城市综合管廊电力舱火灾数值模拟

■ 杨斌 杜贞爱 柳琦 龚哲 武汉市政工程设计研究院有限责任公司

■ 姜学鹏 武汉科技大学消防安全技术研究所

随着社会经济的进一步发展，城市地下空间得到了进一步应用，城市综合管廊就是极其重要的基础设施，对城市正常运行至关重要。综合管廊包含电力舱、燃气舱、热力舱、排水舱、综合舱等[1-2]。综合管廊处于地下封闭狭长空间，引起火灾事故的原因不易被发现，一旦发生火灾，会产生高温烟气迅速充满整个防火区间[3]。电力舱发生火灾的风险最高而且火灾危害巨大，漏电、短路等都易引起火灾。

本文应用FDS 模拟综合管廊电力舱内火灾状况，研究其火灾烟气蔓延规律、火灾后管廊内温度场分布，为综合管廊电力舱的结构设计提供技术依据。

一、工程案例

本文以某城市综合管廊高压电力舱室为对象进行数值模拟，按照1:1 比例建立模型。高压电力舱室内部净宽为2.5m，净高为3.8m，长度取一个防火区间长200m，两侧布置220kv 和110kv 的电缆，左右各五层，综合管廊断面图如图1所示。

图1 电力舱管廊断面图

（一）模型建立

本文对一个防火分区（200m）的电力舱室进行建模，管廊高3.8 米、宽2.5 米，去掉支架等无关内容，仅保留电缆，其模型简化如图2所示，在FDS 中对模型进行网格划分及参数设置，着火区设置在管廊中部，着火长度为1m，引火源设置在第二层电缆下方，为了精简网格数量、节省计算机的运算时间，本文对模拟网格划分进行了特殊处理，网格总数54600 个，如图3所示。

图2 电力舱模型简化图

图3 模型网格划分图

（二）火源设置

实际的火灾燃烧更接近一个非稳态过程，存在着增长阶段、稳定阶段和衰减阶段，通常采用t2火灾模型来表述非稳态火灾[4]。

式中：Q——火灾的热释放率，单位为kW。

α——火灾热释放率的增长系数，单位为kW/s2。

t——火灾发生的时间，单位为s。

本次模拟采用非稳定火源，火灾等级选取快速火，α取0.04689，引火源位置取左侧倒数第二层电缆侧面，火源功率2MW，面积为1m×0.2m。

（三）工况及测点设置

本文模拟管廊灭火系统失效、防火门及通风口关闭的情况下，发生火灾后管廊内火灾发展、烟气蔓延、温度分布等状况。为了便于分析管廊内部温度场等信息，本文在y=1.25、z=2m、x=1、x=50、x=100、x=150、x=199（x 为管廊长度方向，y 为管廊宽度方向，z 为管廊高度方向）处设置切片。本文在x=1、x=50、x=100、x=150、x=199 处设置热电偶，部分测点分布如图4所示。

图4 测点布置示意图

二、结果分析

（一）烟气蔓延规律分析

管廊内电缆火灾后管廊内的烟气蔓延随时间的变化图，如图5所示。

图5 火灾烟气蔓延示意图

由图5可知，综合管廊火灾属于受限空间火灾，随着火灾的发展，生成的烟气越来越多。烟气受到浮力作用上升到达顶棚，并吸卷下方的空气，形成顶棚射流，烟气羽流沿着顶棚向两边逐渐扩散，烟气向两边的蔓延规律几乎成对称布置。火灾发生210 秒后，烟气蔓延至管廊两端，随后烟气逐步充满管廊，火灾在发展过程中，消耗了管廊内大部分氧气，此时管廊内氧气含量越来越低，火势开始逐渐减小，火灾开始进入衰退阶段。在t=820s，火焰因缺氧而熄灭。

（二）温度场分析

由烟气蔓延分析可知，火灾发生后烟气呈现对称布置，温度场分析时，仅分析火灾右侧的温度状况，火灾位置截面处布置了6 个温度测点，其坐标信息为T（x，y，z），如图6所示。火灾右侧布每隔25 米布置一个烟气温度测点，其坐标信息为T（x，y，z），如图7所示。

图6 管廊内火灾截面处温度变化图

由图6可知，在前250 秒，火灾温度逐步变大，253秒后火灾温度有一定回落，随着火灾引燃其他电缆，火灾温度继续增大，在500 秒左右火灾燃烧达到顶峰，之后随着管廊内的氧气逐步消耗，火灾温度逐步回落，在温度回落过程中，700 秒至800 秒左右时，火灾温度出现了波动，可能是火灾引燃了对侧电缆燃烧，对侧电缆燃烧变大，使温度增加。800 秒之后，温度急剧下降至100℃左右，这是由于管廊内氧气消耗完，火焰熄灭造成。由图6可知，在火灾处管廊截面的中心线上，越接近管廊顶部温度越高，管廊顶部最高温度接近800℃，管廊内电缆火灾将对管廊内部结构造成不可修复的损伤。由图7可知，距离火灾越远，温度越低，在1.7 米高处，就算在距离火灾最远端，火灾燃烧达到峰值时，其温度也超过了50℃。此温度场数据与海南消防总队做的城市地下综合管廊火灾试验数据相吻合[5]。

图7 管廊内火灾右侧温度变化图

三、结语

（一）火灾发生后210 秒内烟气将蔓延至整个管廊，随后将逐步充满管廊空间。

（二）火灾燃烧达到顶峰时，火灾截面处管廊顶部温度达到800℃。

本文模拟研究不足之处在于，建立的是理想化模型，只模拟了灭火系统失效的极端状况下管廊火灾。