水幕隔热阻断效果数值模拟

摘 要：本文对引起烟气运动的原因进行分析，通过PyroSim软件建立长20m的走廊模型，运用FDS软件对设置6种水幕设置方式的工况进行模拟，讨论分析不同设置方式下水幕对建筑走廊中烟气的隔热阻断效果。模拟结果表明：水幕的开启能够有效地减缓烟气的流动速度及对被保护侧的空间起到隔热降温的效果，在走廊顶部设置水幕及在顶部和地面同时设置水幕的方式能够更好地为人员逃离火灾现场及为消防人员灭火争取宝贵的时间。

关键词：安全工程；建筑走廊；水幕；烟气运动；烟气温度

Abstract：In this paper， the causes of smoke movement is analyzed， 20m long corridor is established by PyroSim software.FDS software is used to simulate the smoke movement in six kinds of water curtain working condition. The effect of water curtain blocking smoke ability in building corridor is discussed under different kinds of water curtain setting condition. Simulation results show that the water curtain can effectively reduce the smoke moving velocity， it also can insulate heating and cool down the protected space temperature. Water curtain set at the top single and both of the top and the ground in the building corridor can win more precious times for the firefighters to extinguish the fire. so as the trapped people can quickly flee the scene of the fire.

Key words：safety engineering； building corridor； water spray； smoke movement； smoke temperature

前言

随着我国经济建设的发展，高层建筑不断增多，带来的火灾隐患也越来越大。在众多建筑火灾中，火灾危害主要是热量、烟氣和缺氧三种因素共同作用造成的[1]。近年来水幕作为一种常见的阻火隔热手段，应用到了高层建筑防烟的设计中，所谓消防水幕是指将水喷洒成水帘幕状，用以阻止火灾烟气穿过开口部位，从而防止火灾蔓延的一种消防设备[2]。

魏东[2-3]等人对防火分隔水幕的隔热机理及辐射衰减模型进行了分析与求解，钟涛[4]等人对大跨度、高空间的水幕进行了一系列的全尺寸试验研究，得出用水量、水幕厚度及水幕水滴的密集程度和均匀性是影响水幕效果的主要因素，段云、王新[5-6]等人针对水幕在隧道中的灭火阻烟效果进行了数值模拟，验证水幕在隧道中能够使隧道内烟雾的温度降低，但是由于水幕的作用，使隧道内的CO浓度增加，对隧道内人员的逃离产生不利的影响。秦俊[7]等在实验室条件下对贮油罐区防火水幕技术进行了模拟实验研究。展望[8]等人通过对4种不同施加方式的水幕建立模型，分析建筑走廊中烟气的阻断效果。

本文通过PyroSim软件建立三维模型，利用FDS软件模拟不同水幕布置方式下，分析水幕对建筑走廊中烟气的隔热阻断效果。

1.火灾烟气的流动与控制

建筑中走廊具有狭长等特点，发生火灾时烟气在浮力、烟囱效应、膨胀力等驱动下，由火灾区沿着走廊内部迅速地向非火灾区蔓延，同时还会产生大量高温烟气，致使整个走廊内温度升高并在热湍流的作用下填充满整个走廊，使整个走廊的能见度迅速降低，导致建筑内部人员在经过走廊逃生时增加不同程度上的难度。因此，有效阻断烟气在走廊的扩散，降低走廊中火灾的烟气温度，是减少火灾危害的重要途径之一[9]。

1.1 浮升力引起的烟气运动

着火区域温度升高，空气和烟气的混合物密度减小，与相邻的房间或室外的空气形成密度差，具有向上的浮升力而引起烟气流动。实际上着火房间与邻室或室外形成热压差，导致着火房间内的烟气与邻室或室外的空气相互流动，中性面的上部烟气向邻室或室外流动，而邻室或室外的空气从中性面以下进入。这是烟气在着火区域水平方向流动的原因之一。

烟气在走廊内流动过程中受顶棚和墙壁的冷却作用，靠墙的烟气将逐渐下降，形成走廊的周边都是烟气的现象。

1.2 烟囱效应引起的烟气运动

当建筑物室内发生火灾时，室内外存在明显的温差，在烟气和空气的密度差作用下引起垂直通道内（楼梯间、电梯井、强弱电桥架等）的空气向上（或向下）流动，从而携带烟气向上（或向下）传播，一旦烟气由竖井流出，进入建筑物上部各楼层，随后气流通过各楼层的外墙开口排至室外，如果楼层之间存在缝隙时，如果着火层的燃烧强烈，热烟气的浮力克服了竖井内的烟囱效应，则烟气仍可进入上层楼层，着火房间内的烟气将随着建筑物中的气流通过外墙开口排至室外。

