城市综合管廊缆线舱火灾烟气扩散规律数值模拟研究*

南玮 吴爱军 褚福延

(西南科技大学环境与资源学院 四川绵阳 621010)

0 引言

城市地下综合管廊是将城市建构筑物的电力、通信、市政等工程管线集中敷设于地下空间。在综合管廊的众多舱室中，具有较大火灾危险性的是缆线舱，若缆线舱发生火灾事故，将对人们的生活和企业的生产造成重大影响。

陈武生[1]从结构抗火角度对地下综合管廊的结构设计性能进行了研究，提出了综合管廊防火的相关措施；丁宏军[2]通过实验对电缆隧道不同火灾场景中火灾探测器的技术指标进行了研究；阳东[3]研究了狭长受限空间火灾烟气分层与卷吸特性；杜长宝[4]对地下综合管廊电缆火灾温度场分布及烟气流动特性进行了研究；郝冠宇[5]对综合管廊中缆线舱内火灾烟气进行了模拟研究；孙瑞雪[6]对城市地下综合管廊的灭火系统进行了试验与数值模拟研究；李欣玉[7]对综合管廊缆线舱火灾后的通风系统进行了数值模拟与优化设计。

本文结合西安市某综合管廊的具体尺寸，选取Pyrosim建模，对综合管廊缆线舱内电缆火灾情况及烟气蔓延情况进行模拟研究，以期掌握烟气扩散运动规律，为火灾救援工作提供理论参考。

1 数值模拟理论基础

1.1 连续性方程

火灾发生后，烟气很快扩散至整个缆线舱室，当通风系统启动后，烟气沿着舱室流动，所以满足流体力学中的连续性方程：

(1)

式中，ρ为流体密度， kg/m3；ux、uy、uz分别为x、y、z方向的速度分量， m/s；t为时间，s。

若流体在流动过程中的密度变化可忽略，即为不可压缩流体，此时连续性方程变为

(2)

1.2 烟气扩散方程

火灾产生的烟密度变化剧烈，同时受到空气的浮力和空气流动产生的剪切力，使其在空气中快速扩散，满足扩散方程，具体微分形式为

(3)

式中，p为烟密度，g/m3；α为扩散系数，m2/s。

2 模型建立

2.1 物理模型

地下综合管廊是将若干管线集中敷设于地下空间，其断面如图1所示。本文以西安市某地下综合管廊中的缆线舱为研究对象，按防火分区200 m进行模拟研究。本文根据200 m防火分区以及缆线舱实际尺寸即宽2.2 m、高2.85 m进行建模。

(a)剖面

2.2 火源设置

在Pyrosim软件中，火灾的规模用单位面积热释放速率(HRR)表示。本文模拟缆线舱发生火灾后的烟气蔓延情况，选用平方增长模型[8]，即在火灾初期，热释放速率增长较缓慢，当火灾发展到一定程度后，热释放速率的增长与t2成正比，其关系式为

Q=at2

(4)

式中，Q为火源热释放速率，kW；a为火灾增长系数，kW/s2；t为火灾发展时间，s。

在缆线舱中导致火灾事故发生的最大可能因素是电缆自身的因素，因此本文设置火灾的起因为电缆自身发生故障，火源功率为4 000 kW。火源位置中心坐标设置为X=50 m、Y=1.0 m、Z=0.3 m，火源面积设置为0.75 m2。由于需要考虑火灾的蔓延情况，因此火源选用非稳定火源，即平方增长模型。火灾增长系数a按快速增长取为0.046 98[9]，由式(4)计算得火灾发展时间为291 s。

2.3 通风系统设计

本文设置的通风方式为自然进风和机械排风，如图2所示。由于机械排风口风速不得大于5 m/s[10]，因此选取对通风效果更有利的风口风速为5 m/s。

图2 缆线舱通风示意

3 模型运行结果及分析

本文对舱室发生火灾并且关闭通风系统后，从火源热释放速率、烟气扩散和能见度变化以及空气中烟密度变化等3个方面分析阐述缆线舱火灾的发生和发展规律。

3.1 热释放速率变化

火源热释放速率(HRR)的变化如图3所示。可以看出，整个火源热释放过程大致可分为3个阶段：缓升段、快升段、下降或波动段，对应的时间坐标大致可分为0～100 s、100～300 s、300 s以后。刚开始，火源的热释放速率缓慢增加；在约291 s时，热释放速率到达峰值4 000 kW；在300 s时，探测器检测到火灾发生，启动自动灭火系统，之后热释放速率呈阶梯状下降；在约680 s时，热释放速率变为0，火源从初期到熄灭共持续了约11 min。

