城市地下綜合管廊火災(zāi)煙氣溫度場研究

趙永昌１，２，３，朱國慶１，２，３，高云驥１，２，３

（１．中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇徐州２２１１１６；

２．中國礦業(yè)大學(xué)煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點實驗室，江蘇徐州２２１１１６；

３．中國礦業(yè)大學(xué)消防工程研究所，江蘇徐州２２１１１６）

摘　要：為研究綜合管廊電力艙室內(nèi)火災(zāi)初期溫度場特征，建立1:3.6小尺寸綜合管廊模型，通過改變盛放汽油盤的大小改變火源功率，進行油池火火災(zāi)實驗。運用Origin軟件對溫度數(shù)據(jù)進行分析，得到煙氣溫度與距離的衰減經(jīng)驗公式；運用FDS軟件對與實驗相同工況下的幾何模型進行計算機模擬，以驗證FDS模擬結(jié)果準(zhǔn)確性。實驗結(jié)果表明：不同火源功率下，煙氣溫度均呈現(xiàn)冪函數(shù)衰減；火源功率較大時，溫度衰減梯度也較大；對距火源0.3m處垂直方向上煙氣溫度進行分析得知，火災(zāi)煙氣蔓延過程中存在煙氣分層現(xiàn)象。通過FDS模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比，得出兩者結(jié)果較為相近。

關(guān)鍵詞：地下綜合管廊；油池火；Origin;FDS;火災(zāi)煙氣；溫度場；火災(zāi)實驗；數(shù)值模擬

中圖分類號：X913.4，TK121，TU990.3　文獻標(biāo)志碼：Ａ

文章編號：1009-0029(2017)01-0037-04

綜合管廊內(nèi)部存在大量管線，一旦發(fā)生火災(zāi)事故易導(dǎo)致火勢迅速擴大。伴隨著火勢增長，不完全燃燒產(chǎn)生的大量高溫有毒有害氣體會在管廊內(nèi)部迅速蔓延，增加救援難度。因此，結(jié)合火災(zāi)的嚴(yán)重性及綜合管廊的特殊性，研究地下綜合管廊內(nèi)部火災(zāi)煙氣溫度場特性可為相關(guān)規(guī)范制定及地下綜合管廊火災(zāi)防治提供參考。

林俊等人基于FDS數(shù)值模擬軟件，對熱釋放速率恒定情況下不同通風(fēng)風(fēng)速和防火分區(qū)長度對火災(zāi)煙氣溫度、蔓延速度、濃度及能見度的影響進行研究，并針對綜合管廊內(nèi)防火分區(qū)的劃分提出建議；李文婷分析電纜火災(zāi)原因，測量電纜質(zhì)量損失速率和熱釋放速率參數(shù)，運用FDS軟件進行數(shù)值模擬，對綜合管廊電纜火災(zāi)煙氣擴散和溫度變化進行研究；Kim HS等人運用CFD數(shù)值模擬軟件，建立以體積熱源為火源的圓形和矩形綜合管廊模型，對煙氣溫度、空氣流速及煙氣流量進行對比分析，得知圓形綜合管廊模型煙氣溫度高于矩形。

筆者在隧道模型基礎(chǔ)上搭建了1:3.6的小尺寸綜合管廊實體模型，通過油池火試驗，對電力艙室火災(zāi)初期溫度場特征進行研究；并利用ＦＤＳ模擬進行對比分析。

1綜合管廊火災(zāi)模型試驗

1.1小尺寸試驗?zāi)Ｐ?/span>

以某綜合管廊為研究背景，其內(nèi)徑為5.4m，形狀為圓形。實體模型由5段分別為2m且相同材質(zhì)的混凝土空圓柱體緊湊拼接而成；空心圓柱體外徑為1.8m，內(nèi)徑為1.5m。由于電力艙室僅占綜合管廊內(nèi)部約1/4區(qū)域，因此小尺寸電力艙室模型所占區(qū)域設(shè)為空心圓柱體的1/4區(qū)域，如圖１所示。

