張華杰, 梁天水

(鄭州大學(xué)力學(xué)與安全工程學(xué)院， 鄭州 450001)

隨著科技的發(fā)展，電力設(shè)備在人們?nèi)粘５纳钪袩o處不在。城市地下綜合管廊里密布的電纜為城市的正常運(yùn)行發(fā)揮著重要作用。但此類建筑橫斷面窄，縱向長(zhǎng)度大，安全出口少，通風(fēng)條件差，一旦著火火勢(shì)發(fā)展迅速，滅火救援難度大，且火災(zāi)高溫環(huán)境會(huì)造成艙室結(jié)構(gòu)損傷，導(dǎo)致城市癱瘓的嚴(yán)重后果。

細(xì)水霧作為自動(dòng)滅火選型的一種，能夠撲救電氣火災(zāi)，可以明顯降低受限空間內(nèi)的煙氣濃度，在電力設(shè)施滅火系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。部分學(xué)者對(duì)狹長(zhǎng)空間內(nèi)細(xì)水霧作用下火災(zāi)煙氣特性以及熄滅電纜火性能方面展開了研究。孫瑞雪等[1]利用FDS(fire dynamic simulation)軟件開展了綜合管廊滅火模擬，得到在一定條件下水霧滅火的最優(yōu)方式。李濤等[2]研究了基于高壓細(xì)水霧作用下城市地下綜合管廊的火災(zāi)蔓延規(guī)律，結(jié)果表明可燃物在單側(cè)燃燒的情況下發(fā)生轟燃，隨著高壓細(xì)水霧的開啟，轟燃次數(shù)減少。吳丹等[3]采用FDS技術(shù)分析了不同噴頭間距不同火源位置等不同條件下，細(xì)水霧滅火的有效性，結(jié)果表明在不同條件下細(xì)水霧滅火都有著優(yōu)異的滅火效果，但噴頭間距不宜超過3 m。李亞培[4]采用數(shù)值模擬軟件，研究了細(xì)水霧作用下狹長(zhǎng)通道內(nèi)火災(zāi)行為，發(fā)現(xiàn)施加細(xì)水霧可在一定程度上阻擋火災(zāi)煙氣蔓延，降低頂棚溫度，抑制了有毒有害氣體擴(kuò)散。

電線電纜成分多樣，燃燒產(chǎn)物復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)精確模擬，數(shù)值模擬作為研究火災(zāi)問題的重要手段，對(duì)不同工況下火勢(shì)蔓延有直觀的體現(xiàn)，可以為優(yōu)化消防設(shè)計(jì)和防火保護(hù)措施提高參考依據(jù)。現(xiàn)針對(duì)綜合管廊電纜火災(zāi)，通過數(shù)值模擬，研究不同粒徑細(xì)水霧的降溫、滅火效果以及對(duì)煙氣流動(dòng)的影響，以期為細(xì)水霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 軟件介紹

模擬軟件采用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)研究院和建筑火災(zāi)研究實(shí)驗(yàn)室合作開發(fā)的火災(zāi)模擬軟件FDS。該軟件運(yùn)用場(chǎng)模擬的方法在進(jìn)行模擬火焰燃燒、煙氣流動(dòng)等方面具有較好的適用性。FDS模擬不同火災(zāi)場(chǎng)景偏差較小，模擬結(jié)果可通過自帶的Smokeviwe以3D動(dòng)畫的方式直觀展示，基于數(shù)值模擬與全尺度實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論方程的比較，所提出的FDS模型可用于預(yù)測(cè)綜合管廊電力電纜艙火災(zāi)場(chǎng)景，因此，不再對(duì)FDS細(xì)水霧模擬有效性進(jìn)行檢驗(yàn)。

1.2 模型的建立

模型尺寸參考文獻(xiàn)[5]T型地下綜合管廊模型建立，如圖1所示。管廊橫截面寬度為2 m，高度為2.5 m，長(zhǎng)度為6 m。為防止隧道內(nèi)部受火災(zāi)破壞，模型域的表面以及隧道頂端均為惰性材料，內(nèi)部左右兩側(cè)敷設(shè)有六層電纜，每層電纜尺寸寬0.2 m, 厚0.1 m, 層與層電纜間隔0.1 m，最低一層電纜距地面0.3 m，最高一層距頂端1.1 m，距墻一側(cè)緊靠混凝土壁面，電纜由惰性材料支撐，可默認(rèn)支撐結(jié)構(gòu)不會(huì)對(duì)燃燒造成影響即不會(huì)影響流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)。隧道兩端頂部設(shè)置開口，以保證維持燃燒需要的條件。在FDS模擬中，網(wǎng)格大小決定了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，網(wǎng)格越密精度越高，但相應(yīng)消耗的計(jì)算機(jī)資源越多，計(jì)算時(shí)間越長(zhǎng)。一般網(wǎng)格的尺寸由火源特征直徑?jīng)Q定。在考慮計(jì)算機(jī)性能以及保證模擬精度的前提下選用網(wǎng)格尺寸為0.1 m×0.1 m×0.1 m。

