L型管廊电缆舱火灾模拟分析

肖峻峰，庄裕林，郑飞虎，胡 楠

安徽建筑大学 建筑健康监测及灾害预防技术国家地方联合工程实验室，安徽 合肥 230601

近年来，随着社会经济不断发展，城市地下综合管廊建设不断推进，为适应地形及管廊自身结构形式的需要，出现了十字型、U型、L型等管廊。L型管廊因其拐点结构的特殊性，一旦发生火灾，烟气容易在拐点处聚集，给管廊本身造成巨大破坏的同时，还会给人员逃生以及救援带来很大困难[1-3]。因此，对L型管廊火灾发展规律进行研究具有重要意义。目前，国内学者对管廊火灾的研究主要为狭长受限管廊。王璞潘等[4]通过试验，杨永斌[5]、杨丰西[6]、翟越等[7]通过数值模拟方法对地下综合管廊火灾进行研究，得出不同火源位置影响因素下管廊温度场变化规律。雷蕾[8]通过数值模拟，刘海静等[9]、张晋等[10]通过试验方法，得出狭长受限空间管廊在通风因素影响下，温度场变化规律。赵永昌等[11]通过建立小尺寸综合管廊模型，用模拟方法得出不同火灾功率下管廊中烟气及温度的变化规律。但是，针对L型综合管廊各因素下火灾烟气变化规律的研究较少。本文利用PyroSim软件建立L型管廊电缆舱模型，探究火源位置、火源功率、出口风速对管廊火灾的能见度、温度、CO浓度的影响，为地下综合管廊消防设计与防灭火技术实施提供参考。

1 模型建立

1.1 几何模型

以某地下L型管廊电缆舱为例，利用PyroSim建立全尺寸模型。该模型长为200 m，分为2段，每段长为100 m，连接部位为90°，截面尺寸为2.6 m×3.0 m(宽×高)，管廊电缆舱室左右两侧各为6层10 kV电缆，上下层电缆的间距为0.3 m，最底层电缆距底部的净距为0.28 m。电缆舱模型如图1所示。

图1 电缆舱模型示意图

1.2 网格设置

网格大小取火源特征直径的0.1～0.25倍较为合适，火源特征直径由式(1)计算[12]。

(1)

式中，D*为火源特征直径，m；Q为火灾燃烧热释放速率，kW；ρ∞为环境空气密度，kg·m-3；Cp为空气比热容，J·kg-1·K-1；T∞为环境温度，K；g为重力加速度，m·s-2。

模型中设置火源热释放速率为1.5,3,4.5 MW，空气密度为1.29 kg·m-3，环境温度为293 K，空气比热容为1 005 J·kg-1·K-1，重力加速度为9.81 m·s-2，环境压力为1 001.3 kPa，相对湿度为40%，边界条件为混凝土。经计算得出网格尺寸为0.2 m×0.2 m×0.2 m，网格总数为192 465。

1.3 火源设置

电缆舱主要燃烧物为电缆，且空间较为狭窄，一般为小型火，所以将火源功率分别设置为1.5,3,4.5 MW。火源位置均设置在最底层电缆下方，但所处纵向位置不同，位置1在L型管廊一侧端部靠近进风口一侧，距坐标原点的距离为1 m，位置2在L型管廊一侧中部，距坐标原点的距离为50 m，位置3在管廊拐点处，距坐标原点的距离为99 m，如图1所示。模拟时间为360 s。

1.4 电缆设置

电力电缆可燃烧部分通常是由PVC和PE材料组成的结构层，模型中电缆由PVC和PE材料按照6︰4比例混合，采用单层铺设，其厚度为0.08 m，电缆在温度达到250 ℃时被点燃，燃烧满足非稳态模型，按t2快速增长，材料参数如表1所示。

表1 材料参数

1.5 风口设置

《城市综合管廊工程技术规范》(GB 50838—2015)规定，综合管廊电缆舱室的通风方式应采用自然进风和机械排风相结合的方式[13]。在L型管廊两端顶部各设置1个面积为1 m2的自然进风口和机械出风口，出风口风速分别设置为2,3,5 m·s-1。

