综合管廊电缆火灾细水雾灭火效果数值模拟

黄 萍，邓 茜，余龙星

(福州大学环境与安全工程学院，福建 福州 350108)

近年来，随着中国经济的快速增长，土地开发率逐渐上升，城市可供使用的地面空间越来越少，所以地下空间得到了越来越广泛的开发与利用。城市综合管廊就是一种集各类管线于一体的地下隧道式构造物。城市综合管廊不仅可节省空间，而且还有利于管线的管理和维修，所以在各个国家得到了大力发展。由于城市综合管廊狭长的结构和封闭的环境特点，一旦发生火灾，将会造成非常严重的后果。为了解决可能发生的火灾隐患问题，许多学者对城市综合管廊的火灾特性开展了研究。如黄萍等将AHP和证据理论两种方法相结合，对综合管廊火灾危险性进行了评估；赵永昌等利用等比例小尺寸综合管廊模型,研究了不同大小火源功率对火灾初期温度特征的影响；刘浩男等利用小尺寸模型和数值模拟方法对有风情况下综合管廊烟气运动规律进行了研究，结果发现综合管廊的烟气蔓延为一维蔓延过程，且随着蔓延距离的增加，其蔓延速度会下降；王明年等采用FDS软件建立了全尺寸城市综合管廊火灾模型，分析研究了城市综合管廊火灾的发展和蔓延过程及其变化规律。此外，还有许多学者从灭火设备着手研究了灭火系统的参数设置对于综合管廊灭火效果的影响。如白静结合综合管廊的火灾特性对多种消防灭火方式进行了比较，认为高压细水雾灭火系统更适合扑灭综合管廊火灾；相坤等采用火灾实体试验的方法，研究了高压细水雾灭火系统在综合管廊灭火过程中的温度变化，并考察环境风速、喷头安装角度对灭火效果的影响。

尽管目前已有许多关于城市综合管廊的研究，但从最初的综合管廊消防设计角度着手研究火灾特性和灭火情况的研究却很少。因此，本文在前人研究的基础上，采用火灾动力学模拟软件FDS，从综合管廊消防设计的角度出发，将喷头间距、电缆横向间距和电缆桥架间距作为变量，模拟了不同组合工况下细水雾喷头间距、电缆横向间距和电缆桥架间距对综合管廊电缆火灾细水雾灭火效果的影响。

1 数值模拟

1.1 物理模型建立

本文参考我国某城市的综合管廊设计图进行建模。由于本文研究的重点在于电缆燃烧初期火灾的扑救，其火灾的影响范围较小，因此为了节约计算资源，将综合管廊模型长度选为4 m进行建模，计算模型的截面尺寸为3.0 m×3.1 m，见图1。有研究表明，选用0.05 m尺寸的单元网格大小可以满足计算精度，故本研究计算模型共划分为210 800个网格。电缆桥架一般为不可燃烧的金属材质，金属桥架本身对火灾发展的影响较小，因此本模型忽略电缆金属桥架的设置，仅以电缆间隔作为桥架间距。由于电缆火灾中可燃物主要为PVC护套，所以本研究将电缆简化为PVC护套。PVC护套的热物性参数和反应路径参数分别见表1和表2。值得注意的是，为满足网格对齐特性，建模过程中将110 kV电缆和220 kV电缆设为统一规格大小，但根据两种电缆不同的实际可燃物体积，分别设置了厚度为2.60 mm和4.18 mm的可燃物表面。

图1 综合管廊电缆火灾模型设计图Fig.1 Design drawing of the cable fire model in utility tunnels注：图中A、B、C、D含义及取值见表3

表1 综合管廊电缆火灾模型中PVC护套的热物性参数设置Table 1 Thermophysical parameter setting of cable fire model materials in utility tunnels

表2 综合管廊电缆火灾模型中PVC护套的反应路径参数设置Table 2 Parameter settings of reaction path of cable fire model in utility tunnels

此次模拟采用高压细水雾灭火系统对综合管廊电缆火灾进行灭火，细水雾灭火器喷头参数选择FDS自带的商用喷头，喷头响应温度为57℃，当一个喷头响应时，其他喷头一起动作。常见的电缆起火原因为线路短路，故本文采用heater热源加热电缆来模拟电缆短路起火，起火电缆位于底层靠近墙体的第一根电缆，位置位于中心1 m的范围内(见图1)；火源设置于相邻两喷头的中间，从而形成了火源上下游对称布置的物理场景，便于下文的结果分析，前人研究也通常采用这种设置方法。

1.2 电缆火灾工况设计

为了考察喷头间距、110 kV电缆横向间距、220 kV电缆横向间距和桥架间距对综合管廊电缆火灾细水雾灭火效果的影响，共设置了9种组合工况，对应的喷头启动时间、灭火时间和着火电缆长度也一并统计汇总于表3。为更便于同变量不同工况对照组之间参数的比对，表中将“0”工况进行了重复排列。此外，需要注意的是，火源设置于相邻两喷头的中间，因此喷头间距的二分之一即为火源距其最近喷头的距离，为了便于应用本文结论，特采用喷头间距作为研究变量，使其与消防设计规范中的术语一致。

