细水雾幕衰减热辐射的数值模拟研究

邬岱杰，陈　敏

(舟山市公安消防支队，舟山，202450)



细水雾幕衰减热辐射的数值模拟研究

邬岱杰*，陈敏

(舟山市公安消防支队，舟山，202450)

摘要:针对现有防火分隔技术的不足，以细水雾幕作为新的防火分隔技术，开展了不同细水雾幕雾特性对衰减热辐射影响的数值模拟研究。通过建立长通道模型，在火源和被保护物体中间设置细水雾幕系统，测量有无细水雾幕及不同细水雾特性条件下被保护侧温度及热辐射强度值，来定性定量研究细水雾幕衰减热辐射的效率。模拟结果表明:细水雾幕可以很好的降低被保护侧空间的温度和热辐射强度;衰减热辐射效率随雾滴粒径的减小，喷雾流量的增大，喷头排数增加而增大;另外，其衰减热辐射效率与喷头布置方式有关，上喷方式明显优于下喷方式。研究结果将对现有防火分隔技术的改善提供帮助和技术支持。

关键词:细水雾幕;热辐射;衰减效率;防火分隔

0　引言

细水雾作为一种清洁高效的防灭火技术已经受到广泛的关注。细水雾具有耗水量低，液滴粒径小，灭火效率高等优点，对其灭火机理，国内外学者已经开展了广泛而细致的研究［1］。Rasbash［2］等在20世纪70年代最先开始细水雾灭火机理的研究，目前广泛认可的细水雾灭火机理包括气相冷却和表面冷却、隔氧窒息、衰减热辐射以及动力学作用等，其中衰减热辐射机理是细水雾灭火过程中的重要机理之一。对于火灾载荷强度大的火灾，往往会产生高强度的热辐射灾害，最终造成大量人员的致死致伤，同时也不利于人员疏散。本文研究根据细水雾衰减热辐射机理，建立一种用来防火分隔，而不是直接用于灭火的细水雾幕系统，来遮蔽高强度的热辐射，减轻因热辐射所造成的人员伤亡，同时延长人员的逃生时间。Dembele［3］等人利用缩尺度实验，研究了喷头的类型、布置方式、系统的流量和压力等因素对水幕衰减辐射热能力的影响，结果表明随喷头排数增多，喷头流量和压力的增大，水幕系统衰减热辐射能力增强。秦［4］等对贮油罐区防火水幕技术进行了模拟实验研究，测得水幕的隔热效率为97%。钟［5］等从温度的角度研究了大空间内水幕的隔热性能，实验结果表明水幕能有效阻止火灾蔓延，降温隔热效果显著。葛［6］等人针对消防水幕隔热效率，分析了喷头流量、压力等参数对热辐射的影响。前人大部分采用的消防水幕或者水喷雾作为防火分隔技术，但是具有耗水量大，水渍污染严重，雾滴粒径较大等缺点。周等［7，8］利用FDS软件模拟了细水雾相关灭火特性的研究，Sikanen［9，10］等利用FDS模拟了高压细水雾特性，并且进行了小尺度衰减热辐射实验，结果表明FDS火灾模拟软件对细水雾模拟及相关辐射热传输计算具有一定的适用性。由于实验条件的限制，本文利用FDS5.3软件，细致研究不同细水雾雾特性对细水雾幕衰减热辐射能力的影响，主要考虑不同雾滴平均粒径，不同流率，不同喷头排数，不同喷雾方式等因素，来获得优化的细水雾幕系统，为提高细水雾幕作为防火分隔技术提供技术支持。

1　物理模型与工况设置

本文采用火灾动力学模拟软件FDS开展研究工作。FDS是一种采用了大涡模拟方法的火灾场模拟软件，用混合分数燃烧模型来模拟火焰燃烧，采用拉格朗日粒子计算法模拟细水雾颗粒，通过求解非散射型灰度性质的气体的辐射方程来考虑辐射热传递作用，对辐射方程的求解采用有限体积法(FVM)，细水雾粒子对辐射的吸收因子根据Mie理论计算［11］。本文研究中着重考虑细水雾喷雾模型及雾滴与热辐射相互作用辐射传输模型，详细的理论模型参考FDS用户手册［11，12］。

