综合管廊电缆舱中线性火源横向和竖向移动对火灾行为的影响

摘要：在长50 m的全尺寸综合管廊电缆舱模型中进行电缆火灾试验，研究线性火源的横向移动和竖向移动对火焰外形、火源质量损失速率、横向温度分布及烟气分层的影响。得到以下结论，火源横向移动会使火焰发生弯曲，火源竖向移动会在顶棚形成较大的火焰面积;侧墙和火焰对火源的辐射热反馈是影响火源质量损失速率的重要因素，且火焰对火源的热反馈要重要于侧墙的热反馈;在侧墙和火焰两种因素的共同作用下，使火源质量损失速率在火源发生横向移动时先增加后减少，发生竖向移动时一直减少;通过对横向温度的分析发现，火源的横向移动对烟气层的厚度影响不大，但竖向移动会使烟气层的厚度明显减小。

关键词：综合管廊;电缆火;火焰外形;质量损失速率;横向温度;

城市地下综合管廊为管线的综合治理提供了可能，不仅为居民的生活带来了便利，更为城市的快速发展提供了保障。随着综合管廊在全国范围内广泛建设和使用，其安全问题也逐渐引起了人们的重视，尤以消防安全问题为主。因此，研究综合管廊火灾的特性，对于其安全事故的预防和治理具有十分重要的意义。

近年来，国内学者对综合管廊火灾展开了大量的研究。赵永昌[1]在1:3.6小尺寸管廊模型中进行油池火试验，通过改变火源的功率，研究烟气温度沿纵向的衰减规律。杨永斌[2]通过建立综合管廊火灾数值模拟模型，研究了点火源在位于不同水平和竖直位置下，管廊内部火场温度随时间的变化规律。李华祥[3]开展综合管廊液氮灭火试验，通过改变液氮喷口方向、液氮释放距离等注氮参数，研究综合管廊液氮灭火的可行性。目前，多数学者通过缩尺寸试验和数值模拟软件来研究综合管廊火灾，而鲜有人进行全尺寸综合管廊火灾。而全尺寸模型试验可以模拟真实情况下的火灾发展规律，对于提高综合管廊的消防安全水平更具有参考意义。故笔者在全尺寸综合管廊电缆舱模型中进行电缆火灾试验，研究线性火源横向和竖向移动对火焰外形、火源质量损失速率、横向温度及烟气分层的影响。

1 试验平台与试验准备

试验在长50 m的综合管廊电缆舱模型中进行，其横截面上部为半径1 m的圆弧形，下部为宽2 m、高1.3 m的矩形，两端封闭，如图1所示。采用索尼摄像机对试验过程进行全程录像。采用电子天平对火源的质量损失进行记录。采用型号为LWPIV-4WM的激光器制造绿色片光源，镜头扇角为90°，片光源厚度为1.5 mm。采用K型铠装热电偶对温度进行测量。横向在30°～150°范围内每隔10°布置一个热电偶，共布置13个热电偶，如图2所示。

试验将20根1 m长的电缆均匀的摆放在长1 m、宽0.25 m的铁槽上作为火源，采用30 k W/m2辐射引燃的方式进行点燃，直至电缆被引燃。电缆采用60245IEC53YZ电缆，其被广泛使用在各种电气设备和管线中。该电缆从外到内由护套、填料、绝缘层和铜芯四部分组成，护套材料为氯丁橡胶，绝缘层材料为聚氯乙烯。在管廊中间横截的横向和竖向位置上分别选择三个位置来放置火源，见图3。每个火源位置进行两次试验，确保试验的可重复性。具体试验工况设计见表1。

2 试验结果与分析

2.1 火焰外形

试验时用摄像机对电缆的燃烧进行全程录像，截取各工况下电缆在稳定燃烧阶段的图像，如图4所示。

如A2所示，火源在发生横向移动后，火焰会发生弯曲。Pan[4]在缩尺寸管廊试验中观察到了类似的结果，这可以用伯努利原理进行解释。弯曲侧墙限制了近墙侧火焰的卷吸，使得近墙侧的压力高于另一侧，导致火焰发生了弯曲。火源在贴壁时，火焰沿弧形顶喷延伸。火源沿竖向移动时，未燃烧的燃料在撞击顶棚后，为卷吸得到更多的新鲜空气，使得火焰沿顶棚向四周延伸，形成了较大的火焰面积，容易加快火灾的蔓延。

