梁凱 張思源 安偉光 藍(lán)美娟 王景鑫

(1.浙江安防職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江溫州 325016； 2.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院 江蘇徐州 221116； 3.中國礦業(yè)大學(xué)江蘇省城市地下空間火災(zāi)防護(hù)高校重點實驗室 江蘇徐州 221116)

0 引言

綜合管廊，又稱為綜合管溝或共同溝，指建于城市地下用于容納兩類及以上城市工程管線的構(gòu)筑物及附屬設(shè)施，現(xiàn)在已成為各大城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施和“生命線”[1]。由于綜合管廊處于較為封閉的城市地下空間，一旦發(fā)生火災(zāi)，煙氣與高溫環(huán)境使得綜合管廊的火災(zāi)危險性增大，極易造成重大城市危害。嚴(yán)恩澤等[2]建立L型結(jié)構(gòu)地下管廊火災(zāi)數(shù)值模型，分析了廊道內(nèi)L型拐點的煙氣積聚效應(yīng)及廊道溫度分布規(guī)律。趙永昌等[3]建立1∶3.6小尺寸管廊模型，運用實驗和數(shù)值模擬結(jié)合來探究火災(zāi)發(fā)生后的廊道溫度場分布及煙氣流動規(guī)律。劉浩男等[4]利用FDS軟件建立了小尺寸管廊模型，分析了不同風(fēng)速條件下管廊火災(zāi)煙氣蔓延情況。安偉光等[5]建立L型管廊模型，研究了火源特性和通風(fēng)條件對管廊煙氣蔓延及溫度變化的影響規(guī)律。AMOUZANDEH A等[6]利用CFD模擬軟件，研究了在不同通風(fēng)條件下拱形和矩形管廊截面對火災(zāi)溫度場的影響。CALIENDO C等[7]研究了火源位置、縱向通風(fēng)量對隧道煙氣溫度、能見度及有毒氣體濃度的影響。梁震寰等[8]研究了綜合管廊內(nèi)線型火源煙氣溫度場變化規(guī)律，得出管廊內(nèi)橫向溫度分布存在分界點，在分界點兩側(cè)，橫向溫度大致呈線性分布。

綜上研究，關(guān)于綜合管廊火災(zāi)模擬研究多集中在火災(zāi)發(fā)生后煙氣流動及溫度場分布規(guī)律等方面，考慮因素較為單一，主要集中在火源位置與縱向風(fēng)速兩個因素，尚未有端口封堵結(jié)構(gòu)因素對管廊煙氣流動及溫度場分布的影響研究。因此，根據(jù)實際實物管廊，利用FDS軟件建立全尺寸油池火模型，研究端口封堵因素對管廊內(nèi)煙氣流動及溫度場分布的影響規(guī)律，為城市綜合管廊的消防設(shè)計提供參考性依據(jù)。

1 綜合管廊火災(zāi)模型

1.1 管廊模型

根據(jù)城市地下綜合管廊實物以及《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》[9]規(guī)定，建立城市地下綜合管廊模型，如圖1所示。綜合管廊模型的長、寬、高分別為10、3、3 m，通風(fēng)模式為自然通風(fēng)。

圖1 管廊模型示意

1.2 參數(shù)設(shè)置

綜合管廊的模擬參數(shù)如表1所示，火災(zāi)荷載設(shè)置為汽油油池火，為了貼近實際火災(zāi)場景，火災(zāi)類型為t2非穩(wěn)態(tài)增長模式，在10 s后達(dá)到最大火源功率，模擬時間為300 s，管廊材料為混凝土，管廊兩端設(shè)置有端口，火源功率300 kW。

數(shù)值模擬考慮的工況參數(shù)為管廊端口(a、b)的封堵結(jié)構(gòu)因子(本文指端口封堵面積與端口面積之比)大小，封堵率依次為0、0.2、0.4、0.6、0.8。