                          圖1　小尺寸模型示意圖

1.2　熱電偶布置

綜合管廊電力艙室模型總長度為10m。圖2為各熱電偶位置示意圖。由于熱電偶布置較多，在縱向上僅列出火源一側(cè)熱電偶溫度測點。其中，A點位于距模型開口0.5m處，且為火源正上方溫度測點。A、B、C、D、E、F、G各測點中，相鄰兩測點間距為0.5m，其余位置間距為1.0m。距火源0.3m處布置垂直熱電偶樹，相鄰兩只熱電偶的間距為0.15m。

1.3火源熱釋放速率的確定

由于燃料自身和外界環(huán)境的影響，燃料不可能完全燃燒，此時需要考慮燃料燃燒效率。筆者運用氧耗原理，利用錐形量熱儀測得油池火熱釋放速率和燃料質(zhì)量損失速率，得到燃燒效率為０．７８。通過改變盛放汽油盤的大小改變火源功率，火源功率通過測量燃料燃燒的熱質(zhì)量損失得到，計算公式見式（1）。

式中：Q為火源熱釋放速率，KW;m為燃料質(zhì)量損失速率，kg/s；η為燃料燃燒效率；ΔH為燃燒熱值，KJ/Kg，取KJ/Kg。試驗過程中相關(guān)參數(shù)，如表１所示。

1.4結(jié)果與分析

1.4.1　溫度場縱向分布

火源功率的改變對綜合管廊內(nèi)溫度場影響很大。為詳細(xì)研究不同火源功率時穩(wěn)定期煙氣溫度分布，分別對200~400s不同測點處煙氣溫度求平均值，測點平均溫度如表2所示。由表2可知，電力艙室頂部溫度隨著火源功率增大而增加；但相距火源越遠(yuǎn)處，不同火源功率對應(yīng)的溫度差值越小。當(dāng)火源功率較大時，距離火源中心越近溫度梯度越大，這主要是因為火源附近熱輻射損失較大，導(dǎo)致溫度下降較快。

對不同火源功率下的煙氣溫度與距火源的距離進行繪圖，并采用冪函數(shù)進行擬合，如圖3所示。從圖3可知，冪函數(shù)可以較好地擬合煙氣溫度隨距離的衰減情況，因此電力艙室頂部溫度呈冪函數(shù)衰減。

圖3中，對火源功率為90、70、53KW時煙氣溫度縱38向分布進行擬合，得到熱電偶溫度與距離的指數(shù)函數(shù)表達(dá)式，見式（2）～式（4）

擬合均方差分別為0.996、0.987、0.988，該值越接近１，說明方程擬合度越高。由此得知，該階段煙氣溫度與距離擬合結(jié)果較為理想。從式（2）～式（2）可知，隨著火源功率增加，煙氣溫度衰減速度逐漸增加。對表2中數(shù)據(jù)進行分析得知，距火源中心的距離每增加0.5m，相鄰兩測點的溫差分別為51、43、29、46、16℃。在不考慮距火源中心２．０ｍ處測點溫度反常外，距離火源越遠(yuǎn)處煙氣溫度越低且衰減速度越慢。距離火源2.0m處測點溫度呈現(xiàn)反?，F(xiàn)象的原因可能為：（ａ）試驗過程中所選擇Ｋ型熱電偶的劣化程度不同；（ｂ）熱電偶插入測點位置的深度不同。

1.4.2　垂直方向溫度分布

選取90KW下距火源0.3m處垂直熱電偶的溫度進行分析，如圖4（a）所示，圖4（b）為不同溫度測點處，200～400ｓ穩(wěn)定期垂直方向煙氣溫度平均值變化示意圖。

圖4（a）中，煙氣溫度有明顯的跳躍現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為0.75、0.6m處測點溫度較高且相近，其余三組較低位置處測點溫度較低且相近。圖4（b）中，0.6、0.75m兩組測點平均溫度分別為350、341℃；0.15、0.3、0.45m三組較低位置處測點溫度分別為201、214、220℃。由于溫度測點相距火源較近，因此火源熱輻射對測點溫度具有一定影響。通過觀察燃燒過程得知，火災(zāi)煙氣蔓延過程中呈現(xiàn)明顯的煙氣分層現(xiàn)象，因此煙氣溫度出現(xiàn)跳躍現(xiàn)象。

2　數(shù)值模擬

2.1　模型建立

利用ＦＤＳ模擬軟件建立一個10mx0.75mx0.75m（x×y×z×）的小尺寸綜合管廊電力艙室模型，此模型尺寸和所布置熱電偶的數(shù)量、位置與小尺寸實體模型完全相同。

