挡烟垂壁与细水雾耦合作用对管廊电缆火灾烟气运移的影响_许准.pdf

投稿网址:www stae com cn2023 年 第23 卷 第5 期2023，23(5):02219-09科学技术与工程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T收稿日期:2022-05-30;修订日期:2022-11-16基金项目:国家自然科学基金(51874258)第一作者:许准(1997)，男，汉族，河南南阳人，硕士研究生。研究方向:细水雾灭火技术。E-mail:826321114 qq com。*通信作者:梁天水(1981)，男，汉族，河南郑州人，博士，教授。研究方向:火灾科学。E-mail:Liangtsh zzu edu cn。引用格式:许准，张华杰，梁天水 挡烟垂壁与细水雾耦合作用对管廊电缆火灾烟气运移的影响J 科学技术与工程，2023，23(5):2219-2227Xu Zhun，Zhang Huajie，Liang Tianshui Effect of coupling of smoke retaining vertical wall and water mist on smoke transport in pipe corridorcable fireJ Science Technology and Engineering，2023，23(5):2219-2227挡烟垂壁与细水雾耦合作用对管廊电缆火灾烟气运移的影响许准，张华杰，梁天水*(郑州大学力学与安全工程学院，郑州 450001)摘要为研究挡烟垂壁结合细水雾在管廊内作为防烟分隔的有效性，通过数值模拟软件 FDS，开展了挡烟垂壁与细水雾耦合作用在管廊中的研究。结果表明:当水雾流量为 0.5 L/min 时，对比了 50、100、200、300 m 4 种平均粒径细水雾，结果发现50 m 的细水雾对于烟气温度的降低最为明显，这是由于挡烟垂壁降低了烟气纵向速度，细水雾无需较大粒径也可以克服纵向惯性力，因此耦合挡烟垂壁的挡烟细水雾，合适的粒径范围应介于 50 100 m。当流量为 0.5 3.0 L/min 时，细水雾幕的作用下喷头下游的热通量减少率分别为 46.6%、60.7%、82.9%、85.7%、87.0%、87.3%，喷头流量越大，喷头下游的管廊横截面通过的热量越少，但是持续增加流量，热通量降低不再明显，可见存在最佳流量。细水雾与挡烟垂壁存在协同作用，联合作用下对阻挡管廊内烟气的蔓延有较好的效果。关键词综合管廊;电缆火灾;挡烟垂壁;细水雾;数值模拟中图法分类号X932;文献标志码AEffect of Coupling of Smoke etaining Vertical Wall and WaterMist on Smoke Transport in Pipe Corridor Cable FireXU Zhun，ZHANG Hua-jie，LIANG Tian-shui*(School of Mechanics and Engineering Science，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China)Abstract In order to study the effectiveness of smoke retaining vertical wall combined with water mist as smoke prevention separa-tion in the pipe gallery，the coupling effect of smoke retaining vertical wall and water mist in the pipe gallery was studied through thenumerical simulation software FDS The results show that when the water mist flow rate is 0 5 L/min，four kinds of fine water mist withaverage particle size of 50，100，200 and 300 m are compared，water mist of 50 m has the most obvious effect on the reduction offlue gas temperature This is because the vertical velocity of flue gas is reduced by the smoke baffle wall，and the water mist can over-come the longitudinal inertia force without large particle size Therefore，the appropriate particle size range of the smoke baffle watermist coupled with the smoke baffle wall should be between 50 m and 100 m When the flow rate is 0 5 3 0 L/min，the reductionrate of heat flux downstream of the nozzle under the action of the water mist curtain is 46 6%，60 7%，82 9%，85 7%，87 0%and87 3%，respectively The greater the flow rate of the nozzle，the less the heat passing through the cross section of