挡烟垂壁与细水雾耦合作用对管廊电缆火灾烟气运移的影响

2023-03-27许准张华杰梁天水

科学技术与工程 2023年5期

许准，张华杰, 梁天水

(郑州大学力学与安全工程学院，郑州 450001)

随着国家“西气东输”和“西电东送”工程的逐步执行，地下管廊的使用越来越多。地下综合管廊的正常运转就显得尤为重要。

集中了不同管线的综合管廊存在一定的安全隐患，特别是聚集了电力电缆的电力舱以及固有风险大的燃气管道，如果不采取相应的保护措施，稍有不慎就有导致火灾甚至爆炸的可能。细水雾可实现高效灭火，具有环保经济的优点，细水雾在综合管廊中的运用形式主要分为两种，第一种是直接充当灭火介质，将细水雾喷头布置在管廊内，能够在火灾发生第一时间控制火灾；第二种是将细水雾作为细水雾幕，来阻挡管廊火灾发生时烟气的蔓延。

细水雾作为高效灭火介质不仅可以灭火，还可以用作防烟甚至防火分隔，众多学者开展了相关研究。钟涛等[1]开展了全尺寸实验，研究了水雾作为防火分隔的有效性，验证了其可行性。梁天水等[2]用火灾数值模拟软件在综合管廊中开展不同粒径细水雾条件下灭火模拟，发现细水雾粒径越小对烟气层沉降的影响越显著。吴丹等[3]采用FDS分析了不同喷头间距、不同火源位置等条件下，细水雾灭火的有效性，结果表明在不同条件下细水雾灭火都有着优异的灭火效果，但喷头间距不宜超过3 m。李亚培[4]利用FDS数值模拟软件开展了细水雾幕在狭长空间内挡烟效果的模拟研究，得到了施加细水雾后可在一定程度上减缓烟气蔓延，并降低顶棚下方温度。沈俊杰等[5]通过开展变压环境下抑灭锂离子电池火实验，分析抑灭火实验现象、降温冷却和抑制CO生成的效果，得到了全氟己酮的综合性最佳,细水雾的降温冷却效果较好。贺元骅等[6]对比常压和低压环境压力对高压细水雾雾滴粒径及喷雾流量的影响，得到了低压环境对高压细水雾性能影响较大。研究者认为细水雾技术是今后灭火系统的必然发展方向，所以研究细水雾灭火效能，以使其在使用中实现对不同场景火灾的高效灭火变得十分重要[7]。

除了单独采用细水雾技术外，细水雾可以联合其他技术或设施，以起到协同作用，如细水雾冷却防火分隔设施(玻璃幕墙、防火卷帘等)。而挡烟垂壁作为防烟设施的一种，能在一定时间内防止烟气向下游蔓延，但随着燃烧的进行，挡烟垂壁将失去挡烟的效果，不能抑制更多的烟气蔓延至相邻防火分区，因此单独将挡烟垂壁作用在管廊存在一些不足之处。是否可以将挡烟垂壁联合细水雾技术，以起到更好的防烟效果呢？Mi等[8]结合FDS研究了隧道电缆中不同通风系统，防火门开关模式和喷淋系统组合条件下最优的烟气控制模式。王欢等[9]采用FDS研究了狭长通道内挡烟垂壁高度对空间内烟气的输运特性的影响。结果表明，存在挡烟垂壁时，垂壁上游顶棚附近烟气层温度普遍升高，而垂壁下游温度随挡烟垂壁高度的增加而加速衰减。郑源[10]针对管廊内烟气层及其流场热特征开展研究，揭示了垂壁与障碍物对火场烟气温度的影响，并构建了烟气纵向温度衰减模型。Zhou等[11]利用仿真模拟技术对烟气的热扩散特性进行了研究，揭示了在无强制对流条件下固体屏障可以阻止烟气向下游的移动，起到了一定的挡烟效果。郭健翔等[12]采用Pyrosim研究了空气幕墙联合挡烟垂壁对逃生楼梯口处烟气的阻挡效果，结果表明联合使用比单一使用挡烟垂壁阻挡烟气蔓延的效果好。这些研究尚不足回答细水雾技术和挡烟垂壁的协同效果，以及挡烟垂壁存在下，细水雾系统参数如何优化。因此现开展挡烟垂壁加水雾幕充当防火分隔有效性的研究，研究细水雾和挡烟垂壁配合使用是否可以产生更好的挡烟效果，甚至取代防火墙以及防火门等实体防火分隔物，以满足管廊内部通道畅通的要求。

