許準(zhǔn)，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)

隨著國家“西氣東輸”和“西電東送”工程的逐步執(zhí)行，地下管廊的使用越來越多。地下綜合管廊的正常運(yùn)轉(zhuǎn)就顯得尤為重要。

集中了不同管線的綜合管廊存在一定的安全隱患，特別是聚集了電力電纜的電力艙以及固有風(fēng)險(xiǎn)大的燃?xì)夤艿?，如果不采取相?yīng)的保護(hù)措施，稍有不慎就有導(dǎo)致火災(zāi)甚至爆炸的可能。細(xì)水霧可實(shí)現(xiàn)高效滅火，具有環(huán)保經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，細(xì)水霧在綜合管廊中的運(yùn)用形式主要分為兩種，第一種是直接充當(dāng)滅火介質(zhì)，將細(xì)水霧噴頭布置在管廊內(nèi)，能夠在火災(zāi)發(fā)生第一時(shí)間控制火災(zāi)；第二種是將細(xì)水霧作為細(xì)水霧幕，來阻擋管廊火災(zāi)發(fā)生時(shí)煙氣的蔓延。

細(xì)水霧作為高效滅火介質(zhì)不僅可以滅火，還可以用作防煙甚至防火分隔，眾多學(xué)者開展了相關(guān)研究。鐘濤等[1]開展了全尺寸實(shí)驗(yàn)，研究了水霧作為防火分隔的有效性，驗(yàn)證了其可行性。梁天水等[2]用火災(zāi)數(shù)值模擬軟件在綜合管廊中開展不同粒徑細(xì)水霧條件下滅火模擬，發(fā)現(xiàn)細(xì)水霧粒徑越小對煙氣層沉降的影響越顯著。吳丹等[3]采用FDS分析了不同噴頭間距、不同火源位置等條件下，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]利用FDS數(shù)值模擬軟件開展了細(xì)水霧幕在狹長空間內(nèi)擋煙效果的模擬研究，得到了施加細(xì)水霧后可在一定程度上減緩煙氣蔓延，并降低頂棚下方溫度。沈俊杰等[5]通過開展變壓環(huán)境下抑滅鋰離子電池火實(shí)驗(yàn)，分析抑滅火實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、降溫冷卻和抑制CO生成的效果，得到了全氟己酮的綜合性最佳,細(xì)水霧的降溫冷卻效果較好。賀元驊等[6]對比常壓和低壓環(huán)境壓力對高壓細(xì)水霧霧滴粒徑及噴霧流量的影響，得到了低壓環(huán)境對高壓細(xì)水霧性能影響較大。研究者認(rèn)為細(xì)水霧技術(shù)是今后滅火系統(tǒng)的必然發(fā)展方向，所以研究細(xì)水霧滅火效能，以使其在使用中實(shí)現(xiàn)對不同場景火災(zāi)的高效滅火變得十分重要[7]。

除了單獨(dú)采用細(xì)水霧技術(shù)外，細(xì)水霧可以聯(lián)合其他技術(shù)或設(shè)施，以起到協(xié)同作用，如細(xì)水霧冷卻防火分隔設(shè)施(玻璃幕墻、防火卷簾等)。而擋煙垂壁作為防煙設(shè)施的一種，能在一定時(shí)間內(nèi)防止煙氣向下游蔓延，但隨著燃燒的進(jìn)行，擋煙垂壁將失去擋煙的效果，不能抑制更多的煙氣蔓延至相鄰防火分區(qū)，因此單獨(dú)將擋煙垂壁作用在管廊存在一些不足之處。是否可以將擋煙垂壁聯(lián)合細(xì)水霧技術(shù)，以起到更好的防煙效果呢？Mi等[8]結(jié)合FDS研究了隧道電纜中不同通風(fēng)系統(tǒng)，防火門開關(guān)模式和噴淋系統(tǒng)組合條件下最優(yōu)的煙氣控制模式。王歡等[9]采用FDS研究了狹長通道內(nèi)擋煙垂壁高度對空間內(nèi)煙氣的輸運(yùn)特性的影響。結(jié)果表明，存在擋煙垂壁時(shí)，垂壁上游頂棚附近煙氣層溫度普遍升高，而垂壁下游溫度隨擋煙垂壁高度的增加而加速衰減。鄭源[10]針對管廊內(nèi)煙氣層及其流場熱特征開展研究，揭示了垂壁與障礙物對火場煙氣溫度的影響，并構(gòu)建了煙氣縱向溫度衰減模型。Zhou等[11]利用仿真模擬技術(shù)對煙氣的熱擴(kuò)散特性進(jìn)行了研究，揭示了在無強(qiáng)制對流條件下固體屏障可以阻止煙氣向下游的移動(dòng)，起到了一定的擋煙效果。郭健翔等[12]采用Pyrosim研究了空氣幕墻聯(lián)合擋煙垂壁對逃生樓梯口處煙氣的阻擋效果，結(jié)果表明聯(lián)合使用比單一使用擋煙垂壁阻擋煙氣蔓延的效果好。這些研究尚不足回答細(xì)水霧技術(shù)和擋煙垂壁的協(xié)同效果，以及擋煙垂壁存在下，細(xì)水霧系統(tǒng)參數(shù)如何優(yōu)化。因此現(xiàn)開展擋煙垂壁加水霧幕充當(dāng)防火分隔有效性的研究，研究細(xì)水霧和擋煙垂壁配合使用是否可以產(chǎn)生更好的擋煙效果，甚至取代防火墻以及防火門等實(shí)體防火分隔物，以滿足管廊內(nèi)部通道暢通的要求。

