綜合管廊斷面和風速對排煙影響的數值模擬研究

謝安生，韋 巖，楊 款

（1.長安大學建筑工程學院，陜西西安710064；2.長安大學環境科學與工程學院，陜西西安710064）

綜合管廊即城市綜合管道走廊，是位于城市地下的一個狹長的隧道空間，將電力、通信、燃氣、給水等市政管線集中敷設在其中，是保證城市正常運行的重要基礎設施。綜合管廊內火災主要是由電纜電火花、短路等現象引起的，由于管廊位于地下，出入口較少，火災后產生的高溫煙氣和有毒有害氣體會積聚在管廊內，對人員和設備造成損害。因此，綜合管廊內通常都設有通風系統，以排除管廊內的余熱以及火災后產生的煙氣。

國內外學者對于隧道火災方面進行了大量的研究。閆治國、楊其心[1-2]等人采用大比例模型試驗研究了不同風速條件下溫度和風速的發展規律；王日升[3]等采用三維瞬態模擬軟件模擬了公路隧道火災排煙時的臨界風速，并得出火災煙氣在隧道中的蔓延規律；張玉春[4]等采用三維模擬軟件，對比研究了縱向風和橫向風條件下煙氣的蔓延規律；趙永昌［5］等采用FDS 模擬軟件，模擬了綜合管廊火災煙氣的溫度場并得到管廊內的煙氣蔓延以及溫度變化規律；彭玉輝［6］等采用數值模擬的方法，研究了隧道內電纜發生火災時的煙氣濃度及縱向溫度變化規律。

綜合國內外學者的研究可以看出，綜合管廊在火災方面的研究大都借鑒了公路隧道火災的經驗，關于綜合管廊火災方面的研究很少，而綜合管廊斷面高寬比和通風速度對于電纜艙火災排煙的影響方面研究更少。本文應用火災模擬軟件PyroSim 對綜合管廊電纜艙火災進行模擬，討論斷面高寬比和通風速度對火災排煙效果的影響，以期為綜合管廊建設提供參考性意見。

1 模型的建立

1.1 電纜艙的幾何特征

根據相關規范，綜合管廊內部凈高不宜小于2.4米，內部凈寬應該滿足管道、配件及運輸的要求，不宜小于0.9 米。其中，電纜水平敷設的空間需滿足如下要求[7]：最上層支架距離其他設備的凈距不宜小于300 mm；最下層支架距離綜合管廊底板的凈距不宜小于100 mm；中間的電纜支架層間距應根據電纜的電壓等級、類別確定，可參考表1中的各項指標。

表1 電纜支架層間垂直距離的允許最小值 mm

根據以上條件，選取三種不同截面類型的綜合管廊為研究對象，在相同通風速度的條件下為保證其通風量相同，控制其截面面積均為9 m2，斷面尺寸分別為3.6 m（高）×2.5 m（寬）、3 m（高）×3 m（寬）和2.5 m（高）×3.6 m（寬），高寬比分別為1.44、1.0、0.7，分別記為類型1、類型2和類型3，取一個通風區間長度為200 m。