1.1物理模型及测量布局

图1为模型示意图，模型尺寸为长15 m，高4 m，宽为4 m。模型的左表面，右表面为敞开的，为了排除烟气对研究的影响，设置上表面也为敞开的，其他表面为防火板材料。火源采用1 m×1 m的正庚烷池火，设定单位面积热释放速率为4000 kw/m2，模拟4 MW的大尺度火灾，火源中心距离左表面为5 m，火源中心上方设置一列热电偶。细水雾幕的构建由五个细水雾喷头并排组成一列形成且间距为0.15 m，细水雾喷头与火源中心距离为3.25 m，高度为3.0 m。细水雾幕背火源侧中心位置设置辐射测点和热电偶测点各一列且重合，距离细水雾喷头1 m处;每列测点布置八个，从距离地面0.5 m到2.6 m处，间隔为0.3 m。以上各个模拟装置均位于长通道的中心位置。通过分别测量有无细水雾幕启动时的辐射热通量和温度值来表明细水幕衰减热辐射的能力。

图1　模型概况: (a)正视图; (b)侧视图Fig.1 The physical model sketch: (a) Front view; (b) Side view

1.2网格划分

FDS采用正交网格系统求解控制方程，所有物体均采用长方体型处理。网格单元尺寸是最重要的数值模拟参数，网格单元的大小决定了偏微分方程组离散的时间步长和空间步对。对于模拟包含浮力火羽流的流场，其网格大小可以根据无量纲直径D*/δx［11］的大小来判断，D*为特征火源直径，如公式(1)所示:

本文中设定的火源热释放速率为4 MW，通过公式(1)计算得D*为1.67 m，从而δx约为0.10 m ～0.42 m。以此为依据开展网格独立性分析，分别设置网格大小为0.1 m，0.15 m，0.2 m，0.25 m，0.3 m，0.4 m.对无细水雾条件下进行网格独立分析模拟计算，通过比较一个温度测点的结果来最终确定采用的网格大小。如图2所示，在满足模拟结果精度与时间消耗要求下，选择0.15 m网格大小。

1.3模型参数与工况设置

本文主要研究细水雾幕特性对衰减热辐射的影响，重点考虑通过改变细水雾特性等相关参数来研究其作为防火隔热技术的应用。因此在以下几点开展模拟研究: (1)不同液滴大小分布; (2)不同流率; (3)不同喷头布置方式等三个方面开展工作。本文选择模拟中压细水雾，根据细水雾液滴粒径定义为D99小于等于400 μm，设定细水雾喷头基本参数如表1所示，模拟工况如表2所示，每组工况，细水雾开启时间为120 s，环境条件均相同。

表1　细水雾喷头基本参数Table 1 The parameters of Water mist nozzle

表2　工况条件Table 2 Working cases

2　结果和讨论

根据表2所列工况，开展相关模拟，通过比较不同细水雾幕特性条件下衰减热辐射效率的大小来获得影响细水雾幕防火分隔的因素，并提供优化细水雾幕防火分隔技术的关键参数。

细水雾幕衰减热辐射效率计算如公式(2) :

