擋煙垂壁與細水霧耦合作用對管廊電纜火災煙氣運移的影響

許準，張華杰, 梁天水

(鄭州大學力學與安全工程學院，鄭州 450001)

隨著國家“西氣東輸”和“西電東送”工程的逐步執行，地下管廊的使用越來越多。地下綜合管廊的正常運轉就顯得尤為重要。

集中了不同管線的綜合管廊存在一定的安全隱患，特別是聚集了電力電纜的電力艙以及固有風險大的燃氣管道，如果不采取相應的保護措施，稍有不慎就有導致火災甚至爆炸的可能。細水霧可實現高效滅火，具有環保經濟的優點，細水霧在綜合管廊中的運用形式主要分為兩種，第一種是直接充當滅火介質，將細水霧噴頭布置在管廊內，能夠在火災發生第一時間控制火災；第二種是將細水霧作為細水霧幕，來阻擋管廊火災發生時煙氣的蔓延。

細水霧作為高效滅火介質不僅可以滅火，還可以用作防煙甚至防火分隔，眾多學者開展了相關研究。鐘濤等[1]開展了全尺寸實驗，研究了水霧作為防火分隔的有效性，驗證了其可行性。梁天水等[2]用火災數值模擬軟件在綜合管廊中開展不同粒徑細水霧條件下滅火模擬，發現細水霧粒徑越小對煙氣層沉降的影響越顯著。吳丹等[3]采用FDS分析了不同噴頭間距、不同火源位置等條件下，細水霧滅火的有效性，結果表明在不同條件下細水霧滅火都有著優異的滅火效果，但噴頭間距不宜超過3 m。李亞培[4]利用FDS數值模擬軟件開展了細水霧幕在狹長空間內擋煙效果的模擬研究，得到了施加細水霧后可在一定程度上減緩煙氣蔓延，并降低頂棚下方溫度。沈俊杰等[5]通過開展變壓環境下抑滅鋰離子電池火實驗，分析抑滅火實驗現象、降溫冷卻和抑制CO生成的效果，得到了全氟己酮的綜合性最佳,細水霧的降溫冷卻效果較好。賀元驊等[6]對比常壓和低壓環境壓力對高壓細水霧霧滴粒徑及噴霧流量的影響，得到了低壓環境對高壓細水霧性能影響較大。研究者認為細水霧技術是今后滅火系統的必然發展方向，所以研究細水霧滅火效能，以使其在使用中實現對不同場景火災的高效滅火變得十分重要[7]。

除了單獨采用細水霧技術外，細水霧可以聯合其他技術或設施，以起到協同作用，如細水霧冷卻防火分隔設施(玻璃幕墻、防火卷簾等)。而擋煙垂壁作為防煙設施的一種，能在一定時間內防止煙氣向下游蔓延，但隨著燃燒的進行，擋煙垂壁將失去擋煙的效果，不能抑制更多的煙氣蔓延至相鄰防火分區，因此單獨將擋煙垂壁作用在管廊存在一些不足之處。是否可以將擋煙垂壁聯合細水霧技術，以起到更好的防煙效果呢？Mi等[8]結合FDS研究了隧道電纜中不同通風系統，防火門開關模式和噴淋系統組合條件下最優的煙氣控制模式。王歡等[9]采用FDS研究了狹長通道內擋煙垂壁高度對空間內煙氣的輸運特性的影響。結果表明，存在擋煙垂壁時，垂壁上游頂棚附近煙氣層溫度普遍升高，而垂壁下游溫度隨擋煙垂壁高度的增加而加速衰減。鄭源[10]針對管廊內煙氣層及其流場熱特征開展研究，揭示了垂壁與障礙物對火場煙氣溫度的影響，并構建了煙氣縱向溫度衰減模型。Zhou等[11]利用仿真模擬技術對煙氣的熱擴散特性進行了研究，揭示了在無強制對流條件下固體屏障可以阻止煙氣向下游的移動，起到了一定的擋煙效果。郭健翔等[12]采用Pyrosim研究了空氣幕墻聯合擋煙垂壁對逃生樓梯口處煙氣的阻擋效果，結果表明聯合使用比單一使用擋煙垂壁阻擋煙氣蔓延的效果好。這些研究尚不足回答細水霧技術和擋煙垂壁的協同效果，以及擋煙垂壁存在下，細水霧系統參數如何優化。因此現開展擋煙垂壁加水霧幕充當防火分隔有效性的研究，研究細水霧和擋煙垂壁配合使用是否可以產生更好的擋煙效果，甚至取代防火墻以及防火門等實體防火分隔物，以滿足管廊內部通道暢通的要求。