1.3 膨胀力引起的烟气运动

温度升高引起气体膨胀是影响烟气流动较重要的因素。若着火房间只有一个小的墙壁开口于建筑物其他部分相连时。烟气将从开口的上部流出。外界空气将从开口下部流进。若着火房间门窗关闭并假定其中有足够多的氧气支持较长时间的燃烧，则燃气膨胀引起的压差将使烟气通过各种缝隙向非着火区流动。

1.4 外界风作用下的烟气运动

风的存在可在建筑物的周围产生压力分布，而这种压力分布能够影响建筑物内的烟气流动。风的作用受到多种因素的影响，包括风速、风向、建筑物高度和几何外形及邻近建筑物等。风朝建筑物吹过来会在建筑物的迎风侧产生较高的滞止压力，这可增强建筑物内的烟气向下风向的流动。

2.物理模型及工况设置

2.1 理论基础

火灾是一个流体流动、传热传质、化学反应及其相互作用的复杂燃烧过程。对火灾数值模拟的理论基础为该物理现象的各数学模型及其耦合。由于实际火灾中的空气流动均为三维空间的不规则非定常流动，所以，液滴的运动模拟采用欧拉-拉格朗日粒子运动模型，采用大涡湍流模型（LES）模拟烟气，火灾烟气运动的控制方程采用可压缩Navier-Stokes方程[6]。

其质量守恒、动量守恒和能量守恒方程如下：

2.2 模型建立

模型以某高层建筑办公楼为原型，其条形走廊尺寸为20m×1.6m×2.5m，本文利用PyroSim软件建立走廊模型，如图1所示。着火点设置在距离楼梯间门最远处即走廊的左端，燃烧器尺寸为0.5m×0.6m，在左侧的墙上设置通风窗，窗尺寸为0.8m×1m，在走廊右端的左侧设有楼梯间门，尺寸1.5m×2m。

模拟设置条件：

1） 模拟时，设置初始环境温度20℃，四周的墙壁均为绝热表面；

2） 采用网格精度为0.1m来划分网格；

3） 走廊两侧的窗户和楼梯间门始终处于开启状态，且左侧窗户有从左向右速度为1m/s的稳定气流吹入；

4） 热释放速率是衡量火灾危害的重要参数之一。钟委[10]等人就热释放速率的设定进行了详细的讨论，针对此次模拟选择热释放速率为3500kW/m2的稳定热释放速率的火源；

5） 模型选择在距离走廊左端8m处的天花板处设置水幕，水平方向的水幕设置7个喷头，喷头之间的间距为0.2m；竖直方向的水幕设置5个喷头，水幕喷头之间的间距为0.5m；

6） 水流量为20L/min，工作压力为10MPa，流量系数为0.5；

7） 水滴直径根据魏东[3]等人对水透射率以及水滴半径之间关系的论述，并结合本模拟所对应的工况，选择水滴直径为500μm；

8） 朱云翔[11]在对水幕防火分隔效果数值模拟研究中指出水幕喷水速度的大小对其防火分隔效果影响不大，此次模拟选择水滴速度为5m/s。

2.3 工况设置

本文共设置6个工况：1.无水幕设置；2.在走廊顶部设置一道水幕；3.分别在走廊的两侧设置两道水幕；4.在走廊顶部和两侧墙壁同时设置水幕；5.在走道的地面水平设置一道水幕；6.在走廊的頂端和地面分别设置一道水幕。本文中为简化叙述，下文使用工况+编号叙述各种布置方式。

3.模拟结果比较与分析

3.1 速度场分析

如图3中工况1所示，火灾发生后燃烧所产生的烟气由于浮升力作用向上流动，并在上升的过程中卷吸外界的空气，使得走廊内外形成压差，压差决定了空气的卷吸量的大小，卷吸进的空气会不断的进入走廊。烟气在自身浮力和走廊内外的压差的联合作用下到达走廊顶部，在受到天花板的阻挡之后，烟气流动变为受限的重力分流，沿着天花板向着非着火区域水平流动，在到达整个走廊的右端后遇墙壁受限停滞，并迅速堆积，到达一定程度后发生水平流动，充满整个走廊。

在施加水幕的5个工况中，如图3、4所示，水幕打开后会形成一个较强的气流，将周围空气卷吸，使得到达水幕左侧的烟气在水幕流场的作用下下沉，形成一个顺时针的流场，一部分的上升气流向上扩散，一部分的混合气流穿过水幕在水幕气流的作用下在水幕的右侧形成逆时针的流场，在到达水幕的后方时，由于缺少上升气流的作用，气流在重力的作用下开始回落，最后平稳地向出口处扩散[12]。

