綜合管廊電纜艙中線性火源橫向和豎向移動對火災行為的影響研究

李抗抗

摘要：在長50m的全尺寸綜合管廊電纜艙模型中進行電纜火災試驗，研究線性火源的橫向移動和豎向移動對火焰外形、火源質量損失速率、橫向溫度分布及煙氣分層的影響。得到以下結論，火源橫向移動會使火焰發生彎曲，火源豎向移動會在頂棚形成較大的火焰面積;側墻和火焰對火源的輻射熱反饋是影響火源質量損失速率的重要因素，且火焰對火源的熱反饋要重要于側墻的熱反饋;在側墻和火焰兩種因素的共同作用下，使火源質量損失速率在火源發生橫向移動時先增加后減少，發生豎向移動時一直減少;通過對橫向溫度的分析發現，火源的橫向移動對煙氣層的厚度影響不大，但豎向移動會使煙氣層的厚度明顯減小。

關鍵詞：綜合管廊;電纜火;火焰外形;質量損失速率;橫向溫度

城市地下綜合管廊為管線的綜合治理提供了可能，不僅為居民的生活帶來了便利，更為城市的快速發展提供了保障。隨著綜合管廊在全國范圍內廣泛建設和使用，其安全問題也逐漸引起了人們的重視，尤以消防安全問題為主。因此，研究綜合管廊火災的特性，對于其安全事故的預防和治理具有十分重要的意義。

近年來，國內學者對綜合管廊火災展開了大量的研究。趙永昌[1]在1：3.6小尺寸管廊模型中進行油池火試驗，通過改變火源的功率，研究煙氣溫度沿縱向的衰減規律。楊永斌[2]通過建立綜合管廊火災數值模擬模型，研究了點火源在位于不同水平和豎直位置下，管廊內部火場溫度隨時間的變化規律。李華祥[3]開展綜合管廊液氮滅火試驗，通過改變液氮噴口方向、液氮釋放距離等注氮參數，研究綜合管廊液氮滅火的可行性。目前，多數學者通過縮尺寸試驗和數值模擬軟件來研究綜合管廊火災，而鮮有人進行全尺寸綜合管廊火災。而全尺寸模型試驗可以模擬真實情況下的火災發展規律，對于提高綜合管廊的消防安全水平更具有參考意義。故筆者在全尺寸綜合管廊電纜艙模型中進行電纜火災試驗，研究線性火源橫向和豎向移動對火焰外形、火源質量損失速率、橫向溫度及煙氣分層的影響。

1? 試驗平臺與試驗準備

試驗在長50m的綜合管廊電纜艙模型中進行，其橫截面上部為半徑1m的圓弧形，下部為寬2m、高1.3m的矩形，兩端封閉，如圖1所示。采用索尼攝像機對試驗過程進行全程錄像。采用電子天平對火源的質量損失進行記錄。采用型號為LWPIV-4WM的激光器制造綠色片光源，鏡頭扇角為90°，片光源厚度為1.5mm。采用K型鎧裝熱電偶對溫度進行測量。橫向在30°～150°范圍內每隔10°布置一個熱電偶，共布置13個熱電偶，如圖2所示。

試驗將20根1 m長的電纜均勻的擺放在長1m、寬0.25m的鐵槽上作為火源，采用30kW/m2輻射引燃的方式進行點燃，直至電纜被引燃。電纜采用60245IEC53YZ電纜，其被廣泛使用在各種電氣設備和管線中。該電纜從外到內由護套、填料、絕緣層和銅芯四部分組成，護套材料為氯丁橡膠，絕緣層材料為聚氯乙烯。在管廊中間橫截的橫向和豎向位置上分別選擇三個位置來放置火源，見圖3。每個火源位置進行兩次試驗，確保試驗的可重復性。具體試驗工況設計見表1。

2? 試驗結果與分析

2.1? 火焰外形

試驗時用攝像機對電纜的燃燒進行全程錄像，截取各工況下電纜在穩定燃燒階段的圖像，如圖4所示。

如A2所示，火源在發生橫向移動后，火焰會發生彎曲。Pan[4]在縮尺寸管廊試驗中觀察到了類似的結果，這可以用伯努利原理進行解釋。彎曲側墻限制了近墻側火焰的卷吸，使得近墻側的壓力高于另一側，導致火焰發生了彎曲。火源在貼壁時，火焰沿弧形頂噴延伸。火源沿豎向移動時，未燃燒的燃料在撞擊頂棚后，為卷吸得到更多的新鮮空氣，使得火焰沿頂棚向四周延伸，形成了較大的火焰面積，容易加快火災的蔓延。

2.2? 質量損失速率

圖5為A組在穩定燃燒階段的質量損失速率。從圖5中可以看出，火源在發生橫向移動時，質量損失速率先增加后減少，這與Ji[5]的研究結果一致。當火源發生橫向移動時，火焰會加熱側墻，從而側墻會增加對火源的輻射熱反饋，使得火源的質量損失速率增加。當火源繼續向側墻靠近，直至貼近側墻，即使側墻對火源的輻射熱反饋繼續增強，質量損失速率依然發生了下降。這是因為，側墻限制了火焰的卷吸，未燃燒的燃料只能沿彎曲頂棚蔓延，因此沿彎曲頂棚橫向延伸的火焰對火源的熱反饋減少。A3工況質量損失速率的減少，就是這兩個因素共同作用導致的。