其中，η为衰减效率，Iwith为有细水雾幕时所测辐射值，Iwithout为无细水雾幕时所测辐射值。

2.1不同液滴粒径大小分布对细水幕衰减热辐射的影响

按照工况1，展开数值模拟研究不同液滴粒径分布对衰减热辐射的影响。模拟结果如图3所示:其中图3a为没有细水雾幕时辐射计测点所测得辐射热通量随时间的变化;图3b～图3e分别为不同高度处，在改变细水雾雾滴粒径的条件下，各辐射计测点所测得辐射热通量随时间的变化。从图3a中可以看到不同高度处所测辐射值不同，这是由于火焰不同高度的温度和发射率的不同造成的;从图3b～图3e中可以得出雾滴粒径越小，其衰减热辐射的能力越强且不同高度处细水雾幕衰减热辐射能力不同。图4为高度1.7米处不同细水雾粒径下温度测点结果随时间的变化，从图4中可以看出，D50为50 μm时温度可以从40℃左右降低到25℃，因此细水雾幕同样可以降低被保护侧温度场且粒径越小对温度场的冷却作用越强。图5为不同高度处衰减效率随平均直径D50的变化，从图5中可以看到D50从300 μm降到50 μm过程中衰减效率从0.2增加到0.6左右，增加率是逐步增大的。在粒径相对较小时，在不同高度处衰减效率相差不大，这是因为粒径较小，雾滴容易受到空气卷吸，空气阻力等因素的影响，从而悬浮于整个空间中，比较均匀的分布在流场中导致的。而粒径较大时，其向下运动过程中，受空气阻力及空气卷吸的影响减弱，导致下方的雾滴累积相对较多，出现下部的衰减效率较大，上部较小。因此，在实际应用中，细水雾喷头的雾化效果越好对衰减热辐射的作用越强，但是考虑到风速环境影响时，雾滴粒径最小值应有一个限制。

图3　有无细水雾幕时不同高度和D50下辐射热通量值随时间的变化Fig.3 The temporal variation of radiative heat flux at different heights and D50with or without water mist curtain

2.2不同流率及喷头布置方式对细水雾幕衰减热辐射的影响

根据工况2，展开模拟计算，研究喷头流率及喷头布置方式(上喷和下喷)对细水雾幕衰减热辐射的影响。图6为高度1.7 m处不同流率下辐射热通量随时间的变化，通过比较图6a与图6b可以看出细水雾幕布置在地面向上喷射时，其衰减热辐射的效果得到加强，同时温度也降低更加明显，如图7所示。图8为不同高度处细水雾上喷和下喷时衰减效率随喷头流量的变化。从图8a和图8b，可以看出随流量的增大，衰减效率增加，但是当流量增大到某一值后，继续增大流量，其衰减效率增加变得不太明显。因此在实际应用中，喷头的流量应该有一个上限，在这个上限范围内能实现经济与效益的最优化。而比较图8a与图8b发现，上喷时细水雾幕衰减热辐射的能力明显增强，且下喷时不同高度衰减效率差别较小，而上喷时上方的衰减效率较大。这是因为上喷时，细水雾运动轨迹较长，先向上运动，后向下运动，在空气中的停留时间相对较长，因此单位体积空间内的细水雾浓度较大，从而导致上喷时衰减效率较高。因此，上喷这种布置方式可以提高细水雾幕衰减热辐射效率。另外，在流率为2 L/min时，上喷雾幕的衰减效率达到40%～50%，而下喷雾幕衰减效率仅达到20%多点，因此在考虑水消耗量的前提下，上喷布置显然具有很大优势。而在实际应用中，要考虑到施工问题及需要的场所等因素的影响。

图4　不同条件下1.7 m处温度测点随时间的变化Fig.4 The temporal variation of temperature at 1.7 m height for different cases

图5　不同高度衰减效率随D50的变化Fig.5 The attenuation efficiency at different heights with the variation of D50

图6　高度1.7 m处不同流率下辐射热通量随时间的变化Fig.6 The temporal variation of radiative heat flux at 1.7 m ight with the variation of water flow rate for single-row nozzles

图7　高度1.7 m处不同流率下温度随时间的变化Fig.7 The temporal variation of temperature at 1.7 m height with the variation of water flow rate for single-row nozzles

图8　不同高度处衰减效率随喷头流率的变化Fig.8 The attenuation efficiency at different heights with the variation of water flow rate for single-row nozzles

2.3不同细水雾幕排数及布置方式对其衰减热辐射的影响

为研究增加细水雾幕排数对提高其衰减热辐射效率的影响，设置双排细水雾幕，如工况3所示，采用平均粒径为150 μm，通过改变雾幕排数和流率，然后与单排雾幕效果比较。模拟结果如下:图9为高度1.7 m处双排细水雾幕作用下所测辐射热通量随时间的变化。与图6相比较，发现双排细水雾幕作用下，辐射热通量测量值有所下降。图10为高度为1.7 m处不同流率下温度随时间的变化，与图7相比较，发现温度值也是有所下降。

