封堵条件下管廊温度场与烟气流动规律研究

梁凯 张思源 安伟光 蓝美娟 王景鑫

(1.浙江安防职业技术学院 浙江温州 325016； 2.中国矿业大学安全工程学院 江苏徐州 221116； 3.中国矿业大学江苏省城市地下空间火灾防护高校重点实验室 江苏徐州 221116)

0 引言

综合管廊，又称为综合管沟或共同沟，指建于城市地下用于容纳两类及以上城市工程管线的构筑物及附属设施，现在已成为各大城市的重要基础设施和“生命线”[1]。由于综合管廊处于较为封闭的城市地下空间，一旦发生火灾，烟气与高温环境使得综合管廊的火灾危险性增大，极易造成重大城市危害。严恩泽等[2]建立L型结构地下管廊火灾数值模型，分析了廊道内L型拐点的烟气积聚效应及廊道温度分布规律。赵永昌等[3]建立1∶3.6小尺寸管廊模型，运用实验和数值模拟结合来探究火灾发生后的廊道温度场分布及烟气流动规律。刘浩男等[4]利用FDS软件建立了小尺寸管廊模型，分析了不同风速条件下管廊火灾烟气蔓延情况。安伟光等[5]建立L型管廊模型，研究了火源特性和通风条件对管廊烟气蔓延及温度变化的影响规律。AMOUZANDEH A等[6]利用CFD模拟软件，研究了在不同通风条件下拱形和矩形管廊截面对火灾温度场的影响。CALIENDO C等[7]研究了火源位置、纵向通风量对隧道烟气温度、能见度及有毒气体浓度的影响。梁震寰等[8]研究了综合管廊内线型火源烟气温度场变化规律，得出管廊内横向温度分布存在分界点，在分界点两侧，横向温度大致呈线性分布。

综上研究，关于综合管廊火灾模拟研究多集中在火灾发生后烟气流动及温度场分布规律等方面，考虑因素较为单一，主要集中在火源位置与纵向风速两个因素，尚未有端口封堵结构因素对管廊烟气流动及温度场分布的影响研究。因此，根据实际实物管廊，利用FDS软件建立全尺寸油池火模型，研究端口封堵因素对管廊内烟气流动及温度场分布的影响规律，为城市综合管廊的消防设计提供参考性依据。

1 综合管廊火灾模型

1.1 管廊模型

根据城市地下综合管廊实物以及《城市综合管廊工程技术规范》[9]规定，建立城市地下综合管廊模型，如图1所示。综合管廊模型的长、宽、高分别为10、3、3 m，通风模式为自然通风。

图1 管廊模型示意

1.2 参数设置

综合管廊的模拟参数如表1所示，火灾荷载设置为汽油油池火，为了贴近实际火灾场景，火灾类型为t2非稳态增长模式，在10 s后达到最大火源功率，模拟时间为300 s，管廊材料为混凝土，管廊两端设置有端口，火源功率300 kW。

数值模拟考虑的工况参数为管廊端口(a、b)的封堵结构因子(本文指端口封堵面积与端口面积之比)大小，封堵率依次为0、0.2、0.4、0.6、0.8。

表1 模拟参数设置

1.3 测点设置

管廊测点布置如图2所示。热电偶温度测点共计15处，每个测点由顶棚至下设置11个热电偶，上下热电偶之间间距0.15 m。以火源正上方中心处作为起始参考点，纵向设置若干烟气层高度测量装置，相邻之间间距1.0 m。热流测量平面分别设置在x=1.0、9.0 m处顶棚中心位置，烟气能见度二维切片设置在z=2.0 m，温度二维切片设置在y=0.01、1.0 m。

图2 测点布置示意

2 模拟结果与分析

2.1 温度场分析

不同封堵条件下不同位置处管廊顶棚温度随时间的变化曲线如图3所示。当管廊端口封堵的情况下，顶棚温度呈增大趋势。对比发现，当封堵结构因子为0～0.4时，火源处#t0(火源中心正上方)与近火源点#t1的温升变化幅度较小，温升变化趋势基本一致，当封堵结构因子为0.6、0.8时，#t0与#t1的温升变化幅度增大，距离火源中心参考点#t0越远，顶棚温升变化幅度越明显，这是由于封堵阻碍烟气流动加剧了烟气在管廊空间的聚集，高温烟气与顶棚壁面进行大量对流换热使得温升变化显著，封堵结构因子越大(即端口封堵面积越大)，顶棚温度越高。

(a)#t0

(b)#t1

(c)#t3

(d)#t5

计算250～300 s稳定时间段#t1、#t3、#t5的平均温度，其与封堵结构因子的拟合关系如图4所示，拟合系数均大于0.98，因此可以得出：随着管廊端口结构因子的增大，管廊内顶棚温度呈线性增加趋势。