表1 模擬參數(shù)設(shè)置

1.3 測點設(shè)置

管廊測點布置如圖2所示。熱電偶溫度測點共計15處，每個測點由頂棚至下設(shè)置11個熱電偶，上下熱電偶之間間距0.15 m。以火源正上方中心處作為起始參考點，縱向設(shè)置若干煙氣層高度測量裝置，相鄰之間間距1.0 m。熱流測量平面分別設(shè)置在x=1.0、9.0 m處頂棚中心位置，煙氣能見度二維切片設(shè)置在z=2.0 m，溫度二維切片設(shè)置在y=0.01、1.0 m。

圖2 測點布置示意

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 溫度場分析

不同封堵條件下不同位置處管廊頂棚溫度隨時間的變化曲線如圖3所示。當(dāng)管廊端口封堵的情況下，頂棚溫度呈增大趨勢。對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)封堵結(jié)構(gòu)因子為0～0.4時，火源處#t0(火源中心正上方)與近火源點#t1的溫升變化幅度較小，溫升變化趨勢基本一致，當(dāng)封堵結(jié)構(gòu)因子為0.6、0.8時，#t0與#t1的溫升變化幅度增大，距離火源中心參考點#t0越遠(yuǎn)，頂棚溫升變化幅度越明顯，這是由于封堵阻礙煙氣流動加劇了煙氣在管廊空間的聚集，高溫?zé)煔馀c頂棚壁面進(jìn)行大量對流換熱使得溫升變化顯著，封堵結(jié)構(gòu)因子越大(即端口封堵面積越大)，頂棚溫度越高。

(a)#t0

(b)#t1

(c)#t3

(d)#t5

計算250～300 s穩(wěn)定時間段#t1、#t3、#t5的平均溫度，其與封堵結(jié)構(gòu)因子的擬合關(guān)系如圖4所示，擬合系數(shù)均大于0.98，因此可以得出：隨著管廊端口結(jié)構(gòu)因子的增大，管廊內(nèi)頂棚溫度呈線性增加趨勢。

圖4 頂棚溫度平均值與封堵結(jié)構(gòu)因子的擬合

同一時刻、不同封堵條件下y=0.01、1.0 m處二維平面溫度切片如圖5所示，其中y=0.01 m代表管廊壁面，y=1.0 m代表管廊空間平面。對比發(fā)現(xiàn)，隨著端口封堵結(jié)構(gòu)因子的增大，壁面與廊道空間內(nèi)溫度變化范圍逐漸擴大，高溫?zé)煔鈱优c冷空氣層之間的分界面高度下降。此外，相比而言，管廊壁面的溫度變化區(qū)域比廊道內(nèi)部更大，當(dāng)封堵結(jié)構(gòu)因子為0、0.2時較為顯著，隨著封堵結(jié)構(gòu)因子的繼續(xù)增大，壁面與廊道內(nèi)溫度變化區(qū)域基本相同，差別在于高溫區(qū)域的變化范圍大小方面，壁面處高溫變化區(qū)域相比廊道空間更大。各工況條件下，管廊壁面及廊道內(nèi)的最高溫度可達(dá)220 ℃，最低溫度為60 ℃左右。

(a)封堵結(jié)構(gòu)因子0,y=0.01 m (b)封堵結(jié)構(gòu)因子0,y=1 m (c)封堵結(jié)構(gòu)因子0.2,y=0.01 m

(d)封堵結(jié)構(gòu)因子0.2,y=1 m (e)封堵結(jié)構(gòu)因子0.4,y=0.01 m (f)封堵結(jié)構(gòu)因子0.4,y=1 m