图11为不同高度双排细水雾幕下衰减效率随喷头流率的变化，与图8相比较，发现不论上喷还是下喷情况下，双排细水雾幕比单排提高了10%左右。这是因为提高用于衰减热辐射的细水雾液滴的总量，提高了衰减热辐射效率。因此，在实际应用中，在保持一定细水雾消耗总量相同的条件下，可以通过设置多排细水雾幕来提高防火分隔的效能。同样可以看到，衰减效率随喷头流率的增大而提高，但是达到上限后，继续增大流率对衰减效率的提高作用减弱，这说明有个最优的细水雾流率，低于该极限值是合理的。

图9　高度为1.7 m处不同流率下辐射热通量随时间的变化Fig.9 The temporal variation of radiative heat flux at 1.7 m ight with the variation of water flow rate for two-row nozzles

图10　高度为1.7 m处不同流率下温度随时间的变化Fig.10 The temporal variation of temperature at 1.7 m ight with the variation of water flow rate for two-row nozzles

图11　不同高度双排细水雾幕下衰减效率随喷头流率的变化Fig.11 The attenuation efficiency at different heights with the variation of water flow rate for two-row nozzles

3　结论

通过数值模拟研究，得出细水雾幕具有很强的衰减热辐射作用，具体结论如下:

(1)细水雾幕衰减热辐射效率受液滴粒径大小的影响，随液滴粒径的减小而增大，且粒径越小，增长率越大。

(2)细水雾幕衰减热辐射效率受水流率的影响，且随水流的增大而增大，超过某一极限其衰减效果增强不再显著。另外，其衰减效率也与喷头布置方式有关，雾幕向上喷射时，对衰减热辐射效率的提高显著，这与雾滴在空间中的存在时间直接相关。

(3)增大细水雾幕的排数，对提高其衰减热辐射的效率有一定的作用，但不是非常显著，在水供应充足的条件下，可以考虑采用双排。

(4)在细水雾幕衰减热辐射的同时，可以降低被保护侧空间的温度。本研究中，细水雾幕可以使被保护空间温度从40℃降低到25℃。

以上研究主要考虑了不同细水雾幕特性与喷头布置方式等条件对其衰减热辐射的影响，研究结果对各个领域内火灾场景的应用均有一定的参考意义。另外，对外界环境条件，如环境风等对细水雾幕应用的影响，本文没有涉及，在后续研究中会涉及。

参考文献

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［12］Mcgrattan K，et al.Fire dynamics simulator (version 5)，technical reference guide［M］.NIST special publication，2004，1018.5.

Numerical study on the thermal radiation attenuation by water mist curtain

WU Daijie，CHEN Min
(Fire Detachment of Zhoushan，Zhoushan 202450，China)

Abstract:In this paper，the effect of the performance of water mist curtain (as a new fire separation technology) on the thermal radiation attenuation is studied by numerical simulation.In a long channel model，the water mist system is located in the middle between fire and the protected side.The thermal radiative attenuation efficiency by water mist curtain is investigated qualitatively and quantitatively through measuring the temperature and thermal radiation intensity of the protected side under different water mist curtain characteristics.The simulation results show that the water mist curtain can reduce the temperature and thermal radiation intensity in the protected side.The thermal radiative attenuation efficiency increases with the decrease of particle diameter，the increase of flow rate，nozzle rows.In addition，the attenuation efficiency is related with the way of water mist injection，and the upward injection is inherently better than downward injection.

Keyword: Water mist curtain; Thermal radiation; Attenuation efficiency; Fire separation

通讯作者:邬岱杰，E-mail: wudaijie321@sina.com

作者简介:邬岱杰(1987-)，男，汉族，浙江岱山人，本科学历，现任浙江舟山消防支队嵊泗大队助理工程师，研究方向为火灾调查。

收稿日期:2015-04-13;修改日期: 2015-05-29

DOI:10.3969/j.issn.1004-5309.2015.03.05

文章编号:1004-5309(2015) -00151-08

中图分类号:X931; X915.5

文献标识码:A