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城市综合管廊电力舱火灾数值模拟

时间:2021-10-25 16:54:55    

来源:《消防界》杂志    

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   责任编辑:xfj119

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城市综合管廊电力舱火灾数值模拟

  摘要:为了给综合管廊电力舱的结构设计提供技术依据,为管廊内人员逃生提供指导参考,本文对城市综合管廊电力舱进行火灾数值模拟研究,研究其火灾烟气蔓延规律、火灾后管廊内温度场分布。本文采用FDS软件进行火灾数值模拟,建立1:1的模拟模型,对火源区域进行加密网格划分,火源功率设置为2MW,快速火灾等级,火灾热释放率的增长系数α取0.04689kW/s2。模拟结果表明:火灾发生后210秒内烟气将蔓延至整个管廊,随后将逐步充满管廊空间。火灾燃烧达到顶峰时,火灾截面处管廊顶部温度达到800℃。
 
  关键词:电力管廊;火灾;数值模拟;烟气蔓延
 
  随着社会经济的进一步发展,城市地下空间得到了进一步应用,城市综合管廊就是极其重要的基础设施,对城市正常运行至关重要。综合管廊包含电力舱、燃气舱、热力舱、排水舱、综合舱等[1、2]。综合管廊处于地下封闭狭长空间,引起火灾事故的原因不易被发现,一旦发生火灾,会产生高温烟气迅速充满整个防火区间[3]。电力舱发生火灾的风险最高而且火灾危害巨大,漏电、短路等都易引起火灾。
 
  本文应用FDS模拟综合管廊电力舱内火灾状况,研究其火灾烟气蔓延规律、火灾后管廊内温度场分布,为综合管廊电力舱的结构设计提供技术依据。
 
  一、工程案例
 
  本文以某城市综合管廊高压电力舱室为对象进行数值模拟,按照1:1比例建立模型。高压电力舱室内部净宽为2.5m,净高为3.8m,长度取一个防火区间长200m,两侧布置220kv和110kv的电缆,左右各五层,综合管廊断面图如图1所示。
 

图1电力舱管廊断面图
 
  (一)模型建立
 
  本文对一个防火分区(200m)的电力舱室进行建模,管廊高3.8米、宽2.5米,去掉支架等无关内容,仅保留电缆,其模型简化如图2所示,在FDS中对模型进行网格划分及参数设置,着火区设置在管廊中部,着火长度为1m,引火源设置在第二层电缆下方,为了精简网格数量、节省计算机的运算时间,本文对模拟网格划分进行了特殊处理,网格总数54600个,如图3所示。
  图2 电力舱模型简化图
 
  图3 模型网格划分图
 
  (二)火源设置
 
  实际的火灾燃烧更接近一个非稳态过程,存在着增长阶段、稳定阶段和衰减阶段,通常采用t2火灾模型来表述非稳态火灾[4]。
 
        
(1)
 
  式中:Q——火灾的热释放率,单位为kW。
 
  α——火灾热释放率的增长系数,单位为kW/s2。
 
  t——火灾发生的时间,单位为s。
 
  本次模拟采用非稳定火源,火灾等级选取快速火,α取0.04689,引火源位置取左侧倒数第二层电缆侧面,火源功率2MW,面积为1m×0.2m。
 
  (三)工况及测点设置
 
  本文模拟管廊灭火系统失效、防火门及通风口关闭的情况下,发生火灾后管廊内火灾发展、烟气蔓延、温度分布等状况。为了便于分析管廊内部温度场等信息,本文在y=1.25、z=2m、x=1、x=50、x=100、x=150、x=199(x为管廊长度方向,y为管廊宽度方向,z为管廊高度方向)处设置切片。本文在x=1、x=50、x=100、x=150、x=199处设置热电偶,部分测点分布如图4所示。
  图4 测点布置示意图
 
  二、结果分析
 
  (一)烟气蔓延规律分析
 
  管廊内电缆火灾后管廊内的烟气蔓延随时间的变化图,如图5所示。
  图5 火灾烟气蔓延示意图
 
  由图5可知,综合管廊火灾属于受限空间火灾,随着火灾的发展,生成的烟气越来越多。烟气受到浮力作用上升到达顶棚,并吸卷下方的空气,形成顶棚射流,烟气羽流沿着顶棚向两边逐渐扩散,烟气向两边的蔓延规律几乎成对称布置。火灾发生210秒后后,烟气蔓延至管廊两端,随后烟气逐步充满管廊,火灾在发展过程中,消耗了管廊内大部分氧气,此时管廊内氧气含量越来越低,火势开始逐渐减小,火灾开始进入衰退阶段。在t=820s,火焰因缺氧而熄灭。
 
  (二)温度场分析
 
  由烟气蔓延分析可知,火灾发生后烟气呈现对称布置,温度场分析时,仅分析火灾右侧的温度状况,火灾位置截面处布置了6个温度测点,其坐标信息为T(x,y,z),如图6所示。火灾右侧布每隔25米布置一个烟气温度测点,其坐标信息为T(x,y,z),如图7所示。
 
  图6 管廊内火灾截面处温度变化图
 
  图7 管廊内火灾右侧温度变化图
 
  由图6可知,在前250秒,火灾温度逐步变大,253秒后火灾温度有一定回落,随着火灾引燃其他电缆,火灾温度继续增大,在500秒左右火灾燃烧达到顶峰,之后随着管廊内的氧气逐步消耗,火灾温度逐步回落,在温度回落过程中,700秒至800秒左右时,火灾温度出现了波动,可能是火灾引燃了对侧电缆燃烧,对侧电缆燃烧变大,使温度增加。800秒之后,温度急剧下降至100℃左右,这是由于管廊内氧气消耗完,火焰熄灭造成。由图6可知,在火灾处管廊截面的中心线上,越接近管廊顶部温度越高,管廊顶部最高温度接近800℃,管廊内电缆火灾将对管廊内部结构造成不可修复的损伤。由图7可知,距离火灾越远,温度越低,在1.7米高处,就算在距离火灾最远端,火灾燃烧达到峰值时,其温度也超过了50℃。此温度场数据与海南消防总队做的城市地下综合管廊火灾试验数据相吻合[5]。
 
  三、结语
 
  (一)火灾发生后210秒内烟气将蔓延至整个管廊,随后将逐步充满管廊空间。
 
  (二)火灾燃烧达到顶峰时,火灾截面处管廊顶部温度达到800℃。
 
  本文模拟研究不足之处在于,建立的是理想化模型,只模拟了灭火系统失效的极端状况下管廊火灾。
 
  参考文献:
 
  [1]刘海静,王磊,相坤,等.综合管廊电力舱电缆燃烧温度及烟气分布试验研究[J].消防技术与产品信息,2018,31(12):6-13.
  [2]王明年,田源,于丽,等.城市综合管廊电缆火灾数值模拟及影响因素分析[J].中国安全生产科学技术,2018,14(11):54-59.
  [3]陈立清.某综合管廊火灾烟气数值模拟研究[D].安徽建筑大学,2018.
  [4]钟委,霍然,史聪灵.热释放速率设定方式的几点讨论[J].自然灾害学报,2004,13(2):64-69.
  [5]陈治君,张刚,石晓龙,等.城市地下综合管廊灭火系统试验[J].消防科学与技术,2019,38(1):110-112,118.
 
  作者简介:
 
  杨斌(1989—),男,汉族,硕士研究生,工程师,主要从事能源大数据及火灾数值模拟研究。
  杜贞爱 柳琦 龚哲  武汉市政工程设计研究院有限责任公司
  姜学鹏  武汉科技大学消防安全技术研究所

相关关键词: 消防论文