图4 顶棚温度平均值与封堵结构因子的拟合

同一时刻、不同封堵条件下y=0.01、1.0 m处二维平面温度切片如图5所示，其中y=0.01 m代表管廊壁面，y=1.0 m代表管廊空间平面。对比发现，随着端口封堵结构因子的增大，壁面与廊道空间内温度变化范围逐渐扩大，高温烟气层与冷空气层之间的分界面高度下降。此外，相比而言，管廊壁面的温度变化区域比廊道内部更大，当封堵结构因子为0、0.2时较为显著，随着封堵结构因子的继续增大，壁面与廊道内温度变化区域基本相同，差别在于高温区域的变化范围大小方面，壁面处高温变化区域相比廊道空间更大。各工况条件下，管廊壁面及廊道内的最高温度可达220 ℃，最低温度为60 ℃左右。

(a)封堵结构因子0,y=0.01 m (b)封堵结构因子0,y=1 m (c)封堵结构因子0.2,y=0.01 m

(d)封堵结构因子0.2,y=1 m (e)封堵结构因子0.4,y=0.01 m (f)封堵结构因子0.4,y=1 m

2.2 烟气流动特性分析

不同封堵条件下近火源与远火源测点的烟气层高度随时间的变化曲线如图6所示,近火源测点为#Layer1、#Layer2，远火源测点为#Layer3、#Layer5。火灾发展初期，烟气撞击顶棚后纵向在管廊空间内扩散，烟气层高度逐渐下降。当管廊端口未封堵(即封堵结构因子为0)时，由于火源燃烧卷吸空气量较多，产生烟气速率增大，烟气层高度下降的速率相比端口封堵工况下更快。火灾发展中期，管廊内烟气纵向一维流动，逐渐积聚下沉，烟气层高度迅速下降，当封堵结构因子越大，烟气层高度下降的速率越快，远火源测点的烟气层高度变化出现峰值，这是由于封堵导致烟气在该位置空间开始出现聚集现象[10]。火灾发展稳定期，管廊空间内烟气层高度变化缓慢，烟气层高度变化趋于稳定，烟气层高度随着端口封堵结构因子的增大而逐渐降低，见图7。

(a)#Layer1

(b)#Layer2

(c)#Layer3

(d)#Layer5

图7 管廊内无量纲烟气层高度变化趋势拟合

不同时刻下高度z=2 m处的烟气能见度切片云图如图8所示。当管廊端口未封堵时(封堵结构因子为0)，烟气仅在管廊内部呈现一维扩散流动状态，管廊壁面一侧及火源正上方的能见度始终保持最低。当封堵结构因子为0.2时，相同时刻下，z=2 m平面的烟气能见度均小于8 m，火源正上方部分区域的烟气能见度维持在17～23 m。当封堵结构因子为0.4、0.6、0.8时，烟气流动状态相似，烟气撞击顶棚后扩散流动，撞击侧壁后沿管廊纵向一维扩散，受端口封堵障碍物的阻碍作用下反向回流，与火源处烟气混合后形成稳定的烟气层。在9 s时，高度2 m平面上墙壁一侧与火源正上方的烟气能见度最低，烟气能见度均小于5 m，在15 s时，由于烟气扩散流动过程中端口受封堵的阻碍影响，较多烟气开始聚集端口，端口侧烟气能见度逐渐下降，部分烟气反弹回流导致此平面其他区域烟气能见度加速下降。在22 s时，烟气回流与火源处产生的烟气混合，此时该高度平面的烟气能见度达到最低值，z=2 m处的管廊烟气能见度均小于2 m。

(a)封堵结构因子0(从左到右分别为30、120、220 s)

(b)封堵结构因子0.2(从左到右分别为30、120、220 s)

(c)封堵结构因子0.4(从左到右分别为9、15、22 s)

3 结论

(1)管廊端口封堵阻碍烟气流动加剧了烟气在管廊空间的聚集，高温烟气与顶棚壁面进行大量对流换热使得管廊内温度场变化显著，封堵结构因子越大，顶棚温度越高，通过拟合得出：随着管廊端口结构因子的增大，管廊内顶棚温度呈线性增加趋势。

(2)随着端口封堵结构因子的增大，壁面与廊道空间内温度变化范围逐渐扩大，管廊壁面的温度变化区域比廊道内部大，当封堵结构因子为0、0.2时较为显著，随着封堵结构因子的继续增大，壁面与廊道内温度变化区域基本相同，差别在于壁面处高温变化区域相比廊道空间更大。

(3)随着管廊封堵结构因子的增大，烟气层高度随着端口封堵结构因子的增大而逐渐降低，无量纲烟气层高度呈一次函数线性趋势减小。