2 模拟工况设置

2.1 工况设计

为研究火源位置、火源功率、出口风速对L型管廊电缆舱火灾的影响，共设置7个工况，见表2。

表2 模拟工况

2.2 测点布置

在管廊中部1.8 m高度处沿管廊纵向每隔10 m分别设置CO浓度、温度、能见度测点，在测点沿高度方向每隔0.6 m分别设置CO浓度、温度、能见度3种参数电偶。

3 模拟结果分析

3.1 不同火源位置的影响分析

图2为火源功率3 MW，出口风速2 m·s-1，不同火源位置下沿管廊纵向T=180 s时能见度切片。从图中可以看出，不同火源位置下能见度都出现明显分层现象，距离火源较近的区域上层能见度首先降至几乎为零，随后距离火源较远处的上层能见度开始下降，中层能见度虽有所下降，但仍在10 m以上，下层能见度保持在30 m范围。但当烟气蔓延至拐点处时，能见度低于10 m的区域变大，说明在此处出现烟气下沉聚集现象。对比图2(a)与(b)还可以看出，火源离拐点越远，烟气到达拐点时造成能见度下降越明显，能见度低于10 m的区域也越大。

图2 不同火源位置下管廊能见度切片

图3为火源功率3 MW，出口风速2 m·s-1，不同火源位置T=300 s时沿管廊纵向1.8 m高度处温度变化情况。从图中可以看出，沿管廊纵向距离火源位置越远，相对温度越低。火源位于端部和中部时，拐点处温度变化出现了转折，此时火源位置距离拐点较远，火源热辐射对此处的影响为非主导作用，说明受到了烟气对流传热的影响，烟气在拐点处出现了聚集，导致局部温度升高。从图中还可知，火源位于位置2时，管廊中温度高于60 ℃的区域范围更广，说明此位置发生火灾危险性更大。

图3 不同火源位置下管廊温度变化曲线

图4为火源功率3 MW，出口风速2 m·s-1，不同火源位置T=300 s时沿管廊纵向1.8 m高度处CO浓度变化情况。从图中可以看出，火源处CO浓度相对较高，沿管廊纵向，距离火源较远处的CO浓度较低，但曲线在拐点处出现转折，说明CO在拐点处也出现了聚集现象。从图中还可知，火源位于位置2时，CO浓度超过250 ppm的测点数量更多，进一步说明此位置发生火灾时危险性更大。

图4 不同火源位置下管廊CO浓度变化曲线

3.2 不同火源功率的影响分析

图5为火源位于管廊中部，出口风速2 m·s-1，火源功率分别为1.5 MW、4.5 MW，在T=180 s时Y=1.4 m和X=98.8 m处能见度切片。从图中可知，能见度同样出现了分层现象，上层能见度最先出现低于10 m的情况，下层及距离火源较远处能见度处于安全标准以上，在拐点处出现了能见度低于其周围的情况，说明烟气在拐点有聚集现象。与图2(b)对比还可以发现，火源功率由1.5 MW增至4.5 MW时，能见度大于10 m的范围有所减少。且随着火源功率的增加，拐点能见度明显下降，说明火源功率越大，对管廊能见度影响也越大，尤其对拐点处能见度的影响更加明显。

图5 不同火源功率下管廊能见度切片

图6为火源位于管廊中部，出口风速2 m·s-1，不同火源功率在T=300 s时沿管廊纵向高度1.8 m处温度变化情况。从图中可以看出，三种工况下，沿管廊纵向距离火源位置越远，温度越低，但火源功率由1.5 MW增至4.5 MW的过程中，拐点处温度由60 ℃升高至132 ℃，说明随着火源功率的增大，烟气在拐点处的聚集现象越明显，温度上升更高。从图中还可知，沿管廊纵向各个测点的温度随着火源功率的增大都有所增大，说明随着火源功率的增大，在相同时间内有更多的电缆被点燃，进而造成管廊温度增高。