表3 综合管廊电缆火灾工况设计表Table 3 Design table of simulation cases of cable fire in utility tunnels

2 结果与分析

2.1 喷头的启动时间分析

2.1.1 不同喷头间距布置下喷头的启动时间分析

不同喷头间距布置下(不同火源距其最近喷头距离)喷头的启动时间，见图2。

图2 不同喷头间距布置下喷头的启动时间Fig.2 Activation time of a sprinkler under different sprinkler spacing arrangement

由图2可见，在研究的范围内，随着喷头间距的增大，喷头的启动时间有减小的趋势。

为了研究此规律产生的原因，在与喷头同等高度处每隔0.2 m设置1个热电偶监测点共设置9个监测点(THCP01～THCP09)，用于监测烟气流动过程中温度的变化。喷头启动前不同监测点的温度变化曲线，见图3。

图3 喷头启动前不同监测点的温度变化曲线Fig.3 Temperature changes at different measuring points before a sprinkler starts

由图3可见，存在一个临界时间点使得温度变化趋势发生改变：在到达临界时间点前，与火源距离越近的监测点温度越高；到达临界时间点后，与火源距离越远的监测点温度越高。这与隧道火灾中观测到的水跃现象类似，因此其温度变化规律也可以解释为：到达临界时间点前，烟气正常流动，烟气与壁面的热对流和对空气的热辐射将产生热损失，随着运动距离的增加，热损失增加，所以距离火源越远的监测点温度越低；到达临界时间点后，由于水跃现象的产生，导致烟气在较远的监测点处聚集(见图4)。

图4 烟气水跃现象覆盖喷头情况示意图Fig.4 Schematic diagram of flue gas density jump covering a sprinkler

由于喷头需要一定时间升温至启动温度，烟气正常流动阶段的温度不足以触发喷头的感温组件，因此水跃现象产生阶段的温度大小对于喷头启动的作用更加明显。而喷头间距较大时，喷头处于烟气卷吸区域，因此温度更高，所以喷头启动时间越短。

2.1.2 不同110 kV电缆横向间距布置下喷头的启动时间分析

不同110 kV电缆横向间距布置下喷头的启动时间，见图5。

由图5可见，随着110 kV电缆横向间距的增加，喷头的启动时间总体上呈上升趋势。结合不同110 kV电缆横向间距下的温度切片图(见图6)可以发现，当110 kV电缆横向间距从0.25 m增加至0.35 m时，由于220 kV电缆横向间距是定值,110 kV电缆横向间距的增加会导致下层电缆燃烧的气体被分流，使部分烟气朝向走廊中心，导致烟气更快地到达喷头，喷头的启动时间轻微下降；但当110 kV电缆横向间距达到0.45 mm时，这种分流现象消失，由于110 kV电缆与火源的距离增大，火灾的横向蔓延速度变慢，喷头的启动时间再次增大。由于烟气导流现象导致的喷头启动时间下降这一现象并不明显，因此这里只考虑电缆横向间距增加引起喷头启动时间增大的规律。

图5 不同110 kV电缆横向间距布置下喷头的启动时间Fig.5 Activation time of a sprinkler under different hori- zontal spacing of 110 kV cable arrangement

图6 不同110 kV电缆横向间距布置下的温度切片图(A=1.75 m，C=0.45 m，D=0.3 m)Fig.6 Temperature slice diagram at different horizonital spacing of 110 kV cable(A=1.75 m，C=0.45 m，D=0.3 m)

不同110 kV电缆横向间距布置下电缆燃烧的热释放速率变化曲线，见图7。

图7 不同110 kV电缆横向间距布置下电缆燃烧的热释放速率变化曲线(A=1.75 m，C=0.45 m，D=0.3 m)Fig.7 Heat release rates of cable fire for different harizontal spacing of 110 kV cable(A=1.75 m， C=0.45 m，D=0.3 m)

由图7可见，随着110 kV电缆横向间距的增加，电缆燃烧的热释放速率逐渐减小。这一规律表明，110 kV电缆横向间距的增加会阻碍火灾的发展，使喷头的启动时间变长。

2.1.3 不同220 kV电缆横向间距布置下喷头的启动时间分析

不同220 kV电缆横向间距布置下喷头的启动时间，见图8。

图8 不同220 kV电缆横向间距布置下喷头的启动时间Fig.8 Activation time of a sprinkler under different horizontal spacing of 220 kV cable

由图8可见,在其他参数一定的情况下，喷头的启动时间随着220 kV电缆横向间距的增加而增大。

不同220 kV电缆横向间距布置下电缆燃烧的热释放速率变化曲线，见图9。

图9 不同220 kV电缆横向间距布置下电缆燃烧的热释放速率变化曲线(A=1.75 m，B=0.35 m，D=0.3 m)Fig.9 Heat release rates of cable fire for different horizontal spacing of 220 kV cable (A=1.75 m，B=0.35 m，D=0.3 m)

