长区间综合管廊通风及排烟数值模拟

王红艺 陈 康 田思楠

（1.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037；2.北京工业大学城市建设学部，北京 100124）

0 前言

城市地下综合管廊能够改善直埋市政管线的分散无序布置，正逐渐成为市政能源设施现代化的重要载体[1]。管廊内须安排人员定期巡检，为保障管线与运维人员安全，须充分考虑通风系统设置。以往设计工作中，通风分区均按照200m防火区间对应[2]。随新旧城区的开发改造，管廊须结合既有建设条件、城市地下空间开发、城市景观打造等共同推进，综合考虑几个方面的影响，结合国内外管廊建设经验，探索延长通风区间长度已成为综合管廊设计改进的一种必要手段。

城市综合管廊通风多以机械通风和自然+机械通风为主。通风机运行一般可分为通风和排烟2种模式。平时通风模式用于控制舱室高温、有害气体浓度、人员巡检的新风需求[3]。事故后排烟模式用于管廊内发生火灾且火源熄灭以后，尽快有效排除廊内烟气。一般来讲，随着通风区间的延长，通风机全压将增大。通过改变区间长度和通风量对管廊的平时通风阻力和事故排烟进行了研究，在风机选型、实现综合管廊附属设备节能、节省运维能耗方面具有现实意义，能够为探索长区间综合管廊通风区间的合理设置提供一定的指导。

1 工况设定

1.1 工程概况

模拟研究对象为北京市某地下管廊。分别选择燃气舱平时通风和电力舱事故后排烟进行研究。其中，燃气舱净尺寸1.5m×2.8m，电力舱净尺寸2.6m×3.1m，断面示意见图1。

模拟的燃气舱为已建管廊，防火区间按照既有区间长度设定，模拟的电力舱为另一个待建管廊，防火区间每200m设置一处，如表1。

表1 模拟工况设定

1.2 模型设置

通风阻力和排烟的数值模拟分别选择研究领域内常用的Fluent和Pyroism软件。

计算流体力学通过将流场控制方程区域离散化，通过反复迭代的手段求得流动问题的数值解。软件模拟计算的基础是根据流体动力学中最基本的质量（组分）守恒、动量守恒和能量守恒定律，建立基本方程[3-4]。

通风模拟设置基本情况：大气压101325Pa，管廊内的温度为20℃，内部气体为不可压缩的理想气体，模型仅考虑燃气舱内2根燃气管道，不考虑自用支架。管廊进出口均设置为速度边界，进出口速度根据通风口尺寸及规范要求换气次数设置。模拟针对管廊主体通风情况进行研究，未考虑风机进出口与风亭处的局部阻力。

排烟模拟中，利用FDS求解描述热驱动的低速流动的黏性流体方程，通过网格划分把设定的空间分成多个计算单元，对单元内各参数进行计算，用质量守恒、动量守恒和能量守恒的偏微分方程来近似有限差分，能够模拟火灾的发展和烟气的蔓延状况。数值模型按照图1设置。火源尺寸设置为0.5m×0.5m。火源热释放速率设置为250kW。假定600s时火源熄灭，开启排烟。

图1 综合管廊断面尺寸

2 不同通风区间长度下的通风阻力研究

2.1 通风阻力理论计算

管廊通风系统的阻力包括沿程阻力和局部阻力。

2.1.1 沿程阻力

式中：ΔPm为单位长度沿程阻力，Pa/m；L为通风区间长度。

2.1.2 局部阻力

式中： ΔPj为局部压力损失，Pa；ς为局部阻力系数；V为风管内局部压力损失发生处的空气流速， m/s；p为空气密度， kg/m3，取1.2 kg/m3。

根据国标图集所给出的管廊通风计算常用阻力系数，通过理论计算得到一个防火分区总阻力约为183Pa。此时未考虑管廊断面变化、管廊坡度变化、转角等产生的局部阻力。通过理论计算分析，综合管廊通风系统的沿程阻力很小，其主要阻力来自于管廊区间内防火门局部阻力，管廊至风机出口段局部阻力阻力主要集中在进排风百叶处。

同样的通过理论公式计算能够得出通风区间为150m/400m/600m/800m/1000m时的通风阻力分别为183Pa/210Pa/277Pa/419Pa/665Pa。