1 數(shù)值模擬

1.1 軟件介紹

FDS模擬軟件是美國國家標(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，該軟件運(yùn)用場模擬的方法，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，采用數(shù)值計(jì)算的方法求解模擬火場的溫度、煙氣和熱傳遞過程。FDS模擬不同火災(zāi)場景偏差較小，模擬結(jié)果還可通過自帶的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)測綜合管廊電力電纜艙火災(zāi)場景，因此，不再對FDS模擬有效性進(jìn)行檢驗(yàn)。

1.2 模型的建立

1.2.1 幾何模型

管廊參考Liang等[13]建立的管廊尺寸模型，如圖1所示。管廊長寬高為30 m×2 m×2.5 m，Y方向代表管廊長，X方向代表管廊寬，Z方向代表管廊高。模型域的表面以及管廊頂棚均設(shè)置為惰性材料(concrete)，管廊內(nèi)部左右兩側(cè)各設(shè)有6層電纜，因在規(guī)定時(shí)間內(nèi)電纜的燃燒長度達(dá)不到6 m，為了方便觀察模擬效果，僅將兩側(cè)電纜設(shè)置為6 m。每層電纜橫截面尺寸為0.2 m×0.1 m，每層電纜之間間隔為0.1 m，其中近地側(cè)電纜距地面0.3 m，頂層電纜距管廊頂棚1.1 m，距墻一側(cè)電纜貼近混凝土壁面。管廊端口設(shè)置為OPEN，除此之外不設(shè)置其他開口以保證較為真實(shí)的管廊環(huán)境?；鹪丛O(shè)置為高溫表面(2 000 ℃)，大小設(shè)置為0.1 m×1.0 m，可認(rèn)為是線性火源，設(shè)置在一側(cè)電纜的最底層以及第三層處。由于建立的管廊模型具有對稱性，所以僅需布置一側(cè)測點(diǎn)即可對整個(gè)管廊內(nèi)的情況有清晰的認(rèn)識。火源的設(shè)置和噴頭距擋板距離如圖1所示。根據(jù)規(guī)范，可將細(xì)水霧噴頭設(shè)置在管廊頂棚中軸線處，擋煙垂壁高度為0.6 m，距離起火點(diǎn)5 m處,噴頭距離擋板3 m處。

圖1 綜合管廊電力電纜模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of power cable model for integrated pipeline corridor

1.2.2 相關(guān)參數(shù)的設(shè)置

將電纜引燃溫度設(shè)置為330 ℃，通常電纜外護(hù)套為聚氯乙烯(PVC)，將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。電纜材料參考An等[14]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 相關(guān)參數(shù)設(shè)置表Table 1 Related parameter setting table

1.2.3 網(wǎng)格獨(dú)立性分析

在FDS模擬中，網(wǎng)格尺寸對于模擬結(jié)果準(zhǔn)確與否有著直接作用[15]，網(wǎng)格越密，精度越高，但計(jì)算時(shí)間越長。網(wǎng)格尺寸由式(1)計(jì)算得出，公式為

(1)

式(1)中：D*為火源當(dāng)量直徑；Q為火源熱釋放速率，kW；ρ∞為空氣密度，kg/m3；cp為空氣比熱容，J·(kg·K)；T∞為環(huán)境溫度，K；g為重力加速度，m/s2。

當(dāng)D*/dx介于4～16時(shí)，可以得到較好的結(jié)果。經(jīng)計(jì)算，選擇網(wǎng)格尺寸為0.1 m×0.1 m×0.1 m，并對電纜所在區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，局部加密后的網(wǎng)格尺寸為0.05 m×0.05 m×0.05 m，即可滿足模擬準(zhǔn)確性要求。