图3 热释放速率变化曲线

3.2 烟气扩散分析

烟气扩散示意如图4所示。从图4(a)可以看出，在45 s 时，电缆由于自身故障受热发生自燃，生成少量烟气，此时火源处的能见度保持在30 m，并未减小。从图4(b)可以看出，在95 s时，烟气受到火源热羽流及舱室顶部受限空间的共同作用，形成顶棚射流，随即向舱室两侧扩散。由于舱室底部暂无烟气，导致烟气在竖向空间出现了分层现象，并且烟气向两侧扩散的速度基本一致。从图4(c)可以看出，在353 s时，整个舱室已经被烟气充满，此时能见度已不足2 m。综合图4可得出，在火灾初期，烟气在火源位置X=50 m处生成，由于温差的存在，烟气开始纵向扩散，到达舱室顶部后，由于顶部受限，烟气开始向两侧运动，在纵向出现烟气分层现象。当烟气到达两端后，随着烟气的回流，纵向分层现象逐渐消失，最终烟气充满整个舱室。

(a)t=45 s

为了清晰地反映火灾初期烟气的运动情况，本文采用能见度变化曲线，如图5所示。可以看出，在不同位置处的能见度开始下降的时间相对于火源位置X=50 m处有一定的延迟。分别位于火源左侧的X=15 m处和右侧的X=80 m处，其能见度开始下降的时间延迟约25 s；在X=120 m处，其能见度开始下降的时间延迟约125 s；在300 s时，即灭火系统(喷淋系统)启动后，管廊各处的能见度已下降到不足3 m，烟气扩散较为迅速。而各处的烟气能见度降低到3 m(即300 s时)的情况存在较大差异，X=120 m处的能见度下降到3 m用时约100 s，而X=15 m处和X=80 m处的用时约200 s。主要原因是烟气一边随着流动的空气运动，一边在其中扩散，到X=120 m处时，扩散进程已经进行了约100 s。

图5 能见度变化曲线

X=15、50、80、120 m等4处的能见度开始降低的时间分别为120、100、110、200 s，之后能见度随时间的推移呈负指数降低，降低至2 m的时间分别为193、276、277、337 s，如图6所示。在约353 s时，烟气已经充满整个舱室，能见度降低至2 m以下。

图6 不同位置处的能见度低于2 m的时间

3.3 空气中烟密度的变化

为了分析烟气的运动变化，本文选取了不同距离处的空气中烟密度进行对比分析，距离地面2.4 m处舱室的烟密度变化如图7所示。可以看到，烟密度变化与火源热释放速率变化呈对应关系，也可分为3个阶段：发烟段、快升段、缓升或波动段，大致对应的时间为0～100 s、100～300 s、300 s以后。

图7 烟密度变化曲线

(1)火源位置X=50 m处的烟密度随热释放速率呈非线性波动上升，相较于图3的热释放速率有一定时间的延后。如在300 s时，热释放速率达到最高峰值，此时的烟密度约0.25 g/m3；之后，烟密度增长速率降低，空气中烟密度最高可达0.3 g/m3；在550 s时，随着火源热释放速率的降低和烟气的不断扩散，空气中烟密度开始下降，最终趋于稳定，约0.25 g/m3。

(2)位于火源左侧的X=15 m处，其烟密度变化较有规律，近似分为2段。70～300 s为快速增长阶段，由于距离火源较近，排烟风流是从左到右的方向，烟气扩散方向与之相反，所以烟气扩散较有规律，烟密度最高约0.33 g/m3；在300 s之后，随着端部烟气的聚集，最终烟密度趋于稳定，约0.3 g/m3。

(3)管廊X=80 m处的烟密度在70 s时开始近似线性增长，在250 s时出现波动，增长速率降低，由于距离火源较近，在600 s时达到最高峰值0.25 g/m3，之后缓慢下降。主要是由于火源燃烧功率下降，释放的烟气量在降低。

(4)管廊X=120 m处的烟密度初期无变化，在约130 s时开始近似线性增长，在280 s时达到0.18 g/m3，之后增长速率开始下降，最终稳定在约0.25 g/m3。

综合以上分析可以看出，在600 s以内，各处空气中烟密度快速上升和波动，变化较为剧烈；在600 s之后，X=15 m处的烟密度稳定在约0.3 g/m3，其他位置处的烟密度稳定在约0.25 g/m3。主要原因是X=15 m处位于火源左侧，其他位置位于火源右侧，且距离火源的远近也影响着烟气的扩散。

4 结论

本文根据西安市某综合管廊的实际尺寸，建立模型对缆线舱火灾发生过程中的烟气运动和热释放速率变化等情况进行模拟，得出以下结论：

(1)可以将整个火灾过程分为缓升段、快升段、下降或波动段等3个阶段，当火灾发生后300 s时，自动喷淋灭火系统启动，火灾热释放速率以阶梯型开始衰减。

(2)不同位置处的能见度均随时间的推移呈负指数下降，在火源左侧的X=15 m处和右侧的X=80 m处的范围内，能见度开始下降的时间较接近，且距离火源越远，能见度开始下降的时间越迟，在X=120 m处较X=80 m处，能见度下降的时间推迟了约100 s。

(3)当关闭通风系统后，烟气扩散规律与火源热释放规律呈正相关，可分为发烟段、快升段、缓升或波动段。在600 s以内，各处的烟密度快速上升和波动，变化较为剧烈；在600 s之后，X=15 m处的烟密度稳定在约0.3 g/m3，其他位置处的烟密度稳定在约0.25 g/m3。