劉鐘薇

摘要：利用FDS軟件，對(duì)管廊發(fā)生火災(zāi)時(shí)隧道中線縱斷面上不同高度處的CO濃度分布和隧道橫截面上的CO濃度分布進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，研究分析了火災(zāi)時(shí)煙氣濃度的變化規(guī)律，得到了以下結(jié)論：管廊電纜火災(zāi)中，CO濃度分布與管廊通風(fēng)系統(tǒng)開啟情況有關(guān)。當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)未開啟，電纜著火向兩端蔓延時(shí)，CO濃度逐漸下降，且隨著時(shí)間積累，CO濃度逐漸增多；當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)開啟，CO迅速向下風(fēng)向擴(kuò)散，積累量逐漸增高，上風(fēng)向CO濃度逐漸降低。管廊電纜火災(zāi)蔓延時(shí)，CO濃度并最高處不在火源正上方，而位于正上方兩側(cè)，這是由于煙氣蔓延過(guò)程中發(fā)生了水躍現(xiàn)象，CO濃度最高點(diǎn)在火源兩側(cè)。

關(guān)鍵詞：管廊電纜；CO濃度；分布規(guī)律

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.12.094

綜合管廊是指安置多種市政管廊的地下建筑，英文名為“utility tunnel”，翻譯為地下管道綜合走廊。在日本，綜合管廊被稱為共同溝，在臺(tái)灣則被稱為共同管道，而根據(jù)我國(guó)規(guī)范，則應(yīng)稱為綜合管廊。雖然綜合管廊名稱多樣，但其本質(zhì)均是指收容兩種以上市政管廊的高效利用地下空間的現(xiàn)代化構(gòu)筑物。國(guó)內(nèi)建設(shè)的綜合管廊工程中，在綜合管廊內(nèi)敷設(shè)的管線主要有電力電纜、通信光纜、上水管道、中水管道以及熱力管道等市政管線設(shè)施，此外還有部分自用的纜線設(shè)施。從綜合管廊內(nèi)納入的管線種類可以看出，在綜合管廊內(nèi)的各種管線中，主要是電力線路具有自身起火的可能性。管廊電纜火災(zāi)中，CO以其產(chǎn)生量大和所具有的毒性，對(duì)檢修人員的安全構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。本文以某綜合管廊為對(duì)象，利用CFD軟件FDS，對(duì)管廊發(fā)生火災(zāi)時(shí)隧道中線縱斷面上不同高度處的CO濃度分布和隧道橫截面上的CO濃度分布進(jìn)行了三維數(shù)值模擬 ，研究分析了火災(zāi)時(shí)煙氣濃度的變化規(guī)律。

1管廊介紹

電纜隧道數(shù)值模擬模型截?cái)嗝嫒鐖D2所示，模型尺寸長(zhǎng)1200 m，寬5.4 m，高2.4 m。隧道內(nèi)部有16根電纜，長(zhǎng)度與隧道長(zhǎng)度相等，截面包含兩種尺寸，分別設(shè)為A類：截面為0.4 m×0.4 m；B類：截面為0.3 m×0.3 m。電纜截面如圖1所示。

2火源設(shè)置

模型火源設(shè)置為一表面熱源，火源按照固體熱解模型設(shè)置，表面溫度為3000 oC，模擬過(guò)程中點(diǎn)火源存在900 s，其尺寸為長(zhǎng)1m，寬0.8m，位置設(shè)在隧道中心處。防火區(qū)間劃分主要以火源中心為參照，分別向兩邊設(shè)置間距為500m三種長(zhǎng)度類型的防火區(qū)間，如圖2所示。每個(gè)防火區(qū)間以防火墻隔開，防火墻上有兩個(gè)等尺寸的防火門，防火門尺寸為高1.7 m，寬0.9 m。

3模型重要參數(shù)說(shuō)明

如表1所示，本項(xiàng)目電纜采用銅芯橡膠絕緣電纜線，按照銅：塑料=6：4進(jìn)行電纜材料配比。銅的密度為8940 kg/m3，比熱容為0.38 KJ/（kg·K），熱導(dǎo)率為387 W/（m·K）；塑料的著火點(diǎn)為330℃，密度為1500 kg/m3，比熱容為1.5 KJ/（kg· K），熱導(dǎo)率為0.2 W/（m· K），燃燒熱為2500 KJ/kg。隧道內(nèi)初始環(huán)境溫度為40℃，初始?jí)毫闃?biāo)準(zhǔn)大氣壓。邊界墻體材料為混凝土，墻體厚度0.2 m，混凝土密度為2280 kg/m3，比熱容為1.04 KJ/（ kg·K），熱導(dǎo)率1.8 W/（m·K）。電纜托盤材質(zhì)為鋼板，密度7850 kg/m3，比熱容為046 KJ/（ kg·K），熱導(dǎo)率45.8 W/（m·K）。

4模型工況設(shè)計(jì)

模型管廊通風(fēng)區(qū)段劃分主要以兩個(gè)工作井內(nèi)相應(yīng)的兩個(gè)通風(fēng)機(jī)房之間的一段隧道作為一個(gè)通風(fēng)區(qū)段。根據(jù)本項(xiàng)目綜合管廊區(qū)間通風(fēng)采用通風(fēng)及排煙系統(tǒng)形式。通風(fēng)系統(tǒng)針對(duì)每段通風(fēng)區(qū)域采用單號(hào)井端送雙號(hào)井端排的縱向通風(fēng)方式，火災(zāi)時(shí)主要采用隔絕滅火的方式，即按照事故后排風(fēng)，火災(zāi)時(shí)關(guān)閉防火閥和風(fēng)機(jī)，待燃盡后開啟風(fēng)機(jī)進(jìn)行事故后通風(fēng)換氣。為了測(cè)試在該區(qū)段內(nèi)設(shè)置不同的防火分區(qū)及相應(yīng)防火分區(qū)情況下不同時(shí)間段進(jìn)行通風(fēng)排煙的效果，模型設(shè)置為500m防火分區(qū)，開啟排煙時(shí)間為300 s。

