火源位置对L型管廊电缆火灾影响规律的数值模拟研究

2022-02-02耿德望陆梓萍杨立中

火灾科学 2022年3期

耿德望，刘泓，王克，陆梓萍，杨立中

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)

0 引言

综合管廊作为城市的“生命线”，在为城市提供电力、燃气等重要市政能源的同时，也面临着巨大的消防安全威胁。综合管廊内部容纳大量的电力电缆、通信线缆、燃气管道等，火灾危险性高[1]。大部分的综合管廊火灾是由电力电缆老化以及燃气管道泄露造成的，而电缆火灾作为占比最高的事故类型，容易造成城市大面积电力瘫痪，带来不可计量的损失[2]。

综合管廊电缆火灾事故案例引发了世界各国对其消防安全的重视，但各国城市综合管廊的消防技术规范目前还不够统一与完备[3]。近几年国内外学者基于实验与数值模拟的方法，开展了包括温度场、烟气运动规律、排烟通风以及灭火救援[4]等方面的综合管廊火灾安全的研究。杜长宝[5]开展了缩尺寸管廊火灾实验，发现综合管廊顶棚温度沿纵向呈指数规律衰减。叶开[6]通过全尺寸的综合管廊火灾实验，基于近似的热边界层厚度，推导出最高温度纵向衰减的理论预测模型，并提出了基于Oka模型的综合管廊火灾顶棚射流温度场的二维预测方法。郑源[7]开展了综合管廊火灾烟气特性的实验研究，探究了综合管廊狭长结构烟气层及其流场热特征规律，发现了热边界层并不会受火源位置变化的影响而产生较大的变化。大部分学者开展实验研究时通常选用油池火模拟综合管廊火灾，相比于实际情况下的多层电缆火灾，这种简化的实验方案存在一定误差，不能很好地还原出实际管廊电缆火灾的特殊规律。现阶段的研究对象多为几十米长的一字型综合管廊，然而城市的快速发展也推动了综合管廊逐步在地下交织成网，实际工程中出现了越来越复杂廊道构型的综合管廊，如L型、T型、U型管廊。此类复杂廊道构型综合管廊火灾安全的研究目前还处于初步探索阶段，相应的研究工作并不多。An等[8]建立了纵向总长度18.4 m的L形结构的综合管廊电力舱模型，研究了拐角处的电缆倾角对其火灾发生时的温度分布、CO浓度分布规律的影响。Liang等[9]建立了T形结构的综合管廊电力舱模型，研究了廊道构型对电缆火灾蔓延过程的影响。

事实上，工程设计中的一个管廊防火分区可长达数百米，并且在狭长的地下空间内，电缆起火的位置也难以预料，因此有必要开展火源位置对不同廊道构型的综合管廊电缆火灾影响规律的研究。综合管廊作为大型地下建筑，开展实验研究难度大，实验可重复性低，因此越来越多的学者采用数值模拟的方法开展综合管廊火灾研究。其中，由美国国家技术标准局(NIST)开发的火灾动力学模拟软件FDS(Fire Dynamics Simulator)受到了国内外学者普遍认可[10,11]，它以流体动力学理论为基础，可以较好地模拟复杂的大型建筑火灾场景。本文基于FDS数值模拟软件，选取了典型的L型综合管廊为研究对象，开展了火源位置对L型管廊电缆火灾影响规律的研究，研究结果可为综合管廊火灾安全防控与消防设计提供参考。

1 FDS模型设计

1.1 综合管廊模型搭建

本文以某综合管廊高压电力舱为研究对象建立1∶1的L型管廊数值模型进行分析，模型空间体积内部净宽2.8 m，净高3.2 m，管廊总长度为150 m。查询相关资料可知电缆的热释放速率为265 kW/m2，本文假设电缆故障起火段为一固定火源。考虑管廊内由于不同位置的电缆故障引发的火灾，在不同位置设置固定功率的火源引燃电缆，并考虑管廊内由于不同程度的电缆故障引发不同规模的火灾设置了3种不同大小的火源功率。本文研究综合管廊内最恶劣的起火场景，火源设置在单侧最下层电缆位置[12]。