1 數值模擬

1.1 軟件介紹

FDS模擬軟件是美國國家標準研究院和建筑火災研究實驗室合作開發的，該軟件運用場模擬的方法，在進行模擬火焰燃燒、煙氣流動等方面具有較好的適用性，采用數值計算的方法求解模擬火場的溫度、煙氣和熱傳遞過程。FDS模擬不同火災場景偏差較小，模擬結果還可通過自帶的Smokeviwe以3D動畫的方式直觀展示，基于數值模擬與全尺度實驗結果和理論方程的比較，所提出的FDS模型可用于預測綜合管廊電力電纜艙火災場景，因此，不再對FDS模擬有效性進行檢驗。

1.2 模型的建立

1.2.1 幾何模型

管廊參考Liang等[13]建立的管廊尺寸模型，如圖1所示。管廊長寬高為30 m×2 m×2.5 m，Y方向代表管廊長，X方向代表管廊寬，Z方向代表管廊高。模型域的表面以及管廊頂棚均設置為惰性材料(concrete)，管廊內部左右兩側各設有6層電纜，因在規定時間內電纜的燃燒長度達不到6 m，為了方便觀察模擬效果，僅將兩側電纜設置為6 m。每層電纜橫截面尺寸為0.2 m×0.1 m，每層電纜之間間隔為0.1 m，其中近地側電纜距地面0.3 m，頂層電纜距管廊頂棚1.1 m，距墻一側電纜貼近混凝土壁面。管廊端口設置為OPEN，除此之外不設置其他開口以保證較為真實的管廊環境?；鹪丛O置為高溫表面(2 000 ℃)，大小設置為0.1 m×1.0 m，可認為是線性火源，設置在一側電纜的最底層以及第三層處。由于建立的管廊模型具有對稱性，所以僅需布置一側測點即可對整個管廊內的情況有清晰的認識?；鹪吹脑O置和噴頭距擋板距離如圖1所示。根據規范，可將細水霧噴頭設置在管廊頂棚中軸線處，擋煙垂壁高度為0.6 m，距離起火點5 m處,噴頭距離擋板3 m處。

圖1 綜合管廊電力電纜模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of power cable model for integrated pipeline corridor

1.2.2 相關參數的設置

將電纜引燃溫度設置為330 ℃，通常電纜外護套為聚氯乙烯(PVC)，將聚氯乙烯作為典型電纜材料進行模擬，設置火災類型為快速火。電纜材料參考An等[14]管廊模擬按照銅∶PVC=4∶6進行設置，具體參數如表1所示。

表1 相關參數設置表Table 1 Related parameter setting table

1.2.3 網格獨立性分析

在FDS模擬中，網格尺寸對于模擬結果準確與否有著直接作用[15]，網格越密，精度越高，但計算時間越長。網格尺寸由式(1)計算得出，公式為

(1)

式(1)中：D*為火源當量直徑；Q為火源熱釋放速率，kW；ρ∞為空氣密度，kg/m3；cp為空氣比熱容，J·(kg·K)；T∞為環境溫度，K；g為重力加速度，m/s2。

當D*/dx介于4～16時，可以得到較好的結果。經計算，選擇網格尺寸為0.1 m×0.1 m×0.1 m，并對電纜所在區域進行網格加密，局部加密后的網格尺寸為0.05 m×0.05 m×0.05 m，即可滿足模擬準確性要求。