2 結(jié)果與討論

水霧粒徑大小作為細(xì)水霧滅火中的重要參數(shù)，直接影響滅火效率，粒徑較大的水霧霧滴可以克服縱向的慣性力，但是容易沉降；而相同流量下，霧滴粒徑變小，霧滴數(shù)目增多，總表面積增大[16]，水霧降溫效果好，但是在縱向煙氣作用下易彌散，對管廊內(nèi)煙氣的沉降影響顯著，因此探究不同粒徑對于綜合管廊電纜火災(zāi)煙氣抑制作用以優(yōu)化細(xì)水霧粒徑范圍具有一定工程價(jià)值。

通過對不同工況開展數(shù)值模擬計(jì)算，研究在火源和垂壁上游施加細(xì)水霧作用下煙氣的變化?？紤]水霧流量、水霧平均粒徑和噴頭距離擋板間距對管廊通道內(nèi)煙氣蔓延、頂棚下方溫度的分布，設(shè)計(jì)如表2所示的17組模擬工況。

表2 模擬工況匯總表Table 2 Summary of simulated operating conditions

2.1 粒徑對煙氣和溫度的影響

能見度是管廊中空氣透明度的重要表征，火場的能見度也是煙氣濃度的另一種體現(xiàn)。圖2是t=300 s，流量為0.5 L/min時(shí)，不同粒徑條件下，管廊內(nèi)1.8 m高度處能見度分布情況俯視圖，X=10 m處是擋煙垂壁所處的位置，X=13 m是噴頭所在位置，空白部分為能見度小于12 m區(qū)域?？梢钥闯觯F粒徑在50 μm時(shí)，水霧下游煙氣有所沉降，100 μm時(shí)水霧下游煙氣沉降率高，大量煙氣下降至近地側(cè)，僅有少量煙氣從水霧下方穿過，相比于粒徑較小的水霧，粒徑為200 μm和300 μm的水霧作用下煙氣下沉趨勢不明顯。

圖2 不同粒徑下管廊內(nèi)1.8 m高處能見度大小俯視圖Fig.2 Top view of visibility at the height of 1.8 m in the corridor under different particle sizes

圖3為t=300 s，流量為0.5 L/min時(shí)不同粒徑噴頭下方的低溫區(qū)域。藍(lán)色虛線代表擋煙垂壁所處的位置即Y=10 m處，紅色虛線是指噴頭所處的位置即Y=13 m處，空白部分為溫度大于20 ℃區(qū)域。從圖中可以看出，粒徑為100 μm時(shí)對噴頭下方溫控較好，200 μm粒徑次之，300 μm粒徑細(xì)水霧噴頭下方低溫區(qū)域面積最小，說明該粒徑作用下，對噴頭下方的溫降也不明顯，對噴頭下方的溫降能力有如下規(guī)律：100 μm>200 μm>50 μm>300 μm。噴頭下游的煙氣層溫度則是50 μm粒徑溫度最低，高溫范圍也小，對噴頭下游煙氣層溫降能力大小排序?yàn)椋?0 μm>100 μm>200 μm>300 μm。

圖3 不同粒徑噴頭下方低溫區(qū)域分布Fig.3 Regional distribution of low temperature under sprinklers with different particle sizes

2.2 流量對煙氣和溫度的影響

圖4為t=300 s，在粒徑50 μm時(shí)，不同流量細(xì)水霧作用下?lián)鯚煷贡谙掠螣煔鉁囟确植记闆r，圖中空白部分為溫度低于30 ℃區(qū)域，火源位于垂壁上游5 m處。觀察圖4(a)和圖4(b)可發(fā)現(xiàn)，雖然擋煙垂壁能夠阻擋一部分煙氣，但煙氣仍舊蔓延至擋煙垂壁下游，僅能從一定程度上降低下游的煙氣層溫度。而在擋煙垂壁下游設(shè)置水霧后明顯地降低了下游煙氣層溫度，且這種溫度降低的效果隨著水霧流量的增加明顯增強(qiáng)，當(dāng)水霧流量達(dá)2.5 L/min時(shí)，管廊內(nèi)頂棚下已難以形成連續(xù)的高溫區(qū)域，若流量持續(xù)增加至3.0 L/min則下游將不存在大于30 ℃的溫度范圍。

圖4 不同工況下管廊中央煙氣層溫度分布Fig.4 Temperature distribution of smoke layer in the center of pipe corridor under different working conditions

