基于FDS的火源位置对高压电缆沟道火灾的影响研究_贡颢.pdf
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1、21基于FDS的火源位置对高压电缆沟道火灾的影响研究*贡颢郭耸程洋汤振东(南京理工大学 化学与化工学院,江苏 南京 210018)摘要研究通过 FDS 数值模拟,设计一段两端非封闭的电缆沟道模型,模拟研究了火源位置因素对电缆火灾的火势、烟气蔓延情况和温度变化等的影响规律,并研究了自动喷水灭火系统对火灾的抑制作用。结果表明,电缆沟道火灾发生 5.4 s 后,烟气上升至沟道顶部形成顶棚射流。火灾过程中沟道内最高温度达1 000 左右,1.5 m 高处的温度可达 70。火源位置在高处时火焰蔓延速度更快,火源在底层时烟气流动的雷诺数更大,火源在沟道中间时燃烧更快。研究成果可为高压电缆沟道内的消防安全设
2、计提供合理的技术支撑。关键词高压电缆沟道电缆火灾FDS 模拟消防安全Study on the influence of fire source location on high voltage cable trench fire based on FDSGONG Hao GUO Song CHENG Yang TANG Zhendong(College of chemistry and chemical engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing Jiangsu 210018,China)AbstractBa
3、sed on FDS numerical simulation,this study designs a non-closed cable trench model at both ends,simu-lates and studies the law of effect of fire source location factors on cable fire,smoke spread and temperature change,and studies the suppression effect of automatic sprinkler system on fire.The resu
4、lts show that 5.4 s after the cabletrench fire,the smoke rises to the top of the trench and forms a ceiling jet.In the process of fire,the maximum tem-perature in thetrench is about1000,and thetemperatureatthe heightof1.5 mcan reach 70.Whenthe firesourceis located at a high place,the flame spreads f
5、aster,and when the fire source is at the bottom,the Reynolds number ofsmoke flow is greater.The combustion is faster,when the fire source is in the middle of the trench.The research find-ings will provide reasonable technical support for the fire safety design in the high-voltage cable trench.Key wo
6、rdshigh-voltage cable trenchcable fireFDS simulationfire safety0引言我国每年发生的多起火灾中,电气原因造成的占比持续居前,造成的人员伤亡和财产损失数量大。目前我国城市的电力设施正在向地下空间大规模聚集发展,电缆逐步进入地下空间。由于地下空间具有复杂性、隐蔽性、封闭性等特征,如若发生火灾,人员逃生和消防救援都将比地面更加困难。在城市地下综合管廊中,有大量用于运输水电气等能源的管道,其中电缆管道最具危险性,再加上地下空间火灾产生的烟气更易聚集的特点,电缆受热分解放出大量有毒有害烟气,空间内温度高,逃生救援也极为困难。因此有必要对地下空
7、间电缆的火灾蔓延和烟气行为及喷淋设备对其影响开展研究。国内外已有研究人员通过实验和模拟手段对电缆火灾特性机理以及电缆沟道火灾进行了大量研究和分析。杨永斌1研究了点火源位于不同水平和竖直位置情况对电缆火灾的影响,阐述了不同情况下管廊内部火场温度随时间的变化规律,总结了火势在不同电缆层间蔓延的趋势。周彪等2通过FDS 软件对 T 型电缆沟道火灾模拟,得出沟道内烟气运动及温度分布情况。王印3使用数值模拟软件,研究了地下建筑机械排烟与喷淋条件下不同情况的烟气运动行为,并且得出适当的排烟口位置可大大延缓火场内烟气蔓延速度,以延长人员可用安全疏散时间。NUIANZIN O 等4则同时采用了实验方法和数值模
8、拟方法,确定电缆沟道发生火灾时其内部最高温度、局部区域火灾持续时间以及达到最高温度的时间与电缆沟道横截面积、火灾荷载等的关系。尽管目前已有很多针对不同条件下的电缆沟道火灾进行的研究,但所研究的电缆沟道火灾的影响因素比较单一,工况缺乏多样性,很*基金项目:国家自然科学基金(51974166)。2023 年第 49 卷第 2 期February 202322少有研究将多种不同情况的影响进行综合分析,因此具有一定局限性。本文将采用 FDS 数值模拟,依托实际应用场景建立高压电缆沟道模型,在以火源位置为变量的多种不同工况下,着重探讨不同的工况条件对电缆沟道火灾的影响,并设计喷淋系统以探究其对火灾防控的
9、作用。1模拟软件及模型本文采用 FDS(Fire Dynamics Simulation)数值模拟方法,FDS 是由美国国家标准与技术研究院所开发的当今主流的火灾数值模拟工具。研究模型采用以某段 110 kV 电缆线路部分为基础,电缆沟道路径总长度为 465m。所模拟的电缆沟道为长度 15m的纵向敞开非封闭空间,电缆沟道剖面如图 1 所示。电缆采用三相接触品字形布置,三芯刚性固定处间距为 4 m,电缆线模型简化为圆柱体 3 层,从外到内分别为外层护套、绝缘层和铜制电缆芯。电缆外层护套和绝缘层材质均为聚氯乙烯(PVC)。表 1 列出了电缆各层尺寸参数。本模拟中电缆热释放速率峰值设定为 128 k
10、W/m2,达到峰值的时间为 65 s。根据国际标准ISO/16733-1:20155,本模拟将高压电缆沟道内的电缆火灾定义为超快速火,并将火源热释放速率设为 8MW/m2。由于电缆接头处容易诱发火灾事故,因此将火源的长度设为接头处绝缘层的长度,为 0.28 m,火源面积为 0.028 m2。通过公式计算和进行网格独立性测验后,本模拟选择将网格尺寸设为0.1m0.1 m0.1m,总网格数为109,350个。分别在横向 0.5、1.0、1.5、2.0、2.3 m 处和竖向火源处设置温度切片,竖向中心面处设置可见度切片。在火源上方及高度为 0.6、1.0、1.4、1.8m处设置热电偶。热电偶的布置情
11、况如图 2 所示。图 1电缆沟道剖面(单位:mm)表 1电缆各层尺寸参数材质尺寸/mm电缆直径 d98.0电缆芯直径 dc铜30.0绝缘层厚度iPVC29.5护套层厚度sPVC4.5图 2温度数据采集装置设置示意2结果与讨论2.1电缆沟火蔓延特性研究图 3 给出了火源在沟道端部底层工况下火灾的火焰烟气蔓延和温度变化情况。火源中心坐标为(0.67,0.5,0.58),沟道内温度为 20。t=10.8 st=29.7 st=299.7 st=639.9 s图 3电缆沟火势蔓延示意由图可知,火源位置在底层电缆处,开始燃烧后火势逐渐变大,电缆释放出少量烟气,并在火源热羽流作用下,t=5.4s 时烟气上
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