2.2 通风阻力数值模拟

取断面中心点位研究沿程通风风速与压力损失情况。从图2可知，随着通风区间的增大，通风量增加，管廊通风风速随之增加。在防火分隔部位，因过流断面面积减少，引起管廊风速突变，对应通风阻力模拟结果，同样是受防火分隔的影响，此处风速增大，根据局部阻力计算公式，此处的局部阻力较大，气流通过防火门处的压力损失增大，导致管廊阻力沿着气流方向呈“阶梯状”增加的趋势。

图2 管廊沿程风速与通风阻力数值模拟结果

区间总阻力增幅随通风区间长度增加而增大，模拟结果见表2。

表2 主线管廊通风阻力模拟结果

将前述理论计算结果与模拟数据分别进行公式拟合如图3，两者趋势基本一致。即随着通风区间的增大，通风阻力增加更为明显。项目设计中，克服管网内空气流动阻力需要使用通风机全压，根据通风机配用电机功率与单位风量耗功率计算公式（3）、公式（4）通风机的风量增大和全压增加将导致电机功率增加较多，单位风量耗功率增大，不利于风机的节能。

图3 不同通风区间长度管廊通风阻力计算结果拟合

式中：N风通风机配用电机功率；WS—单位风量耗功率；L—通风机的风量， m3/h；P—通风机的风压，Pa；K—机电机容量安全系数；η—全压效率；ηm—通风机机械效率；ηCD一电机及传动效率，取 0. 855；ηF—风机效率，%。

3 不同通风区间长度下的排烟研究

由图4知，200m通风区间下，约300s时，燃料燃烧耗氧已达到区间端头处，排烟口附近氧气含量开始逐渐下降。600s开启排烟后，排烟口附近烟气聚集造成此处氧气含量进一步下降，900s后开始逐渐升高。以氧气含量恢复原始状态的时间为烟气排尽时间，自开启排烟开始，200m时约900s排尽管廊内的烟气。400m通风区间时，廊内通风风速增大，有利于烟气排除，约1400s时氧气含量恢复正常。依次得到600m、800m、1000m区间下事故区间段和整个通风区间烟气排尽时间。如图5所示。

图4 工况1-5近排风口处氧气含量监测

图5 各工况排烟时间

随着通风区间的增加，匹配风量相应增加，在断面面积不变的情况下，断面风速将会增大。结合模拟结果，当通风区间为400m时，排尽烟气所需要的时间小于200m通风区间；通风区间增至600m时，排尽烟气所需要的时间大于400m通风区间但小于200m通风区间。通风区间为800m、1000m时，烟气须经过的防火分隔数量逐渐增加，一定程度影响了烟气扩散，排烟所需时间将随通风区间长度的增加而增大。同时分析了不同通风区间下着火区间的烟气排除情况，可知随通风区间的延长，断面风速增大，有利于事故区间段烟气的排除。着火分区排烟时间逐渐缩短。着火分区的烟气排除有利于消防运维人员等进入及时掌握廊内管线受损情况制定对策，总的排烟时间影响管廊的安全运行。

4 结论

根据平时通风阻力模拟结果，随着通风区间的增加，风机风量也相应增加，通风机的风量增大和全压增加将会造成电机功率增加较多，单位风量耗功率增大，不利于风机的节能。

结合烟气排除数值模拟结果，随着通风区间长度增加，事故区间段烟气排尽时间逐渐缩短，总排烟时间600m以内通风区间增加有助于烟气排除，超过600m烟气须经过的防火分隔数量逐渐增加，影响了烟气扩散，排烟所需时间将随通风区间长度的增加而增大。

根据通风阻力模拟结果，考虑事故区间段和总通风分区的烟气排尽时间，建议通风分区可控制在600m以内。对有特殊要求（城市景观、施工工法）的，通风分区适宜长度需结合具体要求进一步研究。

排烟数值模拟与实际情况可能存在火源功率、烟气生成量的差异。近年新建综合管廊内，已按照GB50838-2015《城市综合管廊工程技术规范》设置有自动灭火设施，同时综合管廊逐步实现智能化运行，火源有可能来不及完全发展即被扑灭，因此所提供数据及模拟结果仅供参考。