利用LES計(jì)算方法模擬火災(zāi)的燃燒問(wèn)題，模擬對(duì)網(wǎng)格尺寸必須小于一定的尺寸才能使得次格點(diǎn)尺度計(jì)算模式較為精確計(jì)算出來(lái)流場(chǎng)的粘滯力。綜合考慮網(wǎng)格尺寸與火源功率的關(guān)系，F(xiàn)DS的計(jì)算區(qū)域設(shè)置1200 m×5.4 m×3 m，各個(gè)方向網(wǎng)格個(gè)數(shù)分別為1200、27和15，模擬時(shí)間1500 s。

4.1一氧化碳濃度分布云圖

如圖3所示，在管廊防火間距200m，300 s開啟防火門進(jìn)行通風(fēng)的情況下，開啟防火門之前285s的一氧化碳濃度分布云圖如圖2（a）所示，此時(shí)該段內(nèi)一氧化碳濃度分布為中間低，向兩側(cè)逐漸升高，然后再降低。此時(shí)，管廊通風(fēng)系統(tǒng)還未啟動(dòng)，管廊內(nèi)CO濃度分布在火源兩側(cè)是對(duì)稱的，均經(jīng)歷了先升高再降低的過(guò)程；門打開后350 s時(shí)刻的一氧化碳濃度分布如圖（b）所示，由于通風(fēng)的作用，一氧化碳主要集中在下風(fēng)向，此時(shí)CO在管廊上部幾乎分布為0，在火源上方有少許，而CO濃度最高處位于管廊內(nèi)火源下游100m處，且有逐漸向右移動(dòng)的趨勢(shì)。當(dāng)1100 s后，區(qū)域內(nèi)基本沒(méi)有一氧化碳，整個(gè)管廊內(nèi)CO均已排出完全。通過(guò)上圖分析，此管廊的通風(fēng)系統(tǒng)，即上部通風(fēng)，下部排煙的設(shè)置是完全合理的，可以較好的排出管廊電纜火災(zāi)的煙氣，減小火災(zāi)的損失。

4.2各測(cè)點(diǎn)一氧化碳濃度隨時(shí)間的變化曲線

如圖4所示為C組管廊方向靠近火源層（C-9～C-17）一氧化碳濃度隨時(shí)間變化的曲線。由圖可見(jiàn)，C組中間防火區(qū)域的一氧化碳濃度較高，其中C-13火源上方的一氧化碳濃度在火災(zāi)發(fā)生后快速上升，然后下降，在300～400s之間小幅波動(dòng)，這是因?yàn)镃-13就在火源的上方，當(dāng)打開防火門進(jìn)行通風(fēng)后，CO濃度迅速擴(kuò)散，因而又快速下降。C-12和C-14為火源上方左右的點(diǎn)，這兩點(diǎn)的一氧化碳濃度在200s左右時(shí)快速上升，表明火焰從中間向兩邊傳播。當(dāng)300s打開防火門后，這兩點(diǎn)的曲線在下降，說(shuō)明CO濃度不斷降低。C-15為下風(fēng)向另一個(gè)防火區(qū)間的點(diǎn)，600s之前一氧化碳濃度為零，當(dāng)打開防火門后，一氧化碳濃度瞬間上升，經(jīng)歷了一段時(shí)間后下降。不同測(cè)點(diǎn)的曲線峰值在不斷后延，說(shuō)明CO受到空氣流動(dòng)的影響向下風(fēng)向運(yùn)動(dòng)。

5結(jié)論

該管廊通風(fēng)區(qū)段劃分主要以兩個(gè)工作井內(nèi)相應(yīng)的兩個(gè)通風(fēng)機(jī)房之間的一段隧道作為一個(gè)通風(fēng)區(qū)段。根據(jù)綜合管廊區(qū)間通風(fēng)采用通風(fēng)及排煙系統(tǒng)形式。通風(fēng)系統(tǒng)針對(duì)每段通風(fēng)區(qū)域采用單號(hào)井端送雙號(hào)井端排的縱向通風(fēng)方式。利用FDS軟件，對(duì)管廊發(fā)生火災(zāi)時(shí)隧道中線縱斷面上不同高度處的 CO 濃度分布和隧道橫截面上的 CO 濃度分布進(jìn)行了三維數(shù)值模擬 ，研究分析了火災(zāi)時(shí)煙氣濃度的變化規(guī)律，得到了以下結(jié)論：

（1）管廊電纜火災(zāi)中，CO濃度分布與管廊通風(fēng)系統(tǒng)開啟情況有關(guān)。當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)未開啟，電纜著火向兩端蔓延時(shí)，CO濃度逐漸下降，且隨著時(shí)間積累，CO濃度逐漸增多；當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)開啟，CO迅速向下風(fēng)向擴(kuò)散，積累量逐漸增高，上風(fēng)向CO濃度逐漸降低。

（2）管廊電纜火災(zāi)蔓延時(shí)，CO濃度并最高處不在火源正上方，而位于正上方兩側(cè)，這是由于煙氣蔓延過(guò)程中發(fā)生了水躍現(xiàn)象，CO濃度最高點(diǎn)在火源兩側(cè)。

（3）該綜合管廊通風(fēng)系統(tǒng)可以較好的排出管廊火災(zāi)的煙氣，減小火災(zāi)的危害性。

參考文獻(xiàn)

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