論文發布

城市地下綜合管廊火災煙氣溫度場研究

趙永昌１，２，３，朱國慶１，２，３，高云驥１，２，３

（１．中國礦業大學安全工程學院，江蘇徐州２２１１１６；

２．中國礦業大學煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室，江蘇徐州２２１１１６；

３．中國礦業大學消防工程研究所，江蘇徐州２２１１１６）

摘　要：為研究綜合管廊電力艙室內火災初期溫度場特征，建立1:3.6小尺寸綜合管廊模型，通過改變盛放汽油盤的大小改變火源功率，進行油池火火災實驗。運用Origin軟件對溫度數據進行分析，得到煙氣溫度與距離的衰減經驗公式；運用FDS軟件對與實驗相同工況下的幾何模型進行計算機模擬，以驗證FDS模擬結果準確性。實驗結果表明：不同火源功率下，煙氣溫度均呈現冪函數衰減；火源功率較大時，溫度衰減梯度也較大；對距火源0.3m處垂直方向上煙氣溫度進行分析得知，火災煙氣蔓延過程中存在煙氣分層現象。通過FDS模擬結果與實驗結果對比，得出兩者結果較為相近。

關鍵詞：地下綜合管廊；油池火；Origin;FDS;火災煙氣；溫度場；火災實驗；數值模擬

中圖分類號：X913.4，TK121，TU990.3　文獻標志碼：Ａ

文章編號：1009-0029(2017)01-0037-04

綜合管廊內部存在大量管線，一旦發生火災事故易導致火勢迅速擴大。伴隨著火勢增長，不完全燃燒產生的大量高溫有毒有害氣體會在管廊內部迅速蔓延，增加救援難度。因此，結合火災的嚴重性及綜合管廊的特殊性，研究地下綜合管廊內部火災煙氣溫度場特性可為相關規范制定及地下綜合管廊火災防治提供參考。

林俊等人基于FDS數值模擬軟件，對熱釋放速率恒定情況下不同通風風速和防火分區長度對火災煙氣溫度、蔓延速度、濃度及能見度的影響進行研究，并針對綜合管廊內防火分區的劃分提出建議；李文婷分析電纜火災原因，測量電纜質量損失速率和熱釋放速率參數，運用FDS軟件進行數值模擬，對綜合管廊電纜火災煙氣擴散和溫度變化進行研究；Kim HS等人運用CFD數值模擬軟件，建立以體積熱源為火源的圓形和矩形綜合管廊模型，對煙氣溫度、空氣流速及煙氣流量進行對比分析，得知圓形綜合管廊模型煙氣溫度高于矩形。

筆者在隧道模型基礎上搭建了1:3.6的小尺寸綜合管廊實體模型，通過油池火試驗，對電力艙室火災初期溫度場特征進行研究；并利用ＦＤＳ模擬進行對比分析。

1綜合管廊火災模型試驗

1.1小尺寸試驗模型

以某綜合管廊為研究背景，其內徑為5.4m，形狀為圓形。實體模型由5段分別為2m且相同材質的混凝土空圓柱體緊湊拼接而成；空心圓柱體外徑為1.8m，內徑為1.5m。由于電力艙室僅占綜合管廊內部約1/4區域，因此小尺寸電力艙室模型所占區域設為空心圓柱體的1/4區域，如圖１所示。

                          圖1　小尺寸模型示意圖

1.2　熱電偶布置

綜合管廊電力艙室模型總長度為10m。圖2為各熱電偶位置示意圖。由于熱電偶布置較多，在縱向上僅列出火源一側熱電偶溫度測點。其中，A點位于距模型開口0.5m處，且為火源正上方溫度測點。A、B、C、D、E、F、G各測點中，相鄰兩測點間距為0.5m，其余位置間距為1.0m。距火源0.3m處布置垂直熱電偶樹，相鄰兩只熱電偶的間距為0.15m。

1.3火源熱釋放速率的確定

由于燃料自身和外界環境的影響，燃料不可能完全燃燒，此時需要考慮燃料燃燒效率。筆者運用氧耗原理，利用錐形量熱儀測得油池火熱釋放速率和燃料質量損失速率，得到燃燒效率為０．７８。通過改變盛放汽油盤的大小改變火源功率，火源功率通過測量燃料燃燒的熱質量損失得到，計算公式見式（1）。

式中：Q為火源熱釋放速率，KW;m為燃料質量損失速率，kg/s；η為燃料燃燒效率；ΔH為燃燒熱值，KJ/Kg，取KJ/Kg。試驗過程中相關參數，如表１所示。

1.4結果與分析

1.4.1　溫度場縱向分布

火源功率的改變對綜合管廊內溫度場影響很大。為詳細研究不同火源功率時穩定期煙氣溫度分布，分別對200~400s不同測點處煙氣溫度求平均值，測點平均溫度如表2所示。由表2可知，電力艙室頂部溫度隨著火源功率增大而增加；但相距火源越遠處，不同火源功率對應的溫度差值越小。當火源功率較大時，距離火源中心越近溫度梯度越大，這主要是因為火源附近熱輻射損失較大，導致溫度下降較快。

對不同火源功率下的煙氣溫度與距火源的距離進行繪圖，并采用冪函數進行擬合，如圖3所示。從圖3可知，冪函數可以較好地擬合煙氣溫度隨距離的衰減情況，因此電力艙室頂部溫度呈冪函數衰減。