常见的综合管廊电缆内包覆的导体为三根铜芯，绝缘材质为交联聚乙烯(XLPE)，内填充聚乙烯(PE)发泡，最外层为聚氯乙烯(PVC)护套[6]。为了简化FDS计算，将电缆主要的可燃材料PVC作为电缆的简化模型，设计左右两侧共7层电缆，如图1。

图1 综合管廊电力舱电缆简化与布置示意图Fig. 1 Simplification and layout of cables in cable cabin of utility tunnel

为了便于下文讨论不同火源位置对L型综合管廊电缆舱火灾的影响，本文定义火源所在的一段管廊为主线，另一段为支线；定义L型管廊模型沿主线管廊的长度为X轴，沿宽度为Y轴，沿高度为Z轴。如图2，L型综合管廊模型中轴线竖直面上(Z=1.6 m和Z=3.2 m)间隔5 m布置热电偶，间隔25 m布置烟气浓度测点。设置了3种位置的切片，分别位于主线管廊模型的中轴线所在竖直面、支线管廊模型的中轴线所在竖直面以及管廊模型中轴线所在的水平面(取人眼平均高度Z=1.6 m)，这些切片包含温度切片、CO浓度切片、CO2浓度切片。

1.2 网格设计

图2 L型管廊模型测点与切片设置示意图(俯视图)Fig. 2 Measuring points and slice settings of L-shaped utility tunnel model (top view)

选取电缆稳定燃烧后的阶段，绘制了距离火源50 m处的平均竖向温度分布曲线，如图3所示。可以发现，随着网格尺寸的变小，温度分布的曲线趋于一致，网格尺寸小于0.20 m后温度曲线具有较好的收敛性。考虑到计算机的数据处理能力，更小的网格不会显著提升模拟的精度，并且会大大增加计算时间。因此本文选取综合管廊模型的网格尺寸为0.20 m。

图3 不同网格尺寸的竖向温度分布Fig. 3 Vertical temperature distribution for different grid sizes

1.3 工况设计

考虑不同火源位置以及不同火源功率对L型综合管廊电缆火灾规律的影响，设计不同火源位置工况如图4和表1所示。

图4 L型管廊模型火源位置示意图(俯视图)Fig. 4 The locations of the fire source in the L-shaped utility tunnel model (top view)

表1 综合管廊电缆火灾数值模拟工况表

2 结果与讨论

2.1 火源位置对温度纵向衰减规律的影响

选取不同火源位置和不同火源功率的模拟工况下火源处最高温度的时刻，结合温度切片选取各测点位置处的竖向最大温度绘制了最高温度纵向衰减曲线，如图5。在L型管廊中，火源功率的大小影响了火灾发生的快慢，而对于管廊最高温度的纵向衰减规律影响较小。管廊内外侧的火源位置对于温度衰减的影响较小，但当火源位于5号、6号位置时，火源处的温度受电缆布置的影响略有差异，管廊主线外侧的电缆更容易被引燃，火灾蔓延的范围相比于内侧更大，因此火源位于5号位置的温度也更高。不同火源位置的最高温度纵向分布随着与火源的距离增大，呈现指数衰减的趋势。

图5 不同火源位置的L型管廊最高温度的纵向衰减曲线Fig. 5 Longitudinal attenuation curve of the maximum temperature of L-shaped utility tunnel at different fire source locations

当火源位于1号～4号位置时，最高温度的纵向衰减在管廊拐弯节点处出现了明显的断层，经过节点后的温度突升，然后在管廊支线的温度衰减相对更慢。这是由于L型管廊的特殊廊道构型内的“蓄烟效应”，烟气由火源处沿着顶棚向远处运动，到达L型管廊的节点位置后由于廊道构型的影响，烟气受到端墙与侧壁两个方向的反作用力从而改变原有的传播方向。管廊节点处烟气大量积聚后再向管廊支线继续扩散，节点处的温度会出现明显的升高，导致管廊主线和支线内温度纵向衰减不连续。为了获得L型管廊主线与支线的最高温度纵向衰减规律，我们选取火源功率为2 MW的六种不同火源位置的工况分两种情况讨论。叶开[6]引入了热边界层厚度δT(x)的计算公式用以分析全尺寸综合管廊火灾的纵向温度衰减规律：

(1)