1.2 PyroSim建模

PyroSim被用來建立火災模擬，并對火災中煙氣的運動、溫度和濃度進行預測分析，采用大渦模擬控制微分方程來描述火災煙氣的流動情況，大渦模擬能較好的處理湍流與浮力之間的相互作用，使求解更加精確。網格劃分的好壞會對計算結果產生很大影響，綜合考慮計算時間和計算精度，選擇網格尺寸為0.2 m×0.2 m×0.2 m。該軟件以單位面積熱釋放速率（HRR）定義火源的大小，目前在國內，根據火源功率，火災大小可分為以下三種：小型火災3 MW，中型火災20 MW，大型火災50 MW[8]。由于管廊內空間狹小且著火材料為電纜，一般為小型火災，取HRR 為3 000 kW/m2，由于火源熱釋放速率會隨著燃燒時間而不斷變化，因此設置火源類型為非穩定火源模型即t2模型，增長時間為60 s[8]，火源位于第二列中間100 m 處。電纜艙內主要燃燒物質為電纜，其絕緣材料大部分為聚氯乙烯，基本物性參數：密度為1 380 kg/m3，比熱為1.289 kJ/（kg·K），電導率為0.192 W/（m·K），電纜點火溫度為250 ℃，熱釋放速率為265 kW/m2。電纜艙壁面材料為混凝土，其物性參數：密度為2 280 kg/m3，比熱為1.04 kJ/（kg·K），厚度為0.3 m，并允許向墻后土壤散熱。通風方式采用機械進風和機械排風，兩個風口分別位于該通風區間兩端上側，風口尺寸為1 m×1 m。根據相關標準要求，排風口風速不得大于5 m/s，為比較不同風速大小對排煙的影響，風速分別取5、4 和3 m/s，送風溫度取環境溫度。根據一些工程所得經驗，當綜合管廊內發生火災時，通常先關閉火災區域的所有通風口使其窒息滅火，確認火災熄滅后，再開啟通風設備進行通風換氣和排煙。參考相關資料，為了防止火災復燃，當火災熄滅0.5 h 以后方可進行機械通風。根據模擬結果得知火災在密閉管廊內的燃燒時間不超過10 min，故在2 400 s 后打開通風系統，并設定通風排煙的時間為2 400 s，模擬時長共計4 800 s。在高度方向每隔0.5 m、長度方向每隔10 m設置一個熱電偶以便于分析電纜艙內煙氣的變化過程。為了使求解方便，建模時作如下假設：電纜物性參數均為常數且不隨溫度變化而變化；電纜支架等不會燃燒且分區段布置，對結果影響很小故忽略電纜支架；模擬過程中不考慮自動滅火系統的作用。

1.3 模擬工況設計

依據三種不同截面類型和不同通風速度，生成模擬方案表，共設計9組模擬工況，具體如表2所示。

表2 模擬方案表

通過以上模擬工況的設計，最終根據模擬結果進行對比，分析比較綜合管廊斷面高寬比和通風速度對排煙的影響。

2 模擬結果分析

2.1 排煙過程煙氣變化規律

排煙過程的煙氣變化情況如圖1 所示，為方便觀察，沿高度方向對管廊進行適當放大?；馂南绾笤诿荛]條件下靜置冷卻超過0.5 h后，管廊各點均充滿了煙氣且煙氣量較大。排煙初期，送風口區域處首先出現無煙區，排煙效率最高，而其他區域肉眼所見無明顯變化。中期階段，可以看到整個縱斷面上煙氣密度差別明顯，煙氣主要集中在頂棚下，下部區域可見度明顯高于上部區域，形成上部煙氣下部空氣的分層。排煙后期，除頂棚下有少量煙氣外，煙氣已基本排出。由此可以看出，管廊內排煙順序由下而上，下部區域煙氣先被排出，頂棚下排煙效率最低，原因是送風溫度為室外空氣溫度，較管廊內煙氣溫度低，送風主要沿著下部區域流動，下部空氣流速和流量明顯高于上部區域，因此能更好的排出煙氣。

2.2 各工況煙氣密度變化情況對比

為方便觀測各個時刻煙氣密度變化情況，在火源處橫截面上每隔0.5 m高設置一熱電偶，通風時間每隔100 s取一測量值并繪制曲線圖。為比較通風速度大小對排煙效率的影響，控制其斷面高寬比相同，將以上9種工況分為3組作比較，其中類型1在三種風速下煙氣密度大小隨通風時間的變化情況如圖2所示。

