城市地下综合管廊火灾烟气温度场研究

赵永昌1,2,3,朱国庆1,2,3,高云骥1,2,3

(1.中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州221116;

2.中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室,江苏徐州221116;

3.中国矿业大学消防工程研究所,江苏徐州221116)

摘 要:为研究综合管廊电力舱室内火灾初期温度场特征,建立1:3.6小尺寸综合管廊模型,通过改变盛放汽油盘的大小改变火源功率,进行油池火火灾实验。运用Origin软件对温度数据进行分析,得到烟气温度与距离的衰减经验公式;运用FDS软件对与实验相同工况下的几何模型进行计算机模拟,以验证FDS模拟结果准确性。实验结果表明:不同火源功率下,烟气温度均呈现幂函数衰减;火源功率较大时,温度衰减梯度也较大;对距火源0.3m处垂直方向上烟气温度进行分析得知,火灾烟气蔓延过程中存在烟气分层现象。通过FDS模拟结果与实验结果对比,得出两者结果较为相近。

关键词:地下综合管廊;油池火;Origin;FDS;火灾烟气;温度场;火灾实验;数值模拟

中图分类号:X913.4TK121TU990.3 文献标志码:A

文章编号:1009-0029(2017)01-0037-04

综合管廊内部存在大量管线,一旦发生火灾事故易导致火势迅速扩大。伴随着火势增长,不完全燃烧产生的大量高温有毒有害气体会在管廊内部迅速蔓延,增加救援难度。因此,结合火灾的严重性及综合管廊的特殊性,研究地下综合管廊内部火灾烟气温度场特性可为相关规范制定及地下综合管廊火灾防治提供参考。

林俊等人基于FDS数值模拟软件,对热释放速率恒定情况下不同通风风速和防火分区长度对火灾烟气温度、蔓延速度、浓度及能见度的影响进行研究,并针对综合管廊内防火分区的划分提出建议;李文婷分析电缆火灾原因,测量电缆质量损失速率和热释放速率参数,运用FDS软件进行数值模拟,对综合管廊电缆火灾烟气扩散和温度变化进行研究;Kim HS等人运用CFD数值模拟软件,建立以体积热源为火源的圆形和矩形综合管廊模型,对烟气温度、空气流速及烟气流量进行对比分析,得知圆形综合管廊模型烟气温度高于矩形。

笔者在隧道模型基础上搭建了1:3.6的小尺寸综合管廊实体模型,通过油池火试验,对电力舱室火灾初期温度场特征进行研究;并利用FDS模拟进行对比分析。

1综合管廊火灾模型试验

1.1小尺寸试验模型

以某综合管廊为研究背景,其内径为5.4m,形状为圆形。实体模型由5段分别为2m且相同材质的混凝土空圆柱体紧凑拼接而成;空心圆柱体外径为1.8m,内径为1.5m。由于电力舱室仅占综合管廊内部约1/4区域,因此小尺寸电力舱室模型所占区域设为空心圆柱体的1/4区域,如图1所示。

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                          图1 小尺寸模型示意图

1.2 热电偶布置

综合管廊电力舱室模型总长度为10m。图2为各热电偶位置示意图。由于热电偶布置较多,在纵向上仅列出火源一侧热电偶温度测点。其中,A点位于距模型开口0.5m处,且为火源正上方温度测点。A、B、C、D、E、F、G各测点中,相邻两测点间距为0.5m,其余位置间距为1.0m。距火源0.3m处布置垂直热电偶树,相邻两只热电偶的间距为0.15m。

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1.3火源热释放速率的确定

由于燃料自身和外界环境的影响,燃料不可能完全燃烧,此时需要考虑燃料燃烧效率。笔者运用氧耗原理,利用锥形量热仪测得油池火热释放速率和燃料质量损失速率,得到燃烧效率为0.78。通过改变盛放汽油盘的大小改变火源功率,火源功率通过测量燃料燃烧的热质量损失得到,计算公式见式(1)。

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式中:Q为火源热释放速率,KW;m为燃料质量损失速率,kg/s;η为燃料燃烧效率;ΔH为燃烧热值,KJ/Kg,取KJ/Kg。试验过程中相关参数,如表1所示。

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1.4结果与分析

1.4.1 温度场纵向分布

火源功率的改变对综合管廊内温度场影响很大。为详细研究不同火源功率时稳定期烟气温度分布,分别对200~400s不同测点处烟气温度求平均值,测点平均温度如表2所示。由表2可知,电力舱室顶部温度随着火源功率增大而增加;但相距火源越远处,不同火源功率对应的温度差值越小。当火源功率较大时,距离火源中心越近温度梯度越大,这主要是因为火源附近热辐射损失较大,导致温度下降较快。

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对不同火源功率下的烟气温度与距火源的距离进行绘图,并采用幂函数进行拟合,如图3所示。从图3可知,幂函数可以较好地拟合烟气温度随距离的衰减情况,因此电力舱室顶部温度呈幂函数衰减。