圖6為B組在穩定燃燒階段的質量損失速率。從圖6中可以看出，火源在發生豎向移動時，與其發生橫向移動時不同，質量損失速率一直在減少，且變化幅度要比橫向移動的火源大。火源在發生豎向移動時，頂棚對火源的熱反饋加強，但由于頂棚的限制，垂直火焰的長度減少，未燃燒的燃料在撞擊頂棚后向四周蔓延。故火焰對火源的熱反饋減少，導致火源的質量損失速率隨著其豎向移動距離的增加而減少。

從以上分析可以發現，綜合管廊中火源從橫向或豎向靠近側墻時，側墻和火焰對火源的熱反饋是影響質量損失速率的關鍵因素，并且火焰對火源的熱反饋要重要于側墻對火源的熱反饋。

通過測得的質量損失速率計算火源的熱釋放速率，計算公式如下：

式中：為燃燒效率;為質量損失速率，kg/s;為完全燃燒熱，kJ/kg。

根據前人的研究，橡膠外套電纜的燃燒效率一般取0.8[6]。各工況下火源的質量損失及熱釋放速率見表2。

2.3? 橫向溫度

圖7為A組試驗的橫向溫度分布。從圖中可以看出，最高溫度均出現在火源的上方位置。在最高溫度后，溫度發生衰減。在140°左右的位置，A1、A2、A3的溫度幾乎相同，隨后其衰減趨勢幾乎一致。根據趙永昌的研究，在煙氣分層的地方，煙氣的溫度會出現躍變。原因是在煙氣與空氣分層的地方存在冷空氣的卷吸[7]。而A1、A2、A3均在140°的位置衰減到相同溫度，隨后溫度發生躍變。因此可以推測火源在同一水平位置上改變橫向距離，對煙氣的厚度并不會產生較大的影響。從圖4A組試驗照片中片光源反映出的煙氣層厚度也可以看出來這一點。

圖8為B組試驗的橫向溫度分布。從圖中可以看出，橫向溫度呈對稱分布，最高溫度出現在火源正上方。隨著火源高度的增加，頂棚最高溫度也會升高。B2火焰間歇觸及頂棚，B3火焰直接觸及頂棚，故B3的溫度要遠高于B2。B1的溫度在150°左右發生躍變，B2的溫度在130°左右發生躍變，B3的溫度在120°左右發生躍變。根據上面的分析，隨著火源高度的增加，煙氣層的厚度逐漸變薄。從圖4B組試驗的照片中也可以看出，煙氣層的厚度明顯的減小。故火源豎向移動，會對煙氣層的厚度產生影響。

3? 結語

在全尺寸綜合管廊電纜艙模型中進行電纜火災試驗，得到結論如下：

（1）火源橫向移動，側墻限制了火焰的卷吸造成兩側壓力不同，使得火焰發生彎曲;直到火源貼近側墻，火焰沿弧形頂棚延伸。火源豎向移動，未燃燒的燃料為得到更多的新鮮空氣，在撞擊頂棚后向四周蔓延，形成了較大的火焰面積，容易加快火災的蔓延。? ? ? （下轉第31頁）（上接第27頁）

（2）側墻和火焰的熱反饋是影響火源質量損失速率的關鍵因素，且火焰對火源的熱反饋要更為重要。在兩種因素的共同作用下，使得火源在橫向移動時，質量損失速率先增加后減少;火源在豎向移動時，質量損失速率一直減少。

（3）通過對橫向溫度的分析，發現火源的橫向移動對于煙氣層的厚度不會產生較大的影響;而火源的豎向移動卻會使煙氣層的厚度明顯減小。

參考文獻：

[1]趙永昌，朱國慶，高云驥.城市地下綜合管廊火災煙氣溫度場研究[J].消防科學與技術，2017，36（01）：37-40.

[2]楊永斌.火源位置對城市地下綜合管廊電力艙火災蔓延的影響研究[J].武警學院學報，2018，34（02）：14-19.

[3]李華祥，張國維，賈伯巖，等.城市地下綜合管廊液氮滅火特性試驗研究[J].中國安全科學學報，2020，30（08）：143-150.

[4]Pan， R.， et al.， Experimental study on the fire shape and maximum temperature beneath ceiling centerline in utility tunnel under the effect of curved sidewall[J]. Tunnelling and Underground Space Technology，2020（99）：103-304.

[5]Ji，J.，et al.Experimental study of non-monotonous sidewall effect on flame characteristics and burning rate of n-heptane pool fires[J].FUEL，2015（145）：228-233.

[6]杜長寶.地下綜合管廊電纜火災溫度場分布及煙氣流動特性分析[D].徐州：中國礦業大學，2017.

[7]胡隆華.隧道火災煙氣蔓延的熱物理特性研究[D].合肥：中國科學技術大學，2006.

Abstract：Cable fire tests were conducted in a 50 m long full-size integrated corridor cable chamber model to study the effects of lateral and vertical movement of a linear fire source on flame profile， fire source mass loss rate， lateral temperature distribution and smoke stratification. The following conclusions were obtained： the lateral movement of the fire source will cause the flame to bend， and the vertical movement of the fire source will form a larger flame area in the roof; the radiative heat feedback from the sidewall and the flame to the fire source is an important factor affecting the mass loss rate of the fire source， and the heat feedback from the flame to the fire source is more important than that from the sidewall; under the joint action of both the sidewall and the flame， the mass loss rate of the fire source will increase and then decrease when the lateral movement of the fire source occurs increases and then decreases when the fire source undergoes lateral movement， and keeps decreasing when vertical movement occurs; through the analysis of lateral temperature， it is found that the lateral movement of the fire source has little effect on the thickness of the smoke layer， but the vertical movement causes the thickness of the smoke layer to decrease significantly.

Keywords：integrated pipe corridor;cable fire;flame profile;mass loss rate;lateral temperature