2 結果與討論

水霧粒徑大小作為細水霧滅火中的重要參數，直接影響滅火效率，粒徑較大的水霧霧滴可以克服縱向的慣性力，但是容易沉降；而相同流量下，霧滴粒徑變小，霧滴數目增多，總表面積增大[16]，水霧降溫效果好，但是在縱向煙氣作用下易彌散，對管廊內煙氣的沉降影響顯著，因此探究不同粒徑對于綜合管廊電纜火災煙氣抑制作用以優化細水霧粒徑范圍具有一定工程價值。

通過對不同工況開展數值模擬計算，研究在火源和垂壁上游施加細水霧作用下煙氣的變化?？紤]水霧流量、水霧平均粒徑和噴頭距離擋板間距對管廊通道內煙氣蔓延、頂棚下方溫度的分布，設計如表2所示的17組模擬工況。

表2 模擬工況匯總表Table 2 Summary of simulated operating conditions

2.1 粒徑對煙氣和溫度的影響

能見度是管廊中空氣透明度的重要表征，火場的能見度也是煙氣濃度的另一種體現。圖2是t=300 s，流量為0.5 L/min時，不同粒徑條件下，管廊內1.8 m高度處能見度分布情況俯視圖，X=10 m處是擋煙垂壁所處的位置，X=13 m是噴頭所在位置，空白部分為能見度小于12 m區域?？梢钥闯?，水霧粒徑在50 μm時，水霧下游煙氣有所沉降，100 μm時水霧下游煙氣沉降率高，大量煙氣下降至近地側，僅有少量煙氣從水霧下方穿過，相比于粒徑較小的水霧，粒徑為200 μm和300 μm的水霧作用下煙氣下沉趨勢不明顯。

圖2 不同粒徑下管廊內1.8 m高處能見度大小俯視圖Fig.2 Top view of visibility at the height of 1.8 m in the corridor under different particle sizes

圖3為t=300 s，流量為0.5 L/min時不同粒徑噴頭下方的低溫區域。藍色虛線代表擋煙垂壁所處的位置即Y=10 m處，紅色虛線是指噴頭所處的位置即Y=13 m處，空白部分為溫度大于20 ℃區域。從圖中可以看出，粒徑為100 μm時對噴頭下方溫控較好，200 μm粒徑次之，300 μm粒徑細水霧噴頭下方低溫區域面積最小，說明該粒徑作用下，對噴頭下方的溫降也不明顯，對噴頭下方的溫降能力有如下規律：100 μm>200 μm>50 μm>300 μm。噴頭下游的煙氣層溫度則是50 μm粒徑溫度最低，高溫范圍也小，對噴頭下游煙氣層溫降能力大小排序為：50 μm>100 μm>200 μm>300 μm。

圖3 不同粒徑噴頭下方低溫區域分布Fig.3 Regional distribution of low temperature under sprinklers with different particle sizes

2.2 流量對煙氣和溫度的影響

圖4為t=300 s，在粒徑50 μm時，不同流量細水霧作用下擋煙垂壁下游煙氣溫度分布情況，圖中空白部分為溫度低于30 ℃區域，火源位于垂壁上游5 m處。觀察圖4(a)和圖4(b)可發現，雖然擋煙垂壁能夠阻擋一部分煙氣，但煙氣仍舊蔓延至擋煙垂壁下游，僅能從一定程度上降低下游的煙氣層溫度。而在擋煙垂壁下游設置水霧后明顯地降低了下游煙氣層溫度，且這種溫度降低的效果隨著水霧流量的增加明顯增強，當水霧流量達2.5 L/min時，管廊內頂棚下已難以形成連續的高溫區域，若流量持續增加至3.0 L/min則下游將不存在大于30 ℃的溫度范圍。

圖4 不同工況下管廊中央煙氣層溫度分布Fig.4 Temperature distribution of smoke layer in the center of pipe corridor under different working conditions

