi)危險性的是纜線艙，若纜線艙發(fā)生火災(zāi)事故，將對人們的生活和企業(yè)的生產(chǎn)造成重大影響。

陳武生[1]從結(jié)構(gòu)抗火角度對地下綜合管廊的結(jié)構(gòu)設(shè)計性能進(jìn)行了研究，提出了綜合管廊防火的相關(guān)措施；丁宏軍[2]通過實驗對電纜隧道不同火災(zāi)場景中火災(zāi)探測器的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了研究；陽東[3]研究了狹長受限空間火災(zāi)煙氣分層與卷吸特性；杜長寶[4]對地下綜合管廊電纜火災(zāi)溫度場分布及煙氣流動特性進(jìn)行了研究；郝冠宇[5]對綜合管廊中纜線艙內(nèi)火災(zāi)煙氣進(jìn)行了模擬研究；孫瑞雪[6]對城市地下綜合管廊的滅火系統(tǒng)進(jìn)行了試驗與數(shù)值模擬研究；李欣玉[7]對綜合管廊纜線艙火災(zāi)后的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計。

本文結(jié)合西安市某綜合管廊的具體尺寸，選取Pyrosim建模，對綜合管廊纜線艙內(nèi)電纜火災(zāi)情況及煙氣蔓延情況進(jìn)行模擬研究，以期掌握煙氣擴(kuò)散運動規(guī)律，為火災(zāi)救援工作提供理論參考。

1 數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)

1.1 連續(xù)性方程

火災(zāi)發(fā)生后，煙氣很快擴(kuò)散至整個纜線艙室，當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)啟動后，煙氣沿著艙室流動，所以滿足流體力學(xué)中的連續(xù)性方程：

(1)

式中，ρ為流體密度， kg/m3；ux、uy、uz分別為x、y、z方向的速度分量， m/s；t為時間，s。

若流體在流動過程中的密度變化可忽略，即為不可壓縮流體，此時連續(xù)性方程變?yōu)?/p>

(2)

1.2 煙氣擴(kuò)散方程

火災(zāi)產(chǎn)生的煙密度變化劇烈，同時受到空氣的浮力和空氣流動產(chǎn)生的剪切力，使其在空氣中快速擴(kuò)散，滿足擴(kuò)散方程，具體微分形式為

(3)

式中，p為煙密度，g/m3；α為擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。

2 模型建立

2.1 物理模型

地下綜合管廊是將若干管線集中敷設(shè)于地下空間，其斷面如圖1所示。本文以西安市某地下綜合管廊中的纜線艙為研究對象，按防火分區(qū)200 m進(jìn)行模擬研究。本文根據(jù)200 m防火分區(qū)以及纜線艙實際尺寸即寬2.2 m、高2.85 m進(jìn)行建模。

(a)剖面

2.2 火源設(shè)置

在Pyrosim軟件中，火災(zāi)的規(guī)模用單位面積熱釋放速率(HRR)表示。本文模擬纜線艙發(fā)生火災(zāi)后的煙氣蔓延情況，選用平方增長模型[8]，即在火災(zāi)初期，熱釋放速率增長較緩慢，當(dāng)火災(zāi)發(fā)展到一定程度后，熱釋放速率的增長與t2成正比，其關(guān)系式為

Q=at2

(4)

式中，Q為火源熱釋放速率，kW；a為火災(zāi)增長系數(shù)，kW/s2；t為火災(zāi)發(fā)展時間，s。

在纜線艙中導(dǎo)致火災(zāi)事故發(fā)生的最大可能因素是電纜自身的因素，因此本文設(shè)置火災(zāi)的起因為電纜自身發(fā)生故障，火源功率為4 000 kW。火源位置中心坐標(biāo)設(shè)置為X=50 m、Y=1.0 m、Z=0.3 m，火源面積設(shè)置為0.75 m2。由于需要考慮火災(zāi)的蔓延情況，因此火源選用非穩(wěn)定火源，即平方增長模型。火災(zāi)增長系數(shù)a按快速增長取為0.046 98[9]，由式(4)計算得火災(zāi)發(fā)展時間為291 s。

