水喷淋对建筑外立面火灾烟气向室内蔓延控制的研究

●王 瑗

(北京东城区消防支队，北京 100061)

(本栏责任编辑、校对 马 龙)

当今高层建筑中，聚氨酯硬泡等有机材料作为外墙保温材料被广泛使用。此类材料耐热性能差、易燃烧，一旦发生火灾，燃烧极其迅速且产生大量的热量和有毒烟气向室内蔓延，对人员的生命安全造成严重威胁。自动喷水灭火系统是人们在生产、生活和社会活动的各个场所中最普遍采用的一种固定灭火设备，火灾发生时，从喷头喷出的大量液滴通过对流作用不断冷却火场烟气，同时也降低烟气浮力，达到防烟和降温的效果［1］。Bullen［2］于 1974 年率先探讨了水喷淋与烟气层的相互作用问题并建立了相应的数学模型，结果发现喷淋覆盖区内液滴的总拖曳力与烟气总浮力之间的比值是烟气层是否失稳的决定因素。Morgan［3］等人将这一概念进行了推广并提出一个新模型，分析了具有一定粒径分布的液滴与热烟气之间的对流传热。此后，Alpert［4-6］、Gardiner［7］、Cooper［8］、W．K．Chow［9-11］及 N．K．Fong［10-11］等研究者都采用CFD模拟软件对水喷淋与烟气层的相互作用以及喷淋作用下的烟气运动特性进行了数值模拟研究。在国内，中科大的霍然、周允基［12-14］等人自行设计搭建水喷淋与烟气相互作用实验台首次对大空间内不同火源、不同喷头和不同工作压力时水喷淋与烟气的相互作用动力学过程开展研究。在国内外众多开展的研究中，针对高层建筑火灾烟气与室内水喷淋相互作用的研究较少，特别是鉴于近年来由建筑外保温材料引起的火灾频发，研究自动喷水灭火系统对火灾烟气向室内蔓延的控制就更突显出其必要性，笔者将就这一问题开展模拟研究。

1 高层建筑火灾模型的建立

笔者根据某高层建筑建立模型(见图1)，应用火灾动力学软件FDS进行数值模拟研究。该高层建筑总高80 m，共23层，单层面积约为300 m2。建筑外表面铺设有保温材料，材料为聚氨酯硬泡板，导热系数为0．04 W·m-1·K-1，尺寸为 0．2 m ×0．2 m×0．1 m。建筑室内设有水喷淋系统，采用K-11吊挂式洒水喷头，房间顶部设有感温探测器，一旦室温高于68℃时将自动启动水喷淋系统开始向室内喷水［15］。模拟起火位置在该高层建筑7层外表面的一处面积为0．04 m2的火源(见图2)，其单位面积热释放速率为5 000 kW·m-2·s-1，假设火源从第1 s开始即被引燃，随之引燃周围的保温材料后火势逐渐扩大，火灾功率随时间的变化情况如图3所示。笔者在着火层紧邻房间内，以不同位置的喷头设置了5种工况(见表1)，环境温度为24℃，工作压力为0．1 MPa，流量为 13 L·min-1，流速为 5 m·s-1，喷射角度为0～60°，粒径为1 200 μm。考虑到人员的疏散安全，笔者在室内距地1．6 m高度处设置测面来提取各个模拟计算工况下的CO浓度、温度等烟气层相关特性参数随时间变化的数据，并对其进行对比分析。

图1 高层建筑模型示意图

图2 室内布置模型示意图

图3 火源功率变化曲线图

表1 工况详情表

2 室内CO浓度分析

图4为高层建筑外保温材料着火后，不同工况下室内1．6 m高度处的平均CO浓度随时间变化的曲线图。高层建筑外保温材料引起火灾后，伴随着聚氨酯燃烧产生的大量有毒烟气迅速向着火层临近的房间内扩散。由图4可以看到，从火灾发生伊始到120 s这段时间内，室内平均CO浓度有明显大幅度提升，最大浓度值超过了900 ppm。在120 s时自动喷水灭火系统启动，设置在窗户上方的喷头会通过灭火作用减小热释速率从而减少烟气生成量;设置在室内的喷头通过水雾的稀释作用也会降低CO浓度。因此从图中也能看出室内平均CO浓度开始有回落的趋势。窗户作为室外火灾烟气进入室内的最主要渠道，位于窗上方向下喷射这一工况下的室内平均CO浓度曲线较其他工况走势最低，CO浓度最大值维持在300 ppm以下，说明此工况对室外烟气的阻隔效果最理想，对人员的逃生安全十分有利;反观设置在门上方的喷头，由于相对窗户的距离最远，因此对室外火灾烟气的阻隔效果不佳，此工况下的室内平均CO浓度值接近700 ppm;工况三和工况四下的室内平均CO浓度曲线走势基本一致，说明将喷头设置在房间中部向下和侧面向前喷射对火灾烟气的阻隔效果相近。