其中，H是管廊模型高度为3.2 m，x为与火源的距离，φ与ε为经验参数。

综合管廊电缆火灾为强羽流撞击，高子鹤[15]的研究发现该场景下纵向温升的变化关系分为撞击区与衰减区，在撞击区内顶棚射流下方温升基本保持不变。本文研究综合管廊电缆火灾的温度纵向衰减区域，Gao等[16]通过实验研究得出衰减区的起始位置是顶棚高度处羽流半径的1.7倍。叶开[6]的研究发现以管廊模型的宽度2.8 m近似为顶棚高度处的羽流半径，可以获得相对保守的估计。本文选取x=5 m为L型管廊主线温度纵向衰减的第一个测量位置，即下文的参考值坐标xrv，将管廊主线与支线的参考坐标处温度设为ΔTmax,rv。如图6(a)、图6(b)，分别选取火源位于端墙位置时管廊主线火源右侧5 m～50 m以及管廊支线10 m～80 m范围内的竖向温度分布形态。温度在竖向高度的分布呈现“帽型”，由管廊顶棚向下快速增大到最高温度后逐渐下降。这一规律与Oka和Imazeki[17]与叶开等人的研究结论类似，因此本文同样采用边界层温度均一假设，其顶棚射流竖向温度分布示意如图6(c)所示。

图6 L型管廊不同位置处的竖向温度分布Fig.6 Vertical temperature distribution at different positions of L-shaped utility tunnel

利用式(1)对管廊主线与支线的边界层厚度数据进行拟合，得到了经验参数的拟合结果。

L型管廊主线的热边界层厚度沿纵向变化的拟合公式为：

(2)

L型管廊支线的热边界层厚度沿纵向变化的拟合公式为：

(3)

图7给出了前人一字型管廊的实验结果与本文数值模拟结果的对比。可以发现，L型管廊电缆火灾主线与支线的烟气热边界层厚度变化呈现明显的分段，均大于前人的池火实验研究结果。受到L型结构拐弯节点的影响，烟气在节点处更易积聚，这种蓄烟效应使得管廊主线的烟气热边界层厚度更大，而支线的烟气热边界层厚度整体较小。

图7 热边界层厚度沿纵向的变化Fig.7 Variation of thermal boundary layer thickness along the longitudinal direction

基于前人的研究[6]，式(4)可以较好地描述综合管廊火灾中最高温度的纵向衰减规律，但是仅适用于常见的一字型综合管廊：

(4)

其中，W为管廊模型宽度取2.8 m，St为斯坦顿数，由综合管廊电缆火灾热边界层特性判断公式中ε≠1。当火源位于1号～4号位置时，火源位于管廊主线内外侧的温度衰减具有一致性，因此对内外侧的温度纵向衰减进行统一量化分析。根据式(4)可以得出不同火源位置的L型管廊主线最高温度纵向分布拟合结果。

对于火源位于1号、2号位置的管廊主线：

(5)

对于火源位于3号、4号位置的管廊主线：

(6)

为了描述L型管廊支线的温度纵向衰减规律，引入支线管廊方向上坐标Y，以实现对L型管廊在二维平面上的最高温度纵向衰减拟合。选取y=5 m为L型管廊支线温度纵向衰减的参考值坐标yrv。本文中的L型管廊主线长度为50 m，即X坐标的取值范围为5 m～50 m，当x>50时，Y坐标的取值范围为5 m～100 m。推广到一般情况下的L型管廊支线温度纵向衰减规律为：

(7)

结合L型管廊支线热边界层拟合结果，根据式(7)对不同火源位置的L型管廊支线最高温度纵向衰减规律通过拟合，得到最终的结果如图8所示。

对于火源位于1号、2号位置的管廊支线：

(8)

对于火源位于3号、4号位置的管廊支线：

(9)

不同火源位置工况得到的L型管廊最高温度纵向衰减规律的参数如表2。可以发现拟合结果较好，说明计算后的经验参数适用于L型管廊电缆火灾温度纵向衰减特性。结合式(4)和式(7)，本文提出了L型管廊最高温度纵向衰减模型，该模型可以很好地描述L型综合管廊主线与支线在二维平面上的温度变化规律。