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3中,对火源功率为907053KW时烟气温度纵38向分布进行拟合,得到热电偶温度与距离的指数函数表达式,见式(2)~式(4

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拟合均方差分别为0.9960.9870.988,该值越接近1,说明方程拟合度越高。由此得知,该阶段烟气温度与距离拟合结果较为理想。从式(2)~式(2)可知,随着火源功率增加,烟气温度衰减速度逐渐增加。对表2中数据进行分析得知,距火源中心的距离每增加0.5m,相邻两测点的温差分别为5143294616。在不考虑距火源中心2.0m处测点温度反常外,距离火源越远处烟气温度越低且衰减速度越慢。距离火源2.0m处测点温度呈现反常现象的原因可能为:(a)试验过程中所选择K型热电偶的劣化程度不同;(b)热电偶插入测点位置的深度不同。

1.4.2 垂直方向温度分布




选取90KW下距火源0.3m处垂直热电偶的温度进行分析,如图4a)所示,图4b)为不同温度测点处,200400s稳定期垂直方向烟气温度平均值变化示意图。

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4a)中,烟气温度有明显的跳跃现象,具体表现为0.750.6m处测点温度较高且相近,其余三组较低位置处测点温度较低且相近。图4b)中,0.60.75m两组测点平均温度分别为3503410.150.30.45m三组较低位置处测点温度分别为201214220。由于温度测点相距火源较近,因此火源热辐射对测点温度具有一定影响。通过观察燃烧过程得知,火灾烟气蔓延过程中呈现明显的烟气分层现象,因此烟气温度出现跳跃现象。

2 数值模拟

2.1 模型建立

利用FDS模拟软件建立一个10mx0.75mx0.75mx×y×z×)的小尺寸综合管廊电力舱室模型,此模型尺寸和所布置热电偶的数量、位置与小尺寸实体模型完全相同。

2.2 火源功率

火源设于模型中心位置,面积为0.15;单位面积的火源热释放速率为600KW/,即火源功率为90KW,与模型试验中油池火的火源功率相同。为模拟油池火燃烧过程,在试验模拟600s的全过程中,前100s火源热释放速率均匀增加,100500s维持稳定,500600s逐渐减小到零。

2.3网格设置

在FDS模拟过程中,网格在犡轴上长度的划分分别为3.22.3m;网格大小为0.05m×0.05m×0.05m

3 试验与模拟结果对比分析

3.1 纵向温度对比

通过对火源功率90KW时进行FDS模拟,将距离火源中心不同距离处烟气温度数据经Origin软件处理后绘制成图像,如图5a)所示。图5b)为200400s稳定期间,距火源中心不同距离测点处烟气温度试验值与相同工况下FDS模拟值的对比情况。

5a)中,火源正上方位置处烟气温度最高。通过对比距火源0.51.0m处烟气温度得知,火源两侧相同距离处烟气温度基本相等。随着距火源中心距离的增加,烟气温度存在纵向衰减且衰减速度逐渐减慢。图5b)中,火源正上方烟气温度可高达370,而试验所测火源正上方烟气温度为333,两者温度相差较大。观察燃烧现象并分析得知:FDS模拟测得的火源正上方烟气温度受火焰温度影响较大,因此温度相对较高。模拟过程中,距火源0.50.152.02.5m处烟气温度分别为294247211183162,与试验结果较为接近。

3.2 垂直方向温度对比

通过FDS模拟获得火源功率为90KW,距火源0.3m处不同高度的烟气温度,如图6a)所示。图6b)为垂直方向烟气温度试验值与FDS模拟值对比。图6a)中,烟气温度表现出明显的跳跃现象。为详细分析各测点处温度分布,对200400s期间烟气温度

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求平均,得知垂直方向上0.60.75m处烟气温度分别约为335348,两者相差不大0.150.30.45m处烟气温度相差也较小。图6b)中,试验烟气温度与FDS模拟结果较为相近,验证结较好。

4 结 论

为研究综合管廊电力舱室火灾初期温度场分布,建立了1:3.6的小尺寸综合管廊电力舱室模型,通过油池火火灾试验,得到结论如下。

1不同火源功率下,综合管廊电力舱室内烟气温度均存在纵向衰减,且呈现出幂函数分布。利用Origin软件对烟气温度数据进行拟合,得到烟气温度与距离的衰减经验公式。

2相同火源功率下,烟气温度衰减梯度逐渐减小。在70KW火源功率下,距火源中心0.51.01.5m处温度梯度分别为492418。随着火源功率增加,烟气温度也随之增加,但由于热辐射作用,其温度衰减梯度也较大。在537090KW火源功率下,距火源中心0.5m处温度衰减梯度分别为414951℃。

3对距火源0.3m处垂直方向的烟气温度进行分析,得知不同高度测点处烟气温度呈现明显的跳跃现象,分析其原因是烟气蔓延过程中分层现象所致。

4运用FDS软件对与模型试验相同工况下的几何模型进行计算机模拟,并将模拟结果与试验结果对比。结果显示,纵向烟气温度和垂直方向烟气温度较为相近,即FDS模拟技术可靠性较好。