2.3 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)置的通風(fēng)方式為自然進(jìn)風(fēng)和機(jī)械排風(fēng)，如圖2所示。由于機(jī)械排風(fēng)口風(fēng)速不得大于5 m/s[10]，因此選取對通風(fēng)效果更有利的風(fēng)口風(fēng)速為5 m/s。

圖2 纜線艙通風(fēng)示意

3 模型運行結(jié)果及分析

本文對艙室發(fā)生火災(zāi)并且關(guān)閉通風(fēng)系統(tǒng)后，從火源熱釋放速率、煙氣擴(kuò)散和能見度變化以及空氣中煙密度變化等3個方面分析闡述纜線艙火災(zāi)的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律。

3.1 熱釋放速率變化

火源熱釋放速率(HRR)的變化如圖3所示。可以看出，整個火源熱釋放過程大致可分為3個階段：緩升段、快升段、下降或波動段，對應(yīng)的時間坐標(biāo)大致可分為0～100 s、100～300 s、300 s以后。剛開始，火源的熱釋放速率緩慢增加；在約291 s時，熱釋放速率到達(dá)峰值4 000 kW；在300 s時，探測器檢測到火災(zāi)發(fā)生，啟動自動滅火系統(tǒng)，之后熱釋放速率呈階梯狀下降；在約680 s時，熱釋放速率變?yōu)?，火源從初期到熄滅共持續(xù)了約11 min。

圖3 熱釋放速率變化曲線

3.2 煙氣擴(kuò)散分析

煙氣擴(kuò)散示意如圖4所示。從圖4(a)可以看出，在45 s 時，電纜由于自身故障受熱發(fā)生自燃，生成少量煙氣，此時火源處的能見度保持在30 m，并未減小。從圖4(b)可以看出，在95 s時，煙氣受到火源熱羽流及艙室頂部受限空間的共同作用，形成頂棚射流，隨即向艙室兩側(cè)擴(kuò)散。由于艙室底部暫無煙氣，導(dǎo)致煙氣在豎向空間出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，并且煙氣向兩側(cè)擴(kuò)散的速度基本一致。從圖4(c)可以看出，在353 s時，整個艙室已經(jīng)被煙氣充滿，此時能見度已不足2 m。綜合圖4可得出，在火災(zāi)初期，煙氣在火源位置X=50 m處生成，由于溫差的存在，煙氣開始縱向擴(kuò)散，到達(dá)艙室頂部后，由于頂部受限，煙氣開始向兩側(cè)運動，在縱向出現(xiàn)煙氣分層現(xiàn)象。當(dāng)煙氣到達(dá)兩端后，隨著煙氣的回流，縱向分層現(xiàn)象逐漸消失，最終煙氣充滿整個艙室。

(a)t=45 s

為了清晰地反映火災(zāi)初期煙氣的運動情況，本文采用能見度變化曲線，如圖5所示?？梢钥闯?，在不同位置處的能見度開始下降的時間相對于火源位置X=50 m處有一定的延遲。分別位于火源左側(cè)的X=15 m處和右側(cè)的X=80 m處，其能見度開始下降的時間延遲約25 s；在X=120 m處，其能見度開始下降的時間延遲約125 s；在300 s時，即滅火系統(tǒng)(噴淋系統(tǒng))啟動后，管廊各處的能見度已下降到不足3 m，煙氣擴(kuò)散較為迅速。而各處的煙氣能見度降低到3 m(即300 s時)的情況存在較大差異，X=120 m處的能見度下降到3 m用時約100 s，而X=15 m處和X=80 m處的用時約200 s。主要原因是煙氣一邊隨著流動的空氣運動，一邊在其中擴(kuò)散，到X=120 m處時，擴(kuò)散進(jìn)程已經(jīng)進(jìn)行了約100 s。

圖5 能見度變化曲線

X=15、50、80、120 m等4處的能見度開始降低的時間分別為120、100、110、200 s，之后能見度隨時間的推移呈負(fù)指數(shù)降低，降低至2 m的時間分別為193、276、277、337 s，如圖6所示。在約353 s時，煙氣已經(jīng)充滿整個艙室，能見度降低至2 m以下。