圖5為t=300 s時，管廊中央處的流場分布，由圖5(a)和圖5(b)可知，在垂壁下游設置細水霧幕之后，煙氣越過垂壁流動至細水霧幕處運動軌跡發生了明顯變化，在細水霧的作用下，煙氣發生了沉降，煙氣層流紊亂，噴頭下方形成了小的渦旋，加劇了氣體的局部環流，煙氣明顯的被向下拉伸，僅有部分煙氣經過細水霧幕，向下游蔓延而去。

圖6為t=300 s，粒徑50 μm時，不同流量細水霧作用下管廊內2.3 m高處溫度切片，空白部分為溫度小于30 ℃區域?？梢钥闯?，在噴頭下游會隨著水霧流量的增加，低溫區域越大。在流量為0.5 L/min時，2.3 m高度處沒有溫度低于30 ℃區域，流量為1.0 L/min時，僅在噴頭下方產生了部分低溫區域。而隨著水霧流量的增大，噴頭下游的低溫區域越來越大，降溫效果也越來越明顯。

圖6 不同流量下管廊中2.3 m高處溫度分布俯視圖Fig.6 Top view of temperature distribution at the height of 2.3 m in the pipe corridor under different flow rates

圖7是不同水霧流量下，經過噴頭下游3 m處，經過管廊橫截面的熱通量?？梢钥闯?，噴頭流量越大，噴頭下游的管廊橫截面通過的熱量就越少，在僅有擋煙垂壁的作用下，熱通量的減少率為17.7%，而在不同流量(0.5～3.0 L/min)細水霧幕的作用下噴頭下游的熱通量減少率分別為46.6%、60.7%、82.9%、85.7%、87.0%、87.3%?？梢?，單獨使用擋煙垂壁對熱通量降低的效果不顯著，在與細水霧幕共同起作用時，可大大降低通過管廊橫截面的熱通量，能夠避免上游火災煙氣以及熱量向其他防火分區蔓延，對噴頭下游起到保護作用。

圖7 不同流量噴頭下游3 m處管廊橫截面熱通量變化圖Fig.7 Variation diagram of heat flux in cross section of pipe corridor 3 m downstream of sprinkler with different flow rate

圖8為不同流量下50 μm細水霧在距離垂壁不同水平距離下熱電偶的溫度分布值?？芍?，噴頭流量越大，垂壁下游煙氣溫度就越小，這種溫降在擋煙垂壁下方并不明顯，在距離垂壁4.5 m處，各流量細水霧在頂棚處取得的溫度為88、59、50、38、32、31以及28 ℃，溫降率分別為43%、56%、73%、83%、84%以及89%。這說明細水霧與擋煙垂壁協同可以明顯降低管廊內上層空間溫度，在粒徑相同情況下水霧流量越大，溫降率越高。但隨著水霧流量的增加，溫度降低的趨勢也呈現出了由快到慢的變化。

圖8 不同水霧流量對于頂棚下方煙氣層溫度的影響Fig.8 Effect of different water fog flow rate on the temperature of smoke layer under the roof

圖9為不同流量細水霧對于噴頭前后溫降的影響隨時間變化圖，在噴頭上游2 m前，高溫煙氣受擋煙垂壁的衰減作用溫度已經較低，此時，由于頂棚處的高溫煙氣未接觸到細水霧故其溫度與無水霧工況相差不大，在細水霧粒徑為50 μm時，出現了溫度高于無水霧的情況，那是由于細水霧阻擋導致部分煙氣回流所致。而在噴頭上游0.5 m處，各流量下管廊中央的最高溫度相較于無水霧工況，已出現明顯下降，在噴頭下游0.5 m和2 m處，流量大小對于溫度降低的趨勢更加明顯，在噴頭下游可清楚地觀察到，流量越大，管廊中央的最高溫度越低，當水霧噴頭流量為2.0、2.5、3.0 L/min時，噴頭下方的溫度能穩定地維持在環境溫度，但也應該注意到，當流量大于2.0 L/min時，繼續加大水霧流量，最高溫度下降已不再明顯，這說明也存在最佳流量。