图4 室内1．6 m高度处平均CO浓度

3 室内温度变化分析

图5为不同工况下室内1．6 m高度处的室内平均温度随时间变化的曲线图。由图5可知，火灾发生后120 s时，着火层临近房间室内平均温度升至68℃以上，设置于房间顶部的喷头的玻璃球破碎自动喷水，各工况下的室内平均温度曲线开始呈不同幅度的下降趋势。但将喷头置于门上方这一工况下的室温曲线在120 s之后依然呈上升的趋势，其最高室温一度超过100℃，降温效果不够理想;其他几种工况基本都能将室温控制在80℃以下，其中置于房间侧面向前喷射这一工况下的室温波动幅度较大，稳定性不够理想;将喷头置于窗上方和房间中间顶部喷射的水喷淋均能较好地将室内平均温度降至60℃以下，人员在该环境中能够对逃生做出清醒的判断，进一步确保其疏散的安全性。

图5 室内1．6 m高度处平均温度

4 结论

笔者运用FDS软件对高层建筑外墙保温材料引起的火灾进行了数值模拟，研究室内自动喷水灭火系统对室外火灾烟气蔓延的控制。着重讨论了5种工况下，喷头不同位置和喷射角度对室外火灾烟气向室内蔓延的控制效果，通过提取模拟所得各工况下的室内CO浓度值和温度值，对模拟结果比较分析后可以得出以下结论:对于由高层建筑外保温材料引起的火灾，室内水喷淋系统的喷头位置和喷射方向决定了其对火灾烟气向室内蔓延控制的效果。其中将喷头设置在窗上方向下喷射阻隔室外烟气蔓延的效果最佳;在降低室内温度方面，将喷头置于窗上方和房间中部喷射的降温效果均较为理想，十分有利于人员在火灾发生后的安全逃生和疏散。

［1］霍然，周允基，张村峰．典型喷淋条件下火灾烟气运动的动力学特性研究［D］．合肥:中国科学技术大学，2006．

［2］BULLEN M L．The Effect of a Sprinkler on the Stability of a Smoke Layer Beneath a Ceiling［R］．Fire Research Note1016，Fire Research Station，Bore ham wood，United Kingdom，1974．

［3］MORGAN H P，BAINES K．Heat Transfer from a Buoyant Smoke Layer Beneath a Ceiling to a Sprinkler Spray 2-An Experiment［J］．Fire and Materials，1979，3(1):34-38．

［4］ALPERT R L，MATHEWS M K．Calculation of Large-scale Flow Fields Induced by Droplet Sprays［R］．Technical Report FMRC J．I．OEOJ4．BU，RC79-BT-14，Factory Mutual Research，Norwood Ma，USA，1979．

［5］ALPERT R L，MATHEWS M K．Calculation Interaction of Sprays with Large-scale Cross Flows and Buoyant Opposed Flows［R］．Technical Report FMRC J．I．OEOJ4．BU，RC79-BT-14，Factory Mutual Research，Norwood Ma，USA，1984．

［6］ALPERT R L．Numerical Modeling of the Interaction Between Automatic Sprinkler Sprays［J］．Fire Safety Journal，1985，9:157-163．

［7］GARDINER A J．The Mathematical Modeling of the Interaction between Sprinkler Sprays and the Thermally Buoyant Layers of the Gases from Fires［D］．PhD thesis，South Bank Polytechnic，London，1989．

［8］COOPER L Y．The Interaction of an Isolated Sprinkler Spray and a Two-layer Compartment Fire Environment-Phenomena and Model Simulations［J］．Fire Safety Journal，1995，25:89-107．

［9］CHOW W K，CHEUNG Y L．Simulation of Sprinkler-hot Layer Interaction Using a Field Model［J］．Fire and Materials，1994，18:359-379．

［10］CHOW W K，FONG N K．Application of Field Modeling Technique to Simulate Interaction of Sprinkler and Fire-induced Smoke Layer［J］．Combustion Science and Technology，1993，89:101-151．

［11］CHOW W K，FONG N K．Numerical Simulation on Cooling of the Fire-induced Air Flow by Sprinkler Water Sprays［J］．Fire Safety Journal，1991，17:263-290．

［12］霍然，李开源．水喷淋作用下火灾烟气层的稳定特性研究［D］．合肥:中国科学技术大学，2008．

［13］霍然，周允基，游宇航．机械排烟与水喷淋作用下大空间仓室火灾及烟气特性研究［D］．合肥:中国科学技术大学，2007．

［14］自动喷水灭火系统设计手册编委会．自动喷水灭火系统设计手册［M］．北京:中国建筑工业出版社，2002．

［15］GB 50045-95，高层民用建筑设计防火规范(2005年版)［S］．

［16］刘方，廖曙江．建筑防火性能化设计［M］．重庆:重庆大学出版社，2007．