由图9可见,随着220 kV电缆横向间距的增加，电缆燃烧的热释放速率逐渐减小。分析其原因是：当220 kV电缆的横向间距增加时，所受辐射热量减小，火灾的横向蔓延速率减小，导致火灾发展时间变长，烟气升温速率变低,故喷头的启动时间变长。

2.1.4 不同电缆桥架间距布置下喷头的启动时间分析

不同电缆桥架间距布置下喷头的启动时间，见图10。

图10 不同电缆桥架间距布置下喷头的启动时间Fig.10 Activation time of a sprinkler under different cable bridge spacing

由图10可见，喷头的启动时间随着电缆桥架间距的增加而增大。

不同电缆桥架间距布置下电缆燃烧的热释放速率变化曲线，见图11。

由图11可见，当电缆桥架间距为0.4 m时，电缆燃烧的热释放速率大于电缆桥架间距为0.3 m时电缆燃烧的热释放速率，因此喷头的启动时间减小。然而，不同于110 kV及220 kV电缆横向间距对喷头启动时间的影响机制,电缆桥架间距增加影响的是火灾的垂直发展，使其蔓延速度减小、火势减小，并影响烟气升温速率，从而导致喷头的启动时间增加。

图11 不同电缆桥架间距布置下电缆燃烧的热释放速率变化曲线(A=1.75 m，B=0.35 m，C=0.45 m)Fig.11 Heat release rates of cable fire for different cable bridge spacing(A=1.75 m，B=0.35 m， C=0.45 m)

2.2 灭火时间分析

灭火时间是指喷头启动后至火焰熄灭的时间。不同喷头间距、110 kV电缆横向间距、220 kV电缆横向间距和电缆桥架间距对灭火时间的影响，见图12。

图12 不同喷头间距、110 kV电缆横向间距、220 kV电缆横向间距和电缆桥架间距对灭火时间的影响Fig.12 Fire extinguishing time under different spacing arrangement

由图12可见，随着喷头间距的增加，灭火时间呈现出减小的趋势；而随着110 kV电缆横向间距、220 kV电缆横向间距和电缆桥架间距的增加，灭火时间总体上呈现出增大的趋势。这与第2.1节中喷头的启动时间分析结果相对应，说明喷头的启动时间越长的布置方案也会导致灭火时间增加。由于所有工况的灭火时间差异较小，故对其影响原因不再赘述。

2.3 着火电缆长度分析

不同喷头间距、110 kV电缆横向间距、220 kV电缆横向间距和电缆桥架间距对着火电缆长度的影响，见图13。

图13 不同喷头间距、110 kV电缆横向间距、220 kV电缆横向间距和电缆桥架间距对着火电缆长度的影响Fig.13 Burned length of cables in different spacing arrangement

由图13可见，随着喷头间距、110 kV电缆横向间距、220 kV电缆横向间距和电缆桥架间距的增加，着火电缆长度几乎都呈现出减小的趋势。对于不同喷头间距的对照组工况，由于电缆间距设置相同，所以着火电缆长度差异的来源不是电缆燃烧速度，而是燃烧时间的差异。如第2.1节所述，喷头间距越大时，由于水跃现象的出现，喷头的启动时间越短，相应地电缆燃烧时间就越短，着火电缆长度也就越短。

通过分析图7、图9和图11可知，110 kV电缆横向间距、220 kV电缆横向间距和电缆桥架间距越大，电缆燃烧的热释放速率越小，火势的发展受阻，故着火电缆长度减小。但值得注意的是，110 kV电缆横向间距和220 kV电缆横向间距的变化对于着火电缆长度的影响甚微，而随着电缆桥架间距的变化，不同工况的着火电缆长度变化却非常明显。为了探究其原因，分别在离火源相同距离的两根电缆的垂直方向和横向方向上布置了热电偶，检测不同方向上电缆表面的升温速率，其检测结果见图14。

图14 不同方向上电缆表面温度的变化曲线Fig.14 Diagram of cable surface temperature changes in different directions

由图14可见，在相同的电缆横向间距下，垂直方向上电缆表面的升温速率更快，即火灾在垂直方向蔓延速度更快，因此当电缆桥架间距不同时，着火电缆长度相差较大。

3 结 论

本文采用火灾动力学模拟软件(FDS)研究了细水雾喷头间距、110 kV电缆横向间距、220 kV电缆横向间距和电缆桥架间距对综合管廊电缆火灾细水雾灭火效果的影响，得到主要结论归纳如下：

(1) 喷头的启动时间随着喷头间距的增加而减小，随着110 kV电缆横向间距、220 kV电缆横向间距和电缆桥架间距的增加而增大。

(2) 喷头启动时间越长的布置方案，其所需的灭火时间也会相应地增加。

(3) 着火电缆长度随着喷头间距、110 kV电缆横向间距、220 kV电缆横向间距和电缆桥架间距的增加而减小。