圖3中，對火源功率為90、70、53KW時煙氣溫度縱38向分布進行擬合，得到熱電偶溫度與距離的指數函數表達式，見式（2）～式（4）

擬合均方差分別為0.996、0.987、0.988，該值越接近１，說明方程擬合度越高。由此得知，該階段煙氣溫度與距離擬合結果較為理想。從式（2）～式（2）可知，隨著火源功率增加，煙氣溫度衰減速度逐漸增加。對表2中數據進行分析得知，距火源中心的距離每增加0.5m，相鄰兩測點的溫差分別為51、43、29、46、16℃。在不考慮距火源中心２．０ｍ處測點溫度反常外，距離火源越遠處煙氣溫度越低且衰減速度越慢。距離火源2.0m處測點溫度呈現反?，F象的原因可能為：（ａ）試驗過程中所選擇Ｋ型熱電偶的劣化程度不同；（ｂ）熱電偶插入測點位置的深度不同。

1.4.2　垂直方向溫度分布

選取90KW下距火源0.3m處垂直熱電偶的溫度進行分析，如圖4（a）所示，圖4（b）為不同溫度測點處，200～400ｓ穩定期垂直方向煙氣溫度平均值變化示意圖。

圖4（a）中，煙氣溫度有明顯的跳躍現象，具體表現為0.75、0.6m處測點溫度較高且相近，其余三組較低位置處測點溫度較低且相近。圖4（b）中，0.6、0.75m兩組測點平均溫度分別為350、341℃；0.15、0.3、0.45m三組較低位置處測點溫度分別為201、214、220℃。由于溫度測點相距火源較近，因此火源熱輻射對測點溫度具有一定影響。通過觀察燃燒過程得知，火災煙氣蔓延過程中呈現明顯的煙氣分層現象，因此煙氣溫度出現跳躍現象。

2　數值模擬

2.1　模型建立

利用ＦＤＳ模擬軟件建立一個10mx0.75mx0.75m（x×y×z×）的小尺寸綜合管廊電力艙室模型，此模型尺寸和所布置熱電偶的數量、位置與小尺寸實體模型完全相同。

2.2　火源功率

火源設于模型中心位置，面積為0.15㎡；單位面積的火源熱釋放速率為600KW/㎡，即火源功率為90KW，與模型試驗中油池火的火源功率相同。為模擬油池火燃燒過程，在試驗模擬600s的全過程中，前100s火源熱釋放速率均勻增加，100～500s維持穩定，500～600s逐漸減小到零。

2.3網格設置

在ＦＤＳ模擬過程中，網格在犡軸上長度的劃分分別為3.2、2.3m；網格大小為0.05m×0.05m×0.05m。

3　試驗與模擬結果對比分析

3.1　縱向溫度對比

通過對火源功率90KW時進行FDS模擬，將距離火源中心不同距離處煙氣溫度數據經Origin軟件處理后繪制成圖像，如圖5（a）所示。圖5（b）為200～400s穩定期間，距火源中心不同距離測點處煙氣溫度試驗值與相同工況下FDS模擬值的對比情況。

圖5（a）中，火源正上方位置處煙氣溫度最高。通過對比距火源0.5、1.0m處煙氣溫度得知，火源兩側相同距離處煙氣溫度基本相等。隨著距火源中心距離的增加，煙氣溫度存在縱向衰減且衰減速度逐漸減慢。圖5（b）中，火源正上方煙氣溫度可高達370℃，而試驗所測火源正上方煙氣溫度為333℃，兩者溫度相差較大。觀察燃燒現象并分析得知：FDS模擬測得的火源正上方煙氣溫度受火焰溫度影響較大，因此溫度相對較高。模擬過程中，距火源0.5、0.15、2.0、2.5m處煙氣溫度分別為294、247、211、183、162℃，與試驗結果較為接近。

3.2　垂直方向溫度對比

通過FDS模擬獲得火源功率為90KW，距火源0.3m處不同高度的煙氣溫度，如圖6（a）所示。圖6（b）為垂直方向煙氣溫度試驗值與FDS模擬值對比。圖6（a）中，煙氣溫度表現出明顯的跳躍現象。為詳細分析各測點處溫度分布，對200～400s期間煙氣溫度

求平均，得知垂直方向上0.60.75m處煙氣溫度分別約為335、348℃，兩者相差不大0.150.3、0.45m處煙氣溫度相差也較小。圖6（b）中，試驗煙氣溫度與FDS模擬結果較為相近，驗證結果較好。

４　結　論

為研究綜合管廊電力艙室火災初期溫度場分布，建立了1:3.6的小尺寸綜合管廊電力艙室模型，通過油池火火災試驗，得到結論如下。

（1）不同火源功率下，綜合管廊電力艙室內煙氣溫度均存在縱向衰減，且呈現出冪函數分布。利用Origin軟件對煙氣溫度數據進行擬合，得到煙氣溫度與距離的衰減經驗公式。

（2）相同火源功率下，煙氣溫度衰減梯度逐漸減小。在70KW火源功率下，距火源中心0.5、1.0、1.5m處溫度梯度分別為49、24、18℃。隨著火源功率增加，煙氣溫度也隨之增加，但由于熱輻射作用，其溫度衰減梯度也較大。在53、70、90KW火源功率下，距火源中心0.5m處溫度衰減梯度分別為41、49、51℃。

（3）對距火源0.3m處垂直方向的煙氣溫度進行分析，得知不同高度測點處煙氣溫度呈現明顯的跳躍現象，分析其原因是煙氣蔓延過程中分層現象所致。

（4）運用FDS軟件對與模型試驗相同工況下的幾何模型進行計算機模擬，并將模擬結果與試驗結果對比。結果顯示，縱向煙氣溫度和垂直方向煙氣溫度較為相近，即FDS模擬技術可靠性較好。