圖1 管廊模型示意圖Fig.1 Schematic model of pipe gallery

火源設(shè)置為線性火源，設(shè)置在一側(cè)電纜的正下方，火源功率為900 kW, 電纜點(diǎn)火溫度330 ℃，熱釋放速率按照t2(t為時(shí)間)快速火模式增長(zhǎng)，電纜外護(hù)套為聚氯乙烯(PVC)，選取聚氯乙烯作為典型電纜材料進(jìn)行模擬，設(shè)置火災(zāi)類型為快速火。因?yàn)樗淼揽諝饬鲃?dòng)性差，所以隧道內(nèi)不設(shè)置通風(fēng)口，僅在隧道兩端設(shè)置開口，內(nèi)部依靠火焰熱浮力驅(qū)動(dòng)空氣流動(dòng)，以起到更為真實(shí)的模擬效果。在管廊頂棚中心處自上而下等間距0.25 m設(shè)置熱電偶樹THCP1～TCHP5。煙氣高度測(cè)量設(shè)置在管廊中央及兩端出口處。電纜材料參考文獻(xiàn)[6]管廊模擬按照銅∶PVC=4∶6進(jìn)行設(shè)置，具體參數(shù)如表1所示。

表1 電纜材料參數(shù)

2 模擬結(jié)果分析

細(xì)水霧粒徑的大小直接影響了細(xì)水霧的初始動(dòng)能以及霧滴在空間內(nèi)的彌散性，若水霧粒徑較大，霧滴容易沉降，而粒徑較小的水霧，空間彌散性好，在空氣中停留時(shí)間長(zhǎng)，易于蒸發(fā)，對(duì)煙氣洗滌效果好，蒸發(fā)后形成的氣體屏障能夠隔絕氧氣，通過窒息滅火，且當(dāng)粒徑小于100 μm時(shí)，可用于撲救帶電火災(zāi)。霧滴粒徑是細(xì)水霧的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，不同粒徑大小細(xì)水霧滅火效率不同，因此，對(duì)不同粒徑作用下電纜火災(zāi)行為進(jìn)行研究是必要的。根據(jù)細(xì)水霧的定義，共設(shè)置6種粒徑的細(xì)水霧進(jìn)行模擬，各工況如表2所示。保持其他條件一致，在多次模擬的基礎(chǔ)上為使電纜能夠達(dá)到穩(wěn)定燃燒狀態(tài)，采用火源引燃80 s后撤去火源，讓電纜自由蔓延50 s后開啟噴頭。當(dāng)前針對(duì)高壓細(xì)水霧系統(tǒng)，一般設(shè)計(jì)最不利點(diǎn)噴頭壓力10 MPa，特性系數(shù)計(jì)算公式為

(1)

式(1)中：Q為流量；P為壓力；K為特性系數(shù)。

綜合管廊通常采用K=0.7或者K=1.0作為流量系數(shù)，這里取K=1.0，故取噴頭流量10 L/min。粒子出口速度參考文獻(xiàn)[4]，工況設(shè)置為30 m/s。對(duì)于電纜隧道等狹長(zhǎng)通道，可以采用線性方式布置噴頭，一般將噴頭布置在隧道過道上方[7]，為保證細(xì)水霧能夠完全充滿所防護(hù)的空間，所以在模擬時(shí)將噴頭采用下噴的形式設(shè)置在隧道過道中央。選取火災(zāi)溫度場(chǎng)，煙氣、以及熱釋放速率作為特征參數(shù)，來研究粒徑的不同滅火效果的差異。