图8 不同火源位置的最高温度纵向衰减拟合结果Fig. 8 Longitudinal attenuation fitting of maximum temperature at different fire source locations

表2 L型管廊最高温度纵向衰减拟合结果

2.2 火源位置对烟气浓度分布规律的影响

CO气体是火灾烟气中最具决定性的危险气体。图9为火源功率2 MW时不同火源位置的L型管廊电缆火灾位于人眼高度处(Z=1.6 m)的烟气浓度分布，选取的时间均为每个工况火灾达到其热释放速率峰值的时刻。从图9中可以看出，火源位置附近的小区域内CO浓度较低。不同火源位置的电缆火灾烟气浓度纵向分布均有一个相同规律，管廊主线内的烟气浓度随着与火源距离越远而逐渐降低，管廊支线(非火灾区间)内的烟气浓度在距离管廊节点25 m附近的位置达到最低值，然后随着与节点距离的增加烟气浓度逐渐升高。这是由于烟气沿着顶棚由火源位置向远处扩散，经过节点位置处受端墙与侧壁的共同影响出现积聚并改变运动方向，继续沿着管廊支线顶棚扩散，到达支线端墙防火门处冷却下沉，然后沿着底板反向填充。因此支线末端的端墙人眼高度处烟气浓度较大，而靠近节点人眼高度处的烟气浓度测点位置更晚被烟气填充到，烟气浓度相对较低。而当火源位于5号、6号位置时，受电缆布置方式与氧气卷吸效率的影响，管廊内外侧的火源造成了不同的结果。火源位于5号位置时，电缆燃烧不如火源位于6号位置时剧烈，该情况下的CO烟气浓度更高，管廊支线内烟气扩散的范围也更大。

图9 不同火源位置的L型管廊CO浓度分布(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 烟气危害性参数分析

黄锐[18]提出了峰宽时间的概念，利用这个指标能够评估高浓度烟气在实验中持续的时间，从而可以统一衡量烟气的危害性。而综合管廊电缆火灾与前人研究的建筑火灾烟气扩散规律不同，密闭条件下的烟气浓度达到峰值后会维持在一个较高的浓度范围。针对综合管廊电缆火灾烟气危害性，本文提出了适用于该场景下的烟气浓度峰宽时间计算方法，如图10所示。选取各密闭场景工况的火灾自熄时间为终止点，对火灾发生至终止点的烟气浓度曲线进行数值积分，图10中水平线是曲线数值积分的积分中值，水平线左边与实验曲线的交点就是峰宽时间的起始点，峰宽时间等于终止点时间减去起始时间。因此，基于时间与烟气浓度整体作用的概念[19]，烟气浓度总危害性参数可以评价建筑火灾不同位置的烟气危险性[20]，综合管廊火灾的烟气总危害性参数为气体浓度积分中值与峰宽时间的乘积，计算公式为：

(10)

其中，tend为综合管廊火灾自熄灭时间，tselect为处于CO浓度中值以上的时间。

图10 综合管廊电缆火灾烟气峰宽时间计算方法Fig. 10 Calculation method for peak-width time of cable fire smoke concentration in utility tunnel

图11 不同火源位置的L型管廊CO总危害性参数Fig. 11 CO toxic hazard parameters of L-shaped utility tunnel with different fire source locations

图11为计算得出的不同工况下L型管廊电缆火灾CO总危害性参数。可以发现，管廊主线与支线的烟气总危害性参数有明显的分界，主线的烟气危害性整体高于管廊支线。当火源位于1号、2号位置时，火源位置与管廊节点位置的烟气总危害性参数较大。当火源位于3号、4号位置时，火源位置与管廊主线端墙防火门位置的烟气总危害性参数较大。当火源位于5号、6号位置时，管廊节点位置的烟气总危害性参数最大，且火源位于5号位置的节点处烟气危害性参数是所有工况下不同位置中的最大值。值得注意的是，距离火源位置最远的管廊支线端墙防火门位置的烟气危险性相对较高，不同火源位置工况下的电缆火灾烟气总危害性参数最低值总是在L型管廊的非火灾区间(管廊支线)距离节点25 m(即坐标X+Y=75 m)位置，这一结论可为L型综合管廊消防安全设计提供参考。