2.2　火源功率

火源設(shè)于模型中心位置，面積為0.15㎡；單位面積的火源熱釋放速率為600KW/㎡，即火源功率為90KW，與模型試驗中油池火的火源功率相同。為模擬油池火燃燒過程，在試驗?zāi)M600s的全過程中，前100s火源熱釋放速率均勻增加，100～500s維持穩(wěn)定，500～600s逐漸減小到零。

2.3網(wǎng)格設(shè)置

在ＦＤＳ模擬過程中，網(wǎng)格在犡軸上長度的劃分分別為3.2、2.3m；網(wǎng)格大小為0.05m×0.05m×0.05m。

3　試驗與模擬結(jié)果對比分析

3.1　縱向溫度對比

通過對火源功率90KW時進行FDS模擬，將距離火源中心不同距離處煙氣溫度數(shù)據(jù)經(jīng)Origin軟件處理后繪制成圖像，如圖5（a）所示。圖5（b）為200～400s穩(wěn)定期間，距火源中心不同距離測點處煙氣溫度試驗值與相同工況下FDS模擬值的對比情況。

圖5（a）中，火源正上方位置處煙氣溫度最高。通過對比距火源0.5、1.0m處煙氣溫度得知，火源兩側(cè)相同距離處煙氣溫度基本相等。隨著距火源中心距離的增加，煙氣溫度存在縱向衰減且衰減速度逐漸減慢。圖5（b）中，火源正上方煙氣溫度可高達(dá)370℃，而試驗所測火源正上方煙氣溫度為333℃，兩者溫度相差較大。觀察燃燒現(xiàn)象并分析得知：FDS模擬測得的火源正上方煙氣溫度受火焰溫度影響較大，因此溫度相對較高。模擬過程中，距火源0.5、0.15、2.0、2.5m處煙氣溫度分別為294、247、211、183、162℃，與試驗結(jié)果較為接近。

3.2　垂直方向溫度對比

通過FDS模擬獲得火源功率為90KW，距火源0.3m處不同高度的煙氣溫度，如圖6（a）所示。圖6（b）為垂直方向煙氣溫度試驗值與FDS模擬值對比。圖6（a）中，煙氣溫度表現(xiàn)出明顯的跳躍現(xiàn)象。為詳細(xì)分析各測點處溫度分布，對200～400s期間煙氣溫度

求平均，得知垂直方向上0.60.75m處煙氣溫度分別約為335、348℃，兩者相差不大0.150.3、0.45m處煙氣溫度相差也較小。圖6（b）中，試驗煙氣溫度與FDS模擬結(jié)果較為相近，驗證結(jié)果較好。

４　結(jié)　論

為研究綜合管廊電力艙室火災(zāi)初期溫度場分布，建立了1:3.6的小尺寸綜合管廊電力艙室模型，通過油池火火災(zāi)試驗，得到結(jié)論如下。

（1）不同火源功率下，綜合管廊電力艙室內(nèi)煙氣溫度均存在縱向衰減，且呈現(xiàn)出冪函數(shù)分布。利用Origin軟件對煙氣溫度數(shù)據(jù)進行擬合，得到煙氣溫度與距離的衰減經(jīng)驗公式。

（2）相同火源功率下，煙氣溫度衰減梯度逐漸減小。在70KW火源功率下，距火源中心0.5、1.0、1.5m處溫度梯度分別為49、24、18℃。隨著火源功率增加，煙氣溫度也隨之增加，但由于熱輻射作用，其溫度衰減梯度也較大。在53、70、90KW火源功率下，距火源中心0.5m處溫度衰減梯度分別為41、49、51℃。

（3）對距火源0.3m處垂直方向的煙氣溫度進行分析，得知不同高度測點處煙氣溫度呈現(xiàn)明顯的跳躍現(xiàn)象，分析其原因是煙氣蔓延過程中分層現(xiàn)象所致。

（4）運用FDS軟件對與模型試驗相同工況下的幾何模型進行計算機模擬，并將模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比。結(jié)果顯示，縱向煙氣溫度和垂直方向煙氣溫度較為相近，即FDS模擬技術(shù)可靠性較好。