表2 模擬工況

2.1 水霧粒徑對(duì)火災(zāi)溫度場(chǎng)的影響

點(diǎn)火后，火場(chǎng)溫度迅速上升，在達(dá)到電纜燃燒溫度后，首層電纜在火源外焰的引燃下最先發(fā)生燃燒， 80 s撤去外加火源時(shí)測(cè)點(diǎn)1的溫度高達(dá)430 ℃，火源撤去后溫度迅速下降，電纜開始自由燃燒，50 s后噴頭開啟。噴頭開啟20 s后管廊著火側(cè)電纜溫度切片如圖2所示。

圖2 不同粒徑噴頭啟動(dòng)后20 s管廊溫度分布Fig.2 Temperature distribution of pipe gallery 20 s after the start of nozzles with different particle sizes

通過對(duì)不同粒徑細(xì)水霧在滅火過程中的表現(xiàn)，不難發(fā)現(xiàn)，不同粒徑水霧均對(duì)火場(chǎng)溫度有明顯的降低作用，但粒徑不同，降溫效果不同。在短時(shí)間內(nèi)(20 s)粒徑200 μm條件下的降溫效果最佳，整個(gè)燃燒區(qū)域的溫度最低，電纜上層以及中間層的火焰被迅速控制，最高溫度出現(xiàn)在了底層電纜處，達(dá)到240 ℃，而50 μm細(xì)水霧粒徑由于滯空時(shí)間長(zhǎng)在火源處的水霧濃度大對(duì)底層電纜火抑制效果最好，底層電纜處整體溫度低于200 μm粒徑細(xì)水霧，其次是100 μm粒徑細(xì)水霧。不同粒徑條件下細(xì)水霧控制典型電纜材料火災(zāi)能力依次為：200 μm>100 μm>50 μm>300 μm>400 μm>500 μm。

圖4 150 s時(shí)不同粒徑水霧下火場(chǎng)煙粒子示蹤圖Fig.4 Tracing diagram of smoke particles in fire scene under water mist with different particle sizes at 150 s

圖3為不同粒徑水霧在噴頭開啟35 s內(nèi)溫度曲線。首層電纜在水霧的作用下溫度迅速下降，其中粒徑為200 μm的細(xì)水霧降溫效果最好。降溫效果依次為：200 μm>300 μm>50 μm>100 μm>400 μm>500 μm，可以看出，對(duì)首層無遮擋電纜火的降溫效果并非水霧粒徑越小越好，粒徑越小，初始動(dòng)量越小，難以直接到達(dá)燃燒區(qū)參與反應(yīng)，此時(shí)，降溫速率隨著粒徑的增大而增加(圖3)，但隨著粒徑的不斷增大，細(xì)水霧的比表面積不斷變小，吸熱汽化的速率也在不斷下降，氣相冷卻、隔氧窒息能力減弱，當(dāng)粒徑超過200 μm時(shí)，降溫效率隨著粒徑的增加而減小，水霧主要依賴潤(rùn)濕可燃物，降低燃燒速率來抑制火勢(shì)發(fā)展，此時(shí)滅火主導(dǎo)機(jī)理為表面冷卻，由于上層電纜的存在，顆粒較大的霧滴只能從首層逐層浸濕來達(dá)到滅火的目的，滅火效率較低，這在FDS中的水滅火機(jī)理中也有所體現(xiàn)，與端木維可[8]的研究結(jié)果一致，也在溫度云圖(圖2)中得到了驗(yàn)證。在圖3中還觀察到，在不同粒徑條件下滅火過程中，溫度均出現(xiàn)了不同程度的上升，粒徑200 μm細(xì)水霧上升效果最不明顯，在也能在一定程度上驗(yàn)證200 μm粒徑細(xì)水霧滅火效果好的事實(shí)。溫度上升可能因?yàn)楸M管首層電纜在水霧作用下溫度下降，但火勢(shì)并未被完全控制，下層電纜在桁架的遮蔽下得以繼續(xù)燃燒，尤其是電纜底層溫度居高不下，短時(shí)間內(nèi)造成了測(cè)點(diǎn)溫度出現(xiàn)了不同程度的上升。