1 数值模拟

1.1 软件介绍

FDS模拟软件是美国国家标准研究院和建筑火灾研究实验室合作开发的，该软件运用场模拟的方法，在进行模拟火焰燃烧、烟气流动等方面具有较好的适用性，采用数值计算的方法求解模拟火场的温度、烟气和热传递过程。FDS模拟不同火灾场景偏差较小，模拟结果还可通过自带的Smokeviwe以3D动画的方式直观展示，基于数值模拟与全尺度实验结果和理论方程的比较，所提出的FDS模型可用于预测综合管廊电力电缆舱火灾场景，因此，不再对FDS模拟有效性进行检验。

1.2 模型的建立

1.2.1 几何模型

管廊参考Liang等[13]建立的管廊尺寸模型，如图1所示。管廊长宽高为30 m×2 m×2.5 m，Y方向代表管廊长，X方向代表管廊宽，Z方向代表管廊高。模型域的表面以及管廊顶棚均设置为惰性材料(concrete)，管廊内部左右两侧各设有6层电缆，因在规定时间内电缆的燃烧长度达不到6 m，为了方便观察模拟效果，仅将两侧电缆设置为6 m。每层电缆横截面尺寸为0.2 m×0.1 m，每层电缆之间间隔为0.1 m，其中近地侧电缆距地面0.3 m，顶层电缆距管廊顶棚1.1 m，距墙一侧电缆贴近混凝土壁面。管廊端口设置为OPEN，除此之外不设置其他开口以保证较为真实的管廊环境。火源设置为高温表面(2 000 ℃)，大小设置为0.1 m×1.0 m，可认为是线性火源，设置在一侧电缆的最底层以及第三层处。由于建立的管廊模型具有对称性，所以仅需布置一侧测点即可对整个管廊内的情况有清晰的认识。火源的设置和喷头距挡板距离如图1所示。根据规范，可将细水雾喷头设置在管廊顶棚中轴线处，挡烟垂壁高度为0.6 m，距离起火点5 m处,喷头距离挡板3 m处。

图1 综合管廊电力电缆模型示意图Fig.1 Schematic diagram of power cable model for integrated pipeline corridor

1.2.2 相关参数的设置

将电缆引燃温度设置为330 ℃，通常电缆外护套为聚氯乙烯(PVC)，将聚氯乙烯作为典型电缆材料进行模拟，设置火灾类型为快速火。电缆材料参考An等[14]管廊模拟按照铜∶PVC=4∶6进行设置，具体参数如表1所示。

表1 相关参数设置表Table 1 Related parameter setting table

1.2.3 网格独立性分析

在FDS模拟中，网格尺寸对于模拟结果准确与否有着直接作用[15]，网格越密，精度越高，但计算时间越长。网格尺寸由式(1)计算得出，公式为

(1)

式(1)中：D*为火源当量直径；Q为火源热释放速率，kW；ρ∞为空气密度，kg/m3；cp为空气比热容，J·(kg·K)；T∞为环境温度，K；g为重力加速度，m/s2。

当D*/dx介于4～16时，可以得到较好的结果。经计算，选择网格尺寸为0.1 m×0.1 m×0.1 m，并对电缆所在区域进行网格加密，局部加密后的网格尺寸为0.05 m×0.05 m×0.05 m，即可满足模拟准确性要求。

2 结果与讨论

水雾粒径大小作为细水雾灭火中的重要参数，直接影响灭火效率，粒径较大的水雾雾滴可以克服纵向的惯性力，但是容易沉降；而相同流量下，雾滴粒径变小，雾滴数目增多，总表面积增大[16]，水雾降温效果好，但是在纵向烟气作用下易弥散，对管廊内烟气的沉降影响显著，因此探究不同粒径对于综合管廊电缆火灾烟气抑制作用以优化细水雾粒径范围具有一定工程价值。

通过对不同工况开展数值模拟计算，研究在火源和垂壁上游施加细水雾作用下烟气的变化。考虑水雾流量、水雾平均粒径和喷头距离挡板间距对管廊通道内烟气蔓延、顶棚下方温度的分布，设计如表2所示的17组模拟工况。