2.2 煙氣流動特性分析

不同封堵條件下近火源與遠(yuǎn)火源測點的煙氣層高度隨時間的變化曲線如圖6所示,近火源測點為#Layer1、#Layer2，遠(yuǎn)火源測點為#Layer3、#Layer5?；馂?zāi)發(fā)展初期，煙氣撞擊頂棚后縱向在管廊空間內(nèi)擴散，煙氣層高度逐漸下降。當(dāng)管廊端口未封堵(即封堵結(jié)構(gòu)因子為0)時，由于火源燃燒卷吸空氣量較多，產(chǎn)生煙氣速率增大，煙氣層高度下降的速率相比端口封堵工況下更快?；馂?zāi)發(fā)展中期，管廊內(nèi)煙氣縱向一維流動，逐漸積聚下沉，煙氣層高度迅速下降，當(dāng)封堵結(jié)構(gòu)因子越大，煙氣層高度下降的速率越快，遠(yuǎn)火源測點的煙氣層高度變化出現(xiàn)峰值，這是由于封堵導(dǎo)致煙氣在該位置空間開始出現(xiàn)聚集現(xiàn)象[10]。火災(zāi)發(fā)展穩(wěn)定期，管廊空間內(nèi)煙氣層高度變化緩慢，煙氣層高度變化趨于穩(wěn)定，煙氣層高度隨著端口封堵結(jié)構(gòu)因子的增大而逐漸降低，見圖7。

(a)#Layer1

(b)#Layer2

(c)#Layer3

(d)#Layer5

圖7 管廊內(nèi)無量綱煙氣層高度變化趨勢擬合

不同時刻下高度z=2 m處的煙氣能見度切片云圖如圖8所示。當(dāng)管廊端口未封堵時(封堵結(jié)構(gòu)因子為0)，煙氣僅在管廊內(nèi)部呈現(xiàn)一維擴散流動狀態(tài)，管廊壁面一側(cè)及火源正上方的能見度始終保持最低。當(dāng)封堵結(jié)構(gòu)因子為0.2時，相同時刻下，z=2 m平面的煙氣能見度均小于8 m，火源正上方部分區(qū)域的煙氣能見度維持在17～23 m。當(dāng)封堵結(jié)構(gòu)因子為0.4、0.6、0.8時，煙氣流動狀態(tài)相似，煙氣撞擊頂棚后擴散流動，撞擊側(cè)壁后沿管廊縱向一維擴散，受端口封堵障礙物的阻礙作用下反向回流，與火源處煙氣混合后形成穩(wěn)定的煙氣層。在9 s時，高度2 m平面上墻壁一側(cè)與火源正上方的煙氣能見度最低，煙氣能見度均小于5 m，在15 s時，由于煙氣擴散流動過程中端口受封堵的阻礙影響，較多煙氣開始聚集端口，端口側(cè)煙氣能見度逐漸下降，部分煙氣反彈回流導(dǎo)致此平面其他區(qū)域煙氣能見度加速下降。在22 s時，煙氣回流與火源處產(chǎn)生的煙氣混合，此時該高度平面的煙氣能見度達(dá)到最低值，z=2 m處的管廊煙氣能見度均小于2 m。

(a)封堵結(jié)構(gòu)因子0(從左到右分別為30、120、220 s)

(b)封堵結(jié)構(gòu)因子0.2(從左到右分別為30、120、220 s)

(c)封堵結(jié)構(gòu)因子0.4(從左到右分別為9、15、22 s)

3 結(jié)論

(1)管廊端口封堵阻礙煙氣流動加劇了煙氣在管廊空間的聚集，高溫?zé)煔馀c頂棚壁面進(jìn)行大量對流換熱使得管廊內(nèi)溫度場變化顯著，封堵結(jié)構(gòu)因子越大，頂棚溫度越高，通過擬合得出：隨著管廊端口結(jié)構(gòu)因子的增大，管廊內(nèi)頂棚溫度呈線性增加趨勢。

(2)隨著端口封堵結(jié)構(gòu)因子的增大，壁面與廊道空間內(nèi)溫度變化范圍逐漸擴大，管廊壁面的溫度變化區(qū)域比廊道內(nèi)部大，當(dāng)封堵結(jié)構(gòu)因子為0、0.2時較為顯著，隨著封堵結(jié)構(gòu)因子的繼續(xù)增大，壁面與廊道內(nèi)溫度變化區(qū)域基本相同，差別在于壁面處高溫變化區(qū)域相比廊道空間更大。

(3)隨著管廊封堵結(jié)構(gòu)因子的增大，煙氣層高度隨著端口封堵結(jié)構(gòu)因子的增大而逐漸降低，無量綱煙氣層高度呈一次函數(shù)線性趨勢減小。