圖9 不同水霧流量條件下垂壁下游不同位置處的最高溫度分布Fig.9 Maximum temperature distribution at different positions downstream of vertical wall under different water fog flow conditions

根據圖9(d)所示，適宜的流量范圍介于1.5～2.0 L/min，通過細分流量為1.6～1.9 L/min來確定最佳的水霧流量，如圖10所示，1.9 L/min細水霧流量與垂壁協同時可起到較好的控制下游溫度的效果，可認為噴頭流量為1.9 L/min最佳。

圖10 最佳流量的確定Fig.10 Determination of optimal flow rate

2.3 噴頭與擋煙垂壁距離對煙氣的影響

圖11為t=200 s時，噴頭與擋煙垂壁不同距離對管廊中央煙氣分布的影響，空白區域為溫度低于30 ℃區域，可認為該區域沒有高溫煙氣?？芍攪婎^距離垂壁1 m時，有煙氣通過水幕逸散到下游，并形成了穩定的煙氣層，而噴頭距離垂壁2 m時，擴散到下游的煙氣明顯減少，而此距離為3 m時，將不會有煙氣通過水幕。但超過3 m距離后，不僅在擋煙垂壁下游與噴頭上游之間存在連續的高溫煙氣區域，且會有部分煙氣通過水幕，擴散至下游。因此，噴頭距離垂壁過遠或過近均會影響水幕的擋煙效果，在設定工況下，噴頭距離垂壁距離為3 m可達到較為理想的效果。

圖11 噴頭位于垂壁下游不同位置對管廊煙氣分布的影響Fig.11 Effect of different positions of sprinkler located downstream of vertical wall on smoke distribution of pipe gallery

圖12為噴頭與擋煙垂壁距離不同時，擋煙垂壁下游和管廊中央頂棚下方的溫度分布圖。可以看出，噴頭距離擋煙垂壁越近，垂壁下游的溫度下降得越快，但噴頭下游溫度會存在小幅度上升，說明存在部分煙氣擴散至下游，但噴頭距離垂壁3 m時，噴頭下游不會出現溫升，說明對煙氣溫度的控制效果較好，而噴頭距離垂壁間距大于3 m時，垂壁和噴頭間會出現連續高溫區域，溫度降低趨勢減緩，且噴頭下游溫度會出現部分煙氣。綜上，可認為將噴頭設置在垂壁下游3 m處，能發揮較好的控煙效果。當然，所得到并非適用于任何條件下。

圖12 噴頭距垂壁位置對管廊中央頂棚溫度的影響Fig.12 The influence of the position of the sprinkler from the vertical wall on the temperature of the central roof of the pipe corridor

3 結論

通過對細水霧在管廊中的應用形式進行了數值模擬，將細水霧與擋煙垂壁聯合應用在管廊中，分析二者結合共同充當擋煙分隔的有效性。得出了以下結論。

(1)細水霧與擋煙垂壁聯合使用時，擋煙垂壁降低的煙氣的縱向慣性力，在相同流量下，即使粒徑較小的水霧對阻擋管廊內煙氣的蔓延也能起到較好的效果，50 μm和100 μm對噴頭下方的溫降能力更強，在工程實踐中建議水霧粒徑應設置在50～100 μm。

(2)單獨使用擋煙垂壁對熱通量降低的效果不顯著，在與細水霧幕共同起作用時，噴頭流量越大，噴頭下游的管廊橫截面通過的熱量就越少，但是存在最佳流量。

(3)噴頭流量一定時，粒徑越小的細水霧對煙氣溫度的降低越明顯。細水霧的粒徑一定時，噴頭流量越大，對煙氣溫度的降低效果就越好，并確定了在設置工況下的最佳噴頭流量為1.9 L/min。