表2 模拟工况汇总表Table 2 Summary of simulated operating conditions

2.1 粒径对烟气和温度的影响

能见度是管廊中空气透明度的重要表征，火场的能见度也是烟气浓度的另一种体现。图2是t=300 s，流量为0.5 L/min时，不同粒径条件下，管廊内1.8 m高度处能见度分布情况俯视图，X=10 m处是挡烟垂壁所处的位置，X=13 m是喷头所在位置，空白部分为能见度小于12 m区域。可以看出，水雾粒径在50 μm时，水雾下游烟气有所沉降，100 μm时水雾下游烟气沉降率高，大量烟气下降至近地侧，仅有少量烟气从水雾下方穿过，相比于粒径较小的水雾，粒径为200 μm和300 μm的水雾作用下烟气下沉趋势不明显。

图2 不同粒径下管廊内1.8 m高处能见度大小俯视图Fig.2 Top view of visibility at the height of 1.8 m in the corridor under different particle sizes

图3为t=300 s，流量为0.5 L/min时不同粒径喷头下方的低温区域。蓝色虚线代表挡烟垂壁所处的位置即Y=10 m处，红色虚线是指喷头所处的位置即Y=13 m处，空白部分为温度大于20 ℃区域。从图中可以看出，粒径为100 μm时对喷头下方温控较好，200 μm粒径次之，300 μm粒径细水雾喷头下方低温区域面积最小，说明该粒径作用下，对喷头下方的温降也不明显，对喷头下方的温降能力有如下规律：100 μm>200 μm>50 μm>300 μm。喷头下游的烟气层温度则是50 μm粒径温度最低，高温范围也小，对喷头下游烟气层温降能力大小排序为：50 μm>100 μm>200 μm>300 μm。

图3 不同粒径喷头下方低温区域分布Fig.3 Regional distribution of low temperature under sprinklers with different particle sizes

2.2 流量对烟气和温度的影响

图4为t=300 s，在粒径50 μm时，不同流量细水雾作用下挡烟垂壁下游烟气温度分布情况，图中空白部分为温度低于30 ℃区域，火源位于垂壁上游5 m处。观察图4(a)和图4(b)可发现，虽然挡烟垂壁能够阻挡一部分烟气，但烟气仍旧蔓延至挡烟垂壁下游，仅能从一定程度上降低下游的烟气层温度。而在挡烟垂壁下游设置水雾后明显地降低了下游烟气层温度，且这种温度降低的效果随着水雾流量的增加明显增强，当水雾流量达2.5 L/min时，管廊内顶棚下已难以形成连续的高温区域，若流量持续增加至3.0 L/min则下游将不存在大于30 ℃的温度范围。

图4 不同工况下管廊中央烟气层温度分布Fig.4 Temperature distribution of smoke layer in the center of pipe corridor under different working conditions

图5为t=300 s时，管廊中央处的流场分布，由图5(a)和图5(b)可知，在垂壁下游设置细水雾幕之后，烟气越过垂壁流动至细水雾幕处运动轨迹发生了明显变化，在细水雾的作用下，烟气发生了沉降，烟气层流紊乱，喷头下方形成了小的涡旋，加剧了气体的局部环流，烟气明显的被向下拉伸，仅有部分烟气经过细水雾幕，向下游蔓延而去。

图6为t=300 s，粒径50 μm时，不同流量细水雾作用下管廊内2.3 m高处温度切片，空白部分为温度小于30 ℃区域。可以看出，在喷头下游会随着水雾流量的增加，低温区域越大。在流量为0.5 L/min时，2.3 m高度处没有温度低于30 ℃区域，流量为1.0 L/min时，仅在喷头下方产生了部分低温区域。而随着水雾流量的增大，喷头下游的低温区域越来越大，降温效果也越来越明显。

图6 不同流量下管廊中2.3 m高处温度分布俯视图Fig.6 Top view of temperature distribution at the height of 2.3 m in the pipe corridor under different flow rates

图7是不同水雾流量下，经过喷头下游3 m处，经过管廊横截面的热通量。可以看出，喷头流量越大，喷头下游的管廊横截面通过的热量就越少，在仅有挡烟垂壁的作用下，热通量的减少率为17.7%，而在不同流量(0.5～3.0 L/min)细水雾幕的作用下喷头下游的热通量减少率分别为46.6%、60.7%、82.9%、85.7%、87.0%、87.3%。可见，单独使用挡烟垂壁对热通量降低的效果不显著，在与细水雾幕共同起作用时，可大大降低通过管廊横截面的热通量，能够避免上游火灾烟气以及热量向其他防火分区蔓延，对喷头下游起到保护作用。