圖3 130～165 s測(cè)點(diǎn)1溫度Fig.3 Temperature of point 1 measured at 130～165 s

2.2 水霧粒徑對(duì)火災(zāi)煙氣的影響

人員在火場(chǎng)中是否安全與火場(chǎng)中有毒有害氣體以及煙氣的能見度與有關(guān)，煙密度是用來表征燃燒后一定空間內(nèi)懸浮顆粒物的產(chǎn)量，用來顯示燃燒產(chǎn)物對(duì)人員傷害程度的參數(shù)[9]。細(xì)水霧對(duì)煙氣具有洗滌作用，從而對(duì)煙密度產(chǎn)生影響，燃燒的灰燼、碳粒和有害氣體能與細(xì)水霧結(jié)合而得到洗消沉降。對(duì)于受限空間，一旦發(fā)生火災(zāi)產(chǎn)生大量煙氣的地下綜合管廊，此項(xiàng)性能尤為重要, Smokeview中的拉格朗日粒子可顯示煙氣的運(yùn)動(dòng)軌跡以及擴(kuò)散情況，在此，運(yùn)用拉格朗日示蹤粒子來分析水霧粒徑對(duì)火場(chǎng)煙氣的影響。圖4為不同粒徑細(xì)水霧噴頭開啟20 s后管廊中煙霧的分布，可以看出，粒徑越小，煙霧的沉降越多，細(xì)水霧對(duì)火場(chǎng)的煙氣稀釋效果越好。這是因?yàn)樗F粒徑越小，比表面積越大，換言之，水霧與煙霧的接觸面積就越大，更有利于洗消煙氣，降低火場(chǎng)煙霧濃度。

除有毒有害氣體外火場(chǎng)中煙氣層高度較低同樣可導(dǎo)致人員傷亡，火災(zāi)發(fā)生后，煙氣沿著管廊頂棚蔓延，在擴(kuò)散的過程中，煙氣層高度下降，當(dāng)下降至人員口鼻處，氧氣濃度隨之降低，人員因此可能會(huì)窒息。圖5顯示了不同粒徑作用下，管廊1.8 m高度處能見度分布?？梢钥闯?，管廊在細(xì)水霧的作用下煙氣發(fā)生了沉降，能見度隨之降低。噴頭開啟后，原有的煙氣流動(dòng)相應(yīng)會(huì)發(fā)生改變，頂棚煙氣在細(xì)水霧作用下發(fā)生沉降，煙氣向上流動(dòng)被抑制，加劇了氣體局部環(huán)流，煙氣有向下拉伸趨勢(shì)，且水霧粒徑越小，煙氣的沉降范圍和距離就越大。但隨著時(shí)間的發(fā)展，煙氣會(huì)逐漸充滿整個(gè)管廊，這也與前文示蹤粒子顯示結(jié)果相一致。

圖5 不同工況下噴頭開啟20 s噴頭下方1.8 m 高處能見度云圖Fig.5 Visibility nephogram at 1.8 m below the nozzle after the nozzle is opened for 20 s under different working conditions

2.3 不同粒徑的滅火時(shí)間的影響

火災(zāi)發(fā)展一般可分為火災(zāi)初期，火災(zāi)發(fā)展階段、火災(zāi)鼎盛期以及火災(zāi)衰減期，對(duì)于火災(zāi)撲救來說，初期火災(zāi)最容易被控制，較為理想的狀態(tài)是當(dāng)能在火災(zāi)初期迅速將火撲滅，一旦初期不能及時(shí)將火控制，極有可能造成火勢(shì)的擴(kuò)大進(jìn)而出現(xiàn)轟燃的現(xiàn)象，滅火時(shí)間是衡量滅火設(shè)施可靠性的關(guān)鍵因素。不同粒徑條件下滅火時(shí)間如表3所示?；馂?zāi)熄滅的判據(jù)為噴出細(xì)水霧后300 s內(nèi)，測(cè)點(diǎn)溫度的平均值不大于100 ℃[10]。在50 μm條件下，細(xì)水霧滅火所用時(shí)間最短，粒徑越大，滅火時(shí)間越長(zhǎng)。不同粒徑條件下火災(zāi)最大熱釋放速率也在表3中給出，與石磊等[11]的研究結(jié)果一致。

表3 在不同粒徑條件下滅火參數(shù)

3 結(jié)論

通過模擬得出如下結(jié)論。

(1)細(xì)水霧能顯著降低地下綜合管廊電力電纜艙火場(chǎng)溫度，不同粒徑細(xì)水霧滅火效果不同，其中粒徑為200 μm細(xì)水霧對(duì)整個(gè)火場(chǎng)降溫效果最好。

(2)由于障礙物的存在，在撲滅隱蔽的電纜火災(zāi)時(shí)，細(xì)水霧需要好的彌散性，模擬發(fā)現(xiàn)水霧粒徑越小滅火時(shí)間越短。

(3)細(xì)水霧能引起煙氣沉降，水霧粒徑越小，煙氣沉降越明顯。