圖1 排煙過程煙氣變化規律

圖2 類型1煙氣密度變化情況

由圖2 可以看出，在0 時刻，煙氣密度大小隨著垂直高度的增加而不斷增大，即管廊內煙氣處于相對穩定狀態時，上部區域的煙氣量大于下部區域，原因是煙氣溫度較管廊內空氣溫度高，密度小，煙氣主要集中在上部。在排煙初期，三種工況下煙氣密度均有明顯的上升，原因是開始通風時，管廊內煙氣由靜止開始流動，由于通風區間較長，通風有一定的滯后性，上游的煙氣向下游聚積導致密度暫時增大，而隨著通風時間的增加，密度開始減小，且始終呈現上部煙氣密度大于下部的分布規律。其中，工況1煙氣密度減小率最大，約500 s時下部區域已趨近于零，500 s以后上部區域排煙效率稍有減小，約1 500 s 時降為零，此時整個截面上已基本沒有煙氣。對于工況2，整個過程相較工況1 稍有延后，歷時約1 800 s。而工況3 中，相較于工況1 和工況2，各個高度上的排煙速率均較緩慢，所用時間大大增加。綜合比較三種工況可以看出，隨著通風速度的不斷減小，整體排煙效率也不斷減小，當風速過小時會使通風時間顯著增加，影響管廊的正常運行，因此需控制風速不應小于某一值。然而通風速度增加也就意味著能耗增加，以工況1 和工況2 為例，兩者風速相差1 m/s，通風時間相差約300 s，綜合考慮經濟性及實際運行等方面因素，哪種工況更為合理還有待進一步研究。

類型2 中，工況4 的排煙時間為1 300 s，工況5 的排煙時間為1 600 s，工況6的排煙時間為2 000 s。類型3 中，工況7 的排煙時間為1 100 s，工況8 的排煙時間為1 400 s，工況9 的排煙時間為1 900 s。由此可以看出，類型2和類型3的煙氣密度變化規律與類型1基本相同，隨著通風速度的減小，排煙效率也減小，不同的是，截面類型不同，排煙所花費的時間也不相同，因此可以推測排煙效率與截面的形狀也有關系。

為比較斷面高寬比對排煙效率的影響，應控制其通風速度相同。其中，當風速為4 m/s時，三種類型煙氣密度變化情況如圖3所示。

由圖3 可以看出，三種類型煙氣密度變化規律相同，均有一個上升的過程而后開始下降最后降為零且上部區域煙氣密度始終大于下部區域。工況2中，下部區域排煙速度最快，約600 s 時密度大小趨近于零，600 s 以后，上部區域排煙速度稍有減慢，密度曲線較為平緩，1 800 s 時最上層煙氣密度降為零，此時，整個斷面上煙氣已基本排除干凈，排煙過程歷時約1 800 s。工況5 中，其整體排煙效率高于類型1，各高度處密度梯度沒有大的差別，約800 s時下部區域煙氣密度趨近于零，約1 600 s時最上層煙氣密度降為零，比類型1提前了約200 s。工況8 的整體排煙效率最高，其中，下部區域排煙效率與工況5基本相同，均為800 s，1 400 s時刻最上層煙氣密度已幾乎為零，相較類型1 提前了約400 s。綜合比較以上三種工況可以看出，通風量相同時，斷面高寬比對于排煙效率影響較大。對于高寬比較大的類型1，由于其高度較大，導致同一斷面上速度差別明顯，送風主要沿著下部區域流動，下部區域風速明顯高于上部區域，所以在三種類型里面，其下部區域排煙效率最高，上部區域排煙效率最低。反觀高寬比較小的類型2和類型3，雖然其下部排煙效率比類型1低，但由于其高度較小，同一截面上下速度差較小，所以整體排煙效果較好。

圖3 三種類型煙氣密度變化情況

當風速為5 m/s，工況1的排煙時間為1 500 s，工況4 的排煙時間為1 300 s，工況7 的排煙時間為1 100 s。當風速為3 m/s時，工況3的排煙時間為2 200 s，工況6的排煙時間為2 000 s，工況9的排煙時間為1 800 s，與以上所得規律相印證。

3 結 論

通過對綜合管廊電纜艙火災排煙階段的煙氣密度變化情況進行模擬分析，得出以下結論：

（1）排煙過程中，管廊內排煙順序由下而上，下部區域排煙效率高于上部區域且距離送風口越近排煙效率越高；整個排煙過程中同一斷面上頂部的煙氣密度均為最大，隨著高度的降低，煙氣密度也逐漸減小。

（2）在同一斷面下，隨著通風速度的不斷減小，排煙效率也不斷減小。

（3）高寬比對于排煙效率影響較大，風速相同時，高寬比越大，下部排煙效率越高，而上部排煙效率越低，高寬比越小，其整體排煙效率越高。