图7 不同流量喷头下游3 m处管廊横截面热通量变化图Fig.7 Variation diagram of heat flux in cross section of pipe corridor 3 m downstream of sprinkler with different flow rate

图8为不同流量下50 μm细水雾在距离垂壁不同水平距离下热电偶的温度分布值。可知，喷头流量越大，垂壁下游烟气温度就越小，这种温降在挡烟垂壁下方并不明显，在距离垂壁4.5 m处，各流量细水雾在顶棚处取得的温度为88、59、50、38、32、31以及28 ℃，温降率分别为43%、56%、73%、83%、84%以及89%。这说明细水雾与挡烟垂壁协同可以明显降低管廊内上层空间温度，在粒径相同情况下水雾流量越大，温降率越高。但随着水雾流量的增加，温度降低的趋势也呈现出了由快到慢的变化。

图8 不同水雾流量对于顶棚下方烟气层温度的影响Fig.8 Effect of different water fog flow rate on the temperature of smoke layer under the roof

图9为不同流量细水雾对于喷头前后温降的影响随时间变化图，在喷头上游2 m前，高温烟气受挡烟垂壁的衰减作用温度已经较低，此时，由于顶棚处的高温烟气未接触到细水雾故其温度与无水雾工况相差不大，在细水雾粒径为50 μm时，出现了温度高于无水雾的情况，那是由于细水雾阻挡导致部分烟气回流所致。而在喷头上游0.5 m处，各流量下管廊中央的最高温度相较于无水雾工况，已出现明显下降，在喷头下游0.5 m和2 m处，流量大小对于温度降低的趋势更加明显，在喷头下游可清楚地观察到，流量越大，管廊中央的最高温度越低，当水雾喷头流量为2.0、2.5、3.0 L/min时，喷头下方的温度能稳定地维持在环境温度，但也应该注意到，当流量大于2.0 L/min时，继续加大水雾流量，最高温度下降已不再明显，这说明也存在最佳流量。

图9 不同水雾流量条件下垂壁下游不同位置处的最高温度分布Fig.9 Maximum temperature distribution at different positions downstream of vertical wall under different water fog flow conditions

根据图9(d)所示，适宜的流量范围介于1.5～2.0 L/min，通过细分流量为1.6～1.9 L/min来确定最佳的水雾流量，如图10所示，1.9 L/min细水雾流量与垂壁协同时可起到较好的控制下游温度的效果，可认为喷头流量为1.9 L/min最佳。

图10 最佳流量的确定Fig.10 Determination of optimal flow rate

2.3 喷头与挡烟垂壁距离对烟气的影响

图11为t=200 s时，喷头与挡烟垂壁不同距离对管廊中央烟气分布的影响，空白区域为温度低于30 ℃区域，可认为该区域没有高温烟气。可知，当喷头距离垂壁1 m时，有烟气通过水幕逸散到下游，并形成了稳定的烟气层，而喷头距离垂壁2 m时，扩散到下游的烟气明显减少，而此距离为3 m时，将不会有烟气通过水幕。但超过3 m距离后，不仅在挡烟垂壁下游与喷头上游之间存在连续的高温烟气区域，且会有部分烟气通过水幕，扩散至下游。因此，喷头距离垂壁过远或过近均会影响水幕的挡烟效果，在设定工况下，喷头距离垂壁距离为3 m可达到较为理想的效果。

图11 喷头位于垂壁下游不同位置对管廊烟气分布的影响Fig.11 Effect of different positions of sprinkler located downstream of vertical wall on smoke distribution of pipe gallery

图12为喷头与挡烟垂壁距离不同时，挡烟垂壁下游和管廊中央顶棚下方的温度分布图。可以看出，喷头距离挡烟垂壁越近，垂壁下游的温度下降得越快，但喷头下游温度会存在小幅度上升，说明存在部分烟气扩散至下游，但喷头距离垂壁3 m时，喷头下游不会出现温升，说明对烟气温度的控制效果较好，而喷头距离垂壁间距大于3 m时，垂壁和喷头间会出现连续高温区域，温度降低趋势减缓，且喷头下游温度会出现部分烟气。综上，可认为将喷头设置在垂壁下游3 m处，能发挥较好的控烟效果。当然，所得到并非适用于任何条件下。

图12 喷头距垂壁位置对管廊中央顶棚温度的影响Fig.12 The influence of the position of the sprinkler from the vertical wall on the temperature of the central roof of the pipe corridor