the pipe gallerydownstream of the nozzle，but the continuous increase of the flow rate，the heat flux reduction is no longer obvious，it can be seen thatthere is an optimal flow rate The water mist and the smoke retaining vertical wall have a synergistic effect，and the combined effect hasa good effect on blocking the spread of smoke in the pipe gallery Keywords utility tunnel;cable fire;smoke-proofing wall;water mist;numerical simulation随着国家“西气东输”和“西电东送”工程的逐步执行，地下管廊的使用越来越多。地下综合管廊的正常运转就显得尤为重要。集中了不同管线的综合管廊存在一定的安全隐患，特别是聚集了电力电缆的电力舱以及固有风险大的燃气管道，如果不采取相应的保护措施，稍有不慎就有导致火灾甚至爆炸的可能。细水雾可实现高效灭火，具有环保经济的优点，细水雾在综合管廊中的运用形式主要分为两种，第一种是直接充当灭火介质，将细水雾喷头布置在管廊内，能够在火灾发生第一时间控制火灾;第二种是将细水雾作为细水雾幕，来阻挡管廊火灾发生时烟气的蔓延。投稿网址:www stae com cn细水雾作为高效灭火介质不仅可以灭火，还可以用作防烟甚至防火分隔，众多学者开展了相关研究。钟涛等 1 开展了全尺寸实验，研究了水雾作为防火分隔的有效性，验证了其可行性。梁天水等 2 用火灾数值模拟软件在综合管廊中开展不同粒径细水雾条件下灭火模拟，发现细水雾粒径越小对烟气层沉降的影响越显著。吴丹等 3 采用 FDS 分析了不同喷头间距、不同火源位置等条件下，细水雾灭火的有效性，结果表明在不同条件下细水雾灭火都有着优异的灭火效果，但喷头间距不宜超过 3 m。李亚培 4 利用 FDS数值模拟软件开展了细水雾幕在狭长空间内挡烟效果的模拟研究，得到了施加细水雾后可在一定程度上减缓烟气蔓延，并降低顶棚下方温度。沈俊杰等 5 通过开展变压环境下抑灭锂离子电池火实验，分析抑灭火实验现象、降温冷却和抑制 CO 生成的效果，得到了全氟己酮的综合性最佳，细水雾的降温冷却效果较好。贺元骅等6 对比常压和低压环境压力对高压细水雾雾滴粒径及喷雾流量的影响，得到了低压环境对高压细水雾性能影响较大。研究者认为细水雾技术是今后灭火系统的必然发展方向，所以研究细水雾灭火效能，以使其在使用中实现对不同场景火灾的高效灭火变得十分重要7。除了单独采用细水雾技术外，细水雾可以联合其他技术或设施，以起到协同作用，如细水雾冷却防火分隔设施(玻璃幕墙、防火卷帘等)。而挡烟垂壁作为防烟设施的一种，能在一定时间内防止烟气向下游蔓延，但随着燃烧的进行，挡烟垂壁将失去挡烟的效果，不能抑制更多的烟气蔓延至相邻防火分区，因此单独将挡烟垂壁作用在管廊存在一些不足之处。是否可以将挡烟垂壁联合细水雾技术，以起到更好的防烟效果呢?Mi 等 8 结合 FDS 研究了隧道电缆中不同通风系统，防火门开关模式和喷淋系统组合条件下最优的烟气控制模式。王欢等 9 采用 FDS 研究了狭长通道内挡烟垂壁高度对空间内烟气的输运特性的影响。结果表明，存在挡烟垂壁时，垂壁上游顶棚附近烟气层温度普遍升高，而垂壁下游温度随挡烟垂壁高度的增加而加速衰减。郑源 10 针对管廊内烟气层及其流场热特征开展研究，揭示了垂壁与障碍物对火场烟气温度的影响，并构建了烟气纵向温度衰减模型。Zhou 等 11 利用仿真模拟技术对烟气的热扩散特性进行了研究，揭示了在无强制对流条件下固体屏障可以阻止烟气向下游的移动，起到了一定的挡烟效果。郭健翔等 12 采用 Pyrosim 研究了空气幕墙联合挡烟垂壁对逃生楼梯口处烟气的阻挡效果，结果表明联合使用比单一使用挡烟垂壁阻挡烟气蔓延的效果好。这些研究尚不足回答细水雾技术和挡烟垂壁的协同效果，以及挡烟垂壁存在下，细水雾系统参数如何优化。因此现开展挡烟垂壁加水雾幕充当防火分隔有效性的研究，研究细水雾和挡烟垂壁配合使用是否可以产生更好的挡烟效果，甚至取代防火墙以及防火门等实体防火分隔物，以满足管廊内部通道畅通的要求。1数值模拟1.1软件介绍FDS 模拟软件是美国国家标准研究院和建筑火灾研究实验室合作开发的，该软件运用场模拟的方法，在进行模拟火焰燃烧、烟气流动等方面具有较好的适用性，采用数值计算的方法求解模拟火场的温度、烟气和热传递过程。FDS 模拟不同火灾场景偏差较小，模拟结果还可通过自带的 Smokeviwe 以3D 动画的方式直观展示，基于数值模拟与全尺度实验结果和理论方程的比较，所提出的 FDS 模型可用于预测综合管廊电力电缆舱火灾场景，因此，不再对 FDS 模拟有效性进行检验。1.2模型的建立1.2.1几何模型管廊参考 Liang 等 13 建立的管廊尺寸模型，如图1所示。管廊长宽高为30 m 2 m 2.5 m，Y 方向代表管廊长，X 方向代表管廊宽，Z 方向代表管廊高。模型域的表面以及管廊顶棚均设置为惰性材料(con-crete)，管廊内部左右两侧各设有 6 层电缆，因在规定时间内电缆的燃烧长度达不到 6 m，为了方便观察模拟效果，仅将两侧电缆设置为 6 m。每层电缆横截面尺寸为0.2 m 0.1 m，每层电缆之间间隔为 0.1 m，其中近地侧电缆距地面 0.3 m，顶层电缆距管廊顶棚1.1 m，距墙一侧电缆贴近混凝土壁面。管廊端口设置为 OPEN，除此之外不设置其他开口以保证较为真实的管廊环境。火源设置为高温表面(2 000)，大小设置为0.1 m 1.0 m，可认为是线性火源，设置在一侧电缆的最底层以及第三层处。由于建立的管廊模