圖5為t=300 s時(shí)，管廊中央處的流場分布，由圖5(a)和圖5(b)可知，在垂壁下游設(shè)置細(xì)水霧幕之后，煙氣越過垂壁流動(dòng)至細(xì)水霧幕處運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生了明顯變化，在細(xì)水霧的作用下，煙氣發(fā)生了沉降，煙氣層流紊亂，噴頭下方形成了小的渦旋，加劇了氣體的局部環(huán)流，煙氣明顯的被向下拉伸，僅有部分煙氣經(jīng)過細(xì)水霧幕，向下游蔓延而去。

圖6為t=300 s，粒徑50 μm時(shí)，不同流量細(xì)水霧作用下管廊內(nèi)2.3 m高處溫度切片，空白部分為溫度小于30 ℃區(qū)域?？梢钥闯觯趪婎^下游會(huì)隨著水霧流量的增加，低溫區(qū)域越大。在流量為0.5 L/min時(shí)，2.3 m高度處沒有溫度低于30 ℃區(qū)域，流量為1.0 L/min時(shí)，僅在噴頭下方產(chǎn)生了部分低溫區(qū)域。而隨著水霧流量的增大，噴頭下游的低溫區(qū)域越來越大，降溫效果也越來越明顯。

圖6 不同流量下管廊中2.3 m高處溫度分布俯視圖Fig.6 Top view of temperature distribution at the height of 2.3 m in the pipe corridor under different flow rates

圖7是不同水霧流量下，經(jīng)過噴頭下游3 m處，經(jīng)過管廊橫截面的熱通量?？梢钥闯觯瑖婎^流量越大，噴頭下游的管廊橫截面通過的熱量就越少，在僅有擋煙垂壁的作用下，熱通量的減少率為17.7%，而在不同流量(0.5～3.0 L/min)細(xì)水霧幕的作用下噴頭下游的熱通量減少率分別為46.6%、60.7%、82.9%、85.7%、87.0%、87.3%?？梢?，單獨(dú)使用擋煙垂壁對熱通量降低的效果不顯著，在與細(xì)水霧幕共同起作用時(shí)，可大大降低通過管廊橫截面的熱通量，能夠避免上游火災(zāi)煙氣以及熱量向其他防火分區(qū)蔓延，對噴頭下游起到保護(hù)作用。

圖7 不同流量噴頭下游3 m處管廊橫截面熱通量變化圖Fig.7 Variation diagram of heat flux in cross section of pipe corridor 3 m downstream of sprinkler with different flow rate

圖8為不同流量下50 μm細(xì)水霧在距離垂壁不同水平距離下熱電偶的溫度分布值?？芍瑖婎^流量越大，垂壁下游煙氣溫度就越小，這種溫降在擋煙垂壁下方并不明顯，在距離垂壁4.5 m處，各流量細(xì)水霧在頂棚處取得的溫度為88、59、50、38、32、31以及28 ℃，溫降率分別為43%、56%、73%、83%、84%以及89%。這說明細(xì)水霧與擋煙垂壁協(xié)同可以明顯降低管廊內(nèi)上層空間溫度，在粒徑相同情況下水霧流量越大，溫降率越高。但隨著水霧流量的增加，溫度降低的趨勢也呈現(xiàn)出了由快到慢的變化。

圖8 不同水霧流量對于頂棚下方煙氣層溫度的影響Fig.8 Effect of different water fog flow rate on the temperature of smoke layer under the roof

圖9為不同流量細(xì)水霧對于噴頭前后溫降的影響隨時(shí)間變化圖，在噴頭上游2 m前，高溫?zé)煔馐軗鯚煷贡诘乃p作用溫度已經(jīng)較低，此時(shí)，由于頂棚處的高溫?zé)煔馕唇佑|到細(xì)水霧故其溫度與無水霧工況相差不大，在細(xì)水霧粒徑為50 μm時(shí)，出現(xiàn)了溫度高于無水霧的情況，那是由于細(xì)水霧阻擋導(dǎo)致部分煙氣回流所致。而在噴頭上游0.5 m處，各流量下管廊中央的最高溫度相較于無水霧工況，已出現(xiàn)明顯下降，在噴頭下游0.5 m和2 m處，流量大小對于溫度降低的趨勢更加明顯，在噴頭下游可清楚地觀察到，流量越大，管廊中央的最高溫度越低，當(dāng)水霧噴頭流量為2.0、2.5、3.0 L/min時(shí)，噴頭下方的溫度能穩(wěn)定地維持在環(huán)境溫度，但也應(yīng)該注意到，當(dāng)流量大于2.0 L/min時(shí)，繼續(xù)加大水霧流量，最高溫度下降已不再明顯，這說明也存在最佳流量。