图6 不同火源功率下管廊温度变化曲线

图7为火源位于管廊中部，出口风速2 m·s-1，不同火源功率下拐点高度为1.8 m处CO浓度变化曲线。从图中可以看出，火源功率为1.5 MW时，拐点处CO浓度在100 s时开始增大，但增长较为缓慢，在360 s时，拐点处CO浓度为145 ppm；火源功率为3 MW时，拐点处CO浓度在90 s时开始增大，相较于火源功率为1.5 MW时，CO浓度增长速度有所增加；火源功率为4.5 MW时，拐点处CO浓度在80 s时开始增大，且相比于其他两种火源功率，CO浓度增长速度更快，在360 s时，浓度达到了530 ppm。结果表明，随着火源功率增大，管廊中烟气生成速率及蔓延速度增大，对管廊的影响也增大。

图7 不同火源功率下拐点处CO浓度变化曲线

3.3 不同出口风速的影响分析

图8为火源位于管廊中部，火源功率3 MW，不同出口风速在T=180 s时Y=1.4 m和X=98.8 m处能见度切片。与图2(b)对比可发现，风速由2 m·s-1增至5 m·s-1时，能见度大于10 m的区域在火源上游呈现增大趋势，但在火源下游却呈现减小趋势。这是由于向上游蔓延的烟气受到火风压和通风的作用力是相反的，风速越大，受到阻碍作用越大，烟气向上游蔓延越困难，从而上游能见度越好；向下游蔓延的烟气受到火风压和通风作用力的相互促进，蔓延速度更快，从而下游能见度较差。

图8 不同出口风速下管廊能见度切片

图9为火源位于管廊中部，火源功率3 MW，不同出口风速下沿管廊纵向1.8 m高度处温度变化曲线。从图中可以看出，三种工况下，距离火源位置越远，温度越低，但在拐点处都出现了温度升高现象。风速由2 m·s-1增至3 m·s-1时，除火源附近外，其他各测点温度均有所增加，这是由于新风的注入，增加了管廊的含氧量，促进了电缆燃烧，进而导致温度升高，说明风速由2 m·s-1增至3 m·s-1时对管廊的影响较为不利。而当风速增至5 m·s-1时，管廊中各测点温度较其他两种风速下都有所下降，这是由于风速的进一步增大，使得温度较低的更多空气进入管廊，对管廊温度的影响较为有利。结果表明，风速对管廊温度的影响主要有两种：一是新风注入增加了管廊的氧气含量，促进了火灾发展；二是温度较低的新风补入，会降低火场温度。

图9 不同出口风速下管廊温度变化曲线

图10为火源位于管廊中部，火源功率3 MW，不同出口风速下拐点1.8 m高度处CO浓度变化曲线。从图中可知，风速为5 m·s-1时，拐点出现CO浓度上升的时间最早，为75 s，说明随着风速增大，烟气向火源下游蔓延的速度有所加快。三种出口风速下，拐点处CO浓度最高值分别为348,342,247 ppm，随着出口风速的增大，拐点处最高CO浓度随之减小。说明风速的增加，一方面使更多空气进入管廊中，从而对CO进行稀释，使得浓度有所降低，另一方面出口风速的增加，CO排出量也会有所增加，对管廊CO浓度的控制较为有利。

4 结论

4.1 在火源功率和出口风速相同条件下，不同火源位置对L型管廊烟气蔓延的影响有所不同。沿管廊纵向距离火源越远，能见度越高、温度和CO浓度越低，而在拐点处出现能见度降低、温度和CO浓度升高的现象，烟气在拐点处出现聚集，且火源位于管廊一侧中部时对管廊的影响较其他两个位置大。

4.2 在火源位置和出口风速相同时，火源功率的增大，加速了电缆燃烧，功率越大，整个管廊中能见度下降越快，温度和CO浓度升高越快，火灾危险性也越大，尤其对拐点的影响更加严重。

图10 不同出口风速下拐点处CO浓度变化曲线

4.3 在火源位置和功率相同时，出口风速的增大，对L型管廊上游能见度的影响较为有利，风速越大，烟气向上游蔓延的速度就会越小，能见度越高，但对火源下游的能见度较为不利；风速由2 m·s-1增至3 m·s-1时，管廊温度升高，火灾危险性增大；风速为5 m·s-1时，管廊温度、CO浓度比小风速下有所降低，对管廊火灾烟气控制较为有利。