城市地下管廊防火分区及封堵特性对线性火羽流行为特征的影响机理研究

作     者：孙消消 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：安伟光

授予年度：2023年

学科分类：03[法学] 083305[工学-城乡生态环境与基础设施规划] 08[工学] 081403[工学-市政工程] 0837[工学-安全科学与工程] 0838[工学-公安技术] 0814[工学-土木工程] 0833[工学-城乡规划学] 0306[法学-公安学] 

主      题：城市综合管廊 封堵特性 防火分区 火源竖向位置 线性火源 

摘      要：城市地下综合管廊是将电力、通信,燃气、供热、给排水等各种工程管线集于一体,实施统一规划、设计、建设和管理,保障城市运行的重要基础设施和“生命线。截止2022年6月,我国已在279个城市、104个县累计开工建设地下综合管廊项目1647个、长度5902公里,形成廊体3997公里。地下综合管廊内部敷设了高密度电缆,当电缆发生短路、过载、电弧击穿时,会形成线性火源,火蔓延迅速,释放出大量有毒有害烟气,造成城市大面积的停电,进而造成严重经济损失。目前,线性火羽流行为特性尚不明晰,而火源形状、火源竖向位置、封堵率、防火分区长度等都会影响线性火羽流的发展趋势,多因素耦合作用下的综合管廊线性火羽流行为亟待深入研究。本文通过实验研究与理论分析相结合的方法研究了不同防火分区、封堵特性及竖向火源位置对综合管廊内线性火羽流行为的影响。设置长1.9 m、宽4 cm的线性火源,搭建综合管廊火灾实验平台,通过改变综合管廊两端对称封堵率、火源竖向位置、防火分区长度等,获得顶棚烟气最高温升、顶棚烟气纵向温度分布、线性火源质量损失率、热释放速率等关键特征参数,揭示了多因素对综合管廊内线性火羽流特性的耦合影响规律及其相互作用机制,建立了不同因素耦合作用下综合管廊顶棚下无量纲最大温升预测模型和综合管廊顶棚中心线下纵向温度衰减预测模型,并通过相关实验结果验证了模型预测的可靠性。主要研究内容及成果如下:(1)实验研究了不同封堵率和竖向火源位置对综合管廊内线性火羽流行为的耦合影响规律。通过分析,线性火羽流发展过程可以分为8个阶段,各个阶段的火焰高度、形态和颜色各不相同;当线性火源位于01位置(距离顶棚最近位置)和03位置(距离顶棚最远位置)时,封堵率对线性火源明火持续时间的影响不显著。而当线性火源位于02位置(中间位置)时,明火持续时间会随着封堵率的增大而减小;管廊各个测点的最高温度始终出现在100%封堵工况下;线性火源的质量损失率均会随着封堵率的增大而增大;线性火源的热释放速率会随着封堵率的增大先减小后增大。当线性火源位于01位置时,热释放速率在封堵率为50%时最小;当线性火源位于02、03位置时,热释放速率在封堵率为75%时最小。通过量纲分析,本文建立了线性火源竖向位置和封堵率耦合作用下的综合管廊顶棚无量纲最大温升预测模型,通过实验值与预测值的比较验证了该预测模型的可靠性,预测误差基本小于5%,在可接受的范围内;在狭长受限空间温度纵向衰减理论的基础上,综合考虑线性火源竖向位置和封堵率,建立了不同线性火源竖向位置、封堵率耦合作用下的综合管廊顶棚中心线下纵向烟气温度衰减预测模型,预测结果和实验结果符合良好,预测误差基本小于10%,在可接受的范围内。(2)实验研究了不同封堵率和防火分区长度耦合下综合管廊线性火羽流行为。在封堵率为80%及以上时,线性火源的火焰处于极不稳定状态,脉动、震荡幅度很大;在不同防火分区条件下,线性火源的明火持续时间均会随封堵率的增大先上升再下降。明火持续时间均在20%封堵率下最大;对于线性火源中心正上方的温度测点,当防火分区为4 m、6 m时,80%和100%封堵条件下的温度曲线都会在达到最高温度时立刻下降,而其他封堵条件下,温度曲线都会出现双峰值。距离综合管廊顶棚越远,两个峰之间的大小差异越来越小。80%、100%封堵时的温度上升速度始终最快,其他封堵率下,温度下降速度始终最慢;在不同防火分区条件下,各个封堵率时的质量变化均有两个稳定期,且前者的质量损失速率远小于后者。线性火源的热释放速率均会随封堵率的增加先减小再增加。线性火源的热释放速率始终在20%封堵时最小;当防火分区为4 m、6 m时,综合管廊顶棚最高温度均会随封堵率的增大而先增大后减小。当防火分区为8 m、10 m时,最高温度都会随着封堵率的增大而先减小再增大,在80%封堵之后再减小。防火分区为6 m时的顶棚最高温度始终为最大值。通过量纲分析建立了线性火源竖向位置和封堵率耦合作用下的综合管廊无量纲顶棚最大烟气温升预测模型,通过实验值与预测值的比较验证了该预测模型的可靠性,预测误差基本小于10%,在可接受的范围内;在狭长受限空间温度纵向衰减理论的基础上,综合考虑防火分区长度和封堵率,建立了不同防火分区长度、封堵率耦合作用下的综合管廊顶棚中心线下纵向烟气温度衰减预测模型,模型预测结果和实验结果符合良好,预测误差基本小于10%,在可接受的范围内。本文的研究结果可为综合管廊消防规范完善、火灾风险评估与消防设计提供理论参考与指导。