圖6 不同位置處的能見度低于2 m的時間

3.3 空氣中煙密度的變化

為了分析煙氣的運動變化，本文選取了不同距離處的空氣中煙密度進(jìn)行對比分析，距離地面2.4 m處艙室的煙密度變化如圖7所示?？梢钥吹?，煙密度變化與火源熱釋放速率變化呈對應(yīng)關(guān)系，也可分為3個階段：發(fā)煙段、快升段、緩升或波動段，大致對應(yīng)的時間為0～100 s、100～300 s、300 s以后。

圖7 煙密度變化曲線

(1)火源位置X=50 m處的煙密度隨熱釋放速率呈非線性波動上升，相較于圖3的熱釋放速率有一定時間的延后。如在300 s時，熱釋放速率達(dá)到最高峰值，此時的煙密度約0.25 g/m3；之后，煙密度增長速率降低，空氣中煙密度最高可達(dá)0.3 g/m3；在550 s時，隨著火源熱釋放速率的降低和煙氣的不斷擴(kuò)散，空氣中煙密度開始下降，最終趨于穩(wěn)定，約0.25 g/m3。

(2)位于火源左側(cè)的X=15 m處，其煙密度變化較有規(guī)律，近似分為2段。70～300 s為快速增長階段，由于距離火源較近，排煙風(fēng)流是從左到右的方向，煙氣擴(kuò)散方向與之相反，所以煙氣擴(kuò)散較有規(guī)律，煙密度最高約0.33 g/m3；在300 s之后，隨著端部煙氣的聚集，最終煙密度趨于穩(wěn)定，約0.3 g/m3。

(3)管廊X=80 m處的煙密度在70 s時開始近似線性增長，在250 s時出現(xiàn)波動，增長速率降低，由于距離火源較近，在600 s時達(dá)到最高峰值0.25 g/m3，之后緩慢下降。主要是由于火源燃燒功率下降，釋放的煙氣量在降低。

(4)管廊X=120 m處的煙密度初期無變化，在約130 s時開始近似線性增長，在280 s時達(dá)到0.18 g/m3，之后增長速率開始下降，最終穩(wěn)定在約0.25 g/m3。

綜合以上分析可以看出，在600 s以內(nèi)，各處空氣中煙密度快速上升和波動，變化較為劇烈；在600 s之后，X=15 m處的煙密度穩(wěn)定在約0.3 g/m3，其他位置處的煙密度穩(wěn)定在約0.25 g/m3。主要原因是X=15 m處位于火源左側(cè)，其他位置位于火源右側(cè)，且距離火源的遠(yuǎn)近也影響著煙氣的擴(kuò)散。

4 結(jié)論

本文根據(jù)西安市某綜合管廊的實際尺寸，建立模型對纜線艙火災(zāi)發(fā)生過程中的煙氣運動和熱釋放速率變化等情況進(jìn)行模擬，得出以下結(jié)論：

(1)可以將整個火災(zāi)過程分為緩升段、快升段、下降或波動段等3個階段，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后300 s時，自動噴淋滅火系統(tǒng)啟動，火災(zāi)熱釋放速率以階梯型開始衰減。

(2)不同位置處的能見度均隨時間的推移呈負(fù)指數(shù)下降，在火源左側(cè)的X=15 m處和右側(cè)的X=80 m處的范圍內(nèi)，能見度開始下降的時間較接近，且距離火源越遠(yuǎn)，能見度開始下降的時間越遲，在X=120 m處較X=80 m處，能見度下降的時間推遲了約100 s。

(3)當(dāng)關(guān)閉通風(fēng)系統(tǒng)后，煙氣擴(kuò)散規(guī)律與火源熱釋放規(guī)律呈正相關(guān)，可分為發(fā)煙段、快升段、緩升或波動段。在600 s以內(nèi)，各處的煙密度快速上升和波動，變化較為劇烈；在600 s之后，X=15 m處的煙密度穩(wěn)定在約0.3 g/m3，其他位置處的煙密度穩(wěn)定在約0.25 g/m3。