圖9 不同水霧流量條件下垂壁下游不同位置處的最高溫度分布Fig.9 Maximum temperature distribution at different positions downstream of vertical wall under different water fog flow conditions

根據(jù)圖9(d)所示，適宜的流量范圍介于1.5～2.0 L/min，通過細(xì)分流量為1.6～1.9 L/min來確定最佳的水霧流量，如圖10所示，1.9 L/min細(xì)水霧流量與垂壁協(xié)同時(shí)可起到較好的控制下游溫度的效果，可認(rèn)為噴頭流量為1.9 L/min最佳。

圖10 最佳流量的確定Fig.10 Determination of optimal flow rate

2.3 噴頭與擋煙垂壁距離對煙氣的影響

圖11為t=200 s時(shí)，噴頭與擋煙垂壁不同距離對管廊中央煙氣分布的影響，空白區(qū)域?yàn)闇囟鹊陀?0 ℃區(qū)域，可認(rèn)為該區(qū)域沒有高溫?zé)煔??？芍?，?dāng)噴頭距離垂壁1 m時(shí)，有煙氣通過水幕逸散到下游，并形成了穩(wěn)定的煙氣層，而噴頭距離垂壁2 m時(shí)，擴(kuò)散到下游的煙氣明顯減少，而此距離為3 m時(shí)，將不會(huì)有煙氣通過水幕。但超過3 m距離后，不僅在擋煙垂壁下游與噴頭上游之間存在連續(xù)的高溫?zé)煔鈪^(qū)域，且會(huì)有部分煙氣通過水幕，擴(kuò)散至下游。因此，噴頭距離垂壁過遠(yuǎn)或過近均會(huì)影響水幕的擋煙效果，在設(shè)定工況下，噴頭距離垂壁距離為3 m可達(dá)到較為理想的效果。

圖11 噴頭位于垂壁下游不同位置對管廊煙氣分布的影響Fig.11 Effect of different positions of sprinkler located downstream of vertical wall on smoke distribution of pipe gallery

圖12為噴頭與擋煙垂壁距離不同時(shí)，擋煙垂壁下游和管廊中央頂棚下方的溫度分布圖?？梢钥闯?，噴頭距離擋煙垂壁越近，垂壁下游的溫度下降得越快，但噴頭下游溫度會(huì)存在小幅度上升，說明存在部分煙氣擴(kuò)散至下游，但噴頭距離垂壁3 m時(shí)，噴頭下游不會(huì)出現(xiàn)溫升，說明對煙氣溫度的控制效果較好，而噴頭距離垂壁間距大于3 m時(shí)，垂壁和噴頭間會(huì)出現(xiàn)連續(xù)高溫區(qū)域，溫度降低趨勢減緩，且噴頭下游溫度會(huì)出現(xiàn)部分煙氣。綜上，可認(rèn)為將噴頭設(shè)置在垂壁下游3 m處，能發(fā)揮較好的控?zé)熜Ч?。?dāng)然，所得到并非適用于任何條件下。

圖12 噴頭距垂壁位置對管廊中央頂棚溫度的影響Fig.12 The influence of the position of the sprinkler from the vertical wall on the temperature of the central roof of the pipe corridor

3 結(jié)論

通過對細(xì)水霧在管廊中的應(yīng)用形式進(jìn)行了數(shù)值模擬，將細(xì)水霧與擋煙垂壁聯(lián)合應(yīng)用在管廊中，分析二者結(jié)合共同充當(dāng)擋煙分隔的有效性。得出了以下結(jié)論。

(1)細(xì)水霧與擋煙垂壁聯(lián)合使用時(shí)，擋煙垂壁降低的煙氣的縱向慣性力，在相同流量下，即使粒徑較小的水霧對阻擋管廊內(nèi)煙氣的蔓延也能起到較好的效果，50 μm和100 μm對噴頭下方的溫降能力更強(qiáng)，在工程實(shí)踐中建議水霧粒徑應(yīng)設(shè)置在50～100 μm。

(2)單獨(dú)使用擋煙垂壁對熱通量降低的效果不顯著，在與細(xì)水霧幕共同起作用時(shí)，噴頭流量越大，噴頭下游的管廊橫截面通過的熱量就越少，但是存在最佳流量。

(3)噴頭流量一定時(shí)，粒徑越小的細(xì)水霧對煙氣溫度的降低越明顯。細(xì)水霧的粒徑一定時(shí)，噴頭流量越大，對煙氣溫度的降低效果就越好，并確定了在設(shè)置工況下的最佳噴頭流量為1.9 L/min。