2.2 质量损失速率

图5为A组在稳定燃烧阶段的质量损失速率。从图5中可以看出，火源在发生横向移动时，质量损失速率先增加后减少，这与Ji[5]的研究结果一致。当火源发生横向移动时，火焰会加热侧墙，从而侧墙会增加对火源的辐射热反馈，使得火源的质量损失速率增加。当火源继续向侧墙靠近，直至贴近侧墙，即使侧墙对火源的辐射热反馈继续增强，质量损失速率依然发生了下降。这是因为，侧墙限制了火焰的卷吸，未燃烧的燃料只能沿弯曲顶棚蔓延，因此沿弯曲顶棚横向延伸的火焰对火源的热反馈减少。A3工况质量损失速率的减少，就是这两个因素共同作用导致的。

图6为B组在稳定燃烧阶段的质量损失速率。从图6中可以看出，火源在发生竖向移动时，与其发生横向移动时不同，质量损失速率一直在减少，且变化幅度要比横向移动的火源大。火源在发生竖向移动时，顶棚对火源的热反馈加强，但由于顶棚的限制，垂直火焰的长度减少，未燃烧的燃料在撞击顶棚后向四周蔓延。故火焰对火源的热反馈减少，导致火源的质量损失速率随着其竖向移动距离的增加而减少。

从以上分析可以发现，综合管廊中火源从横向或竖向靠近侧墙时，侧墙和火焰对火源的热反馈是影响质量损失速率的关键因素，并且火焰对火源的热反馈要重要于侧墙对火源的热反馈。

通过测得的质量损失速率计算火源的热释放速率，计算公式如下:

式中：为燃烧效率;为质量损失速率，kg/s;为完全燃烧热，k J/kg。

根据前人的研究，橡胶外套电缆的燃烧效率一般取0.8[6]。各工况下火源的质量损失及热释放速率见表2。

2.3 横向温度

图7为A组试验的横向温度分布。从图中可以看出，最高温度均出现在火源的上方位置。在最高温度后，温度发生衰减。在140°左右的位置，A1、A2、A3的温度几乎相同，随后其衰减趋势几乎一致。根据赵永昌的研究，在烟气分层的地方，烟气的温度会出现跃变。原因是在烟气与空气分层的地方存在冷空气的卷吸[7]。而A1、A2、A3均在140°的位置衰减到相同温度，随后温度发生跃变。因此可以推测火源在同一水平位置上改变横向距离，对烟气的厚度并不会产生较大的影响。从图4 A组试验照片中片光源反映出的烟气层厚度也可以看出来这一点。

图8为B组试验的横向温度分布。从图中可以看出，横向温度呈对称分布，最高温度出现在火源正上方。随着火源高度的增加，顶棚最高温度也会升高。B2火焰间歇触及顶棚，B3火焰直接触及顶棚，故B3的温度要远高于B2。B1的温度在150°左右发生跃变，B2的温度在130°左右发生跃变，B3的温度在120°左右发生跃变。根据上面的分析，随着火源高度的增加，烟气层的厚度逐渐变薄。从图4 B组试验的照片中也可以看出，烟气层的厚度明显的减小。故火源竖向移动，会对烟气层的厚度产生影响。

3 结语

在全尺寸综合管廊电缆舱模型中进行电缆火灾试验，得到结论如下：

(1)火源横向移动，侧墙限制了火焰的卷吸造成两侧压力不同，使得火焰发生弯曲;直到火源贴近侧墙，火焰沿弧形顶棚延伸。火源竖向移动，未燃烧的燃料为得到更多的新鲜空气，在撞击顶棚后向四周蔓延，形成了较大的火焰面积，容易加快火灾的蔓延。

(2)侧墙和火焰的热反馈是影响火源质量损失速率的关键因素，且火焰对火源的热反馈要更为重要。在两种因素的共同作用下，使得火源在横向移动时，质量损失速率先增加后减少;火源在竖向移动时，质量损失速率一直减少。

(3)通过对横向温度的分析，发现火源的横向移动对于烟气层的厚度不会产生较大的影响;而火源的竖向移动却会使烟气层的厚度明显减小。

参考文献

[1] 赵永昌,朱国庆,高云骥.城市地下综合管廊火灾烟气温度场研究[J].消防科学与技术,2017,36(01):37-40.

[2] 杨永斌.火源位置对城市地下综合管廊电力舱火灾蔓延的影响研究[J].武警学院学报,2018,34(02):14-19.

[3] 李华祥,张国维,贾伯岩,等.城市地下综合管廊液氮灭火特性试验研究[J].中国安全科学学报,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] 杜长宝.地下综合管廊电缆火灾温度场分布及烟气流动特性分析[D].徐州:中国矿业大学,2017.

[7] 胡隆华.隧道火灾烟气蔓延的热物理特性研究[D].合肥:中国科学技术大学,2006.