从上图可知，随着时间的增加，喷出的液滴越来越多，气流作用越来越强并处于紊乱的状态，由于烟气与水幕所产生的水滴发生了动量传递，使烟气在被保护侧的扩散速度减缓。在施加水幕的5个工况中在顶部设置水幕及在顶部和地面同时设置水幕的方式对烟气的流场的阻挡作用较其他形式的水幕形式明显。

3.2 温度场分析

研究表明：人体对高温烟气的忍耐是有限的。在65℃时，可短时忍受；在120℃时，15min内就将产生不可恢复的损伤；在140℃时约5min，170℃时约1min。结合烟层高于人眼特征高度时（通常1.2～1.8m），若上部烟气的热辐射强度已对人产生危害就认为到了危险状态，温度180℃为危险状态的判定界限[13]。

1） 从图5、6、7可以看出在5种施加水幕的工况中，工况2、工况4及工况6的隔热阻烟效果最好，工况3次之，工况5水幕设置方式的走廊内环境温度变化与未施加水幕趋于一致，效果最差；

2） 在工况1中，未施加水幕的走廊内温度随着时间的推移不断的升高，最高温度高达196℃，且增涨趋势呈幂次增长；

3） 在工况2、工况4及工况6的方式下，水幕的降温效果趋于一条平行的直线，且能够将被保护趋于的环境温度控制在50℃以下；工况2、6均能够将被保护区的烟气温度控制在57℃以下，工况4能够将被保护侧的烟气温度平均在31℃左右，阻挡效果最好；

4） 工况3由于水幕所喷出的水沿Y轴水平方向射出，射出后受重力作用下落，水流的速度在Z轴方向的分解速度明显小于工况2中水流在Z轴方向的速度。而烟气流动沿X轴正方向流动，看出水幕对烟气的气流呈横向阻挡，由图3、4可以看出垂直流动的部分烟气穿过水幕，使被保护侧的温度升高，从图6、7可知工况3降温效果优于工况5，但是相比工况2、工况4及工况6还是稍显逊色，仅将被保护侧的温度控制在90℃左右，且温度随时间的变化趋势没有工况2、工况4及工况6的稳定。

4.结论

1） 在走廊顶部设置水幕及在走廊顶部和地面同时设置水幕的方式对烟气的速度的减缓作用较其他形式的水幕形式明显；

2） 水幕能够有效阻隔火灾的热量扩散，降温隔热的效果明显；

3） 在走廊顶部设置水幕比在走廊的侧面设置水幕及在走廊的地面设置水幕的隔熱阻断效果要好；

4） 未设置水幕时，火源侧的温度高达196℃左右，设置水幕之后能够将温度最低降低到平均31℃左右，给人员逃离火灾现场及消防人员灭火争取宝贵的时间。

参考文献

[1] 段云、张奇、李伟.水幕在隧道中灭火的数值模拟研究[J].中国安全科学学报，2008，18（3）.

[2] 魏东、葛晓霞、靳红雨、梁强.消防水幕阻火隔热效果的理论与实验研究[J].热科学与技术，2009，8（2）：164-170.

[3] 魏东、梁强.消防水幕衰减火灾辐射热的理论研究[J].中国安全科学学报，2008，18（10）：75-81.

[4] 钟涛、毛献群、仲晨华、杨志青.大型水幕防火分隔效果的试验研究[J].船舶工程，2004，26（6）：39-42.

[5] 段云、张奇、李伟.水幕在隧道中灭火的数值模拟研究[J].中国安全科学学报，2008，18（3）：37-40.

[6] 王新、金先龙、杨培中、吴慧明.盾构机水幕阻烟效果的数值模拟[J].上海交通大学学报，2012，46（1）：126-129.

[7] 秦俊、姚斌、廖光煊.贮油罐区防火水幕模拟实验研究[J].火灾科学，1999，8（4）：38-42.

[8] 展望、蒋军成、孙智灏等.细水幕阻断走廊烟气运动的数值模拟[J]，消防科学与技术，2014，33（1）：29-33.

[9] 徐志胜、姜学鹏.防排烟工程[M].2011年8月第1版.北京：机械工业出版社，2011.

[10] 钟委、霍然、史聪灵.热释放速率设定方式的几点讨论[J].自然灾害学报，2004，13（2）：64-69.

[11] 朱云翔、傅华、许军、范井峰.大型舱室水幕防火分隔效果仿真计算研究[J]，船舶，2008，3：34-38.

[12] 张华侨、徐大用、华敏等.锥形水幕稀释丙烷泄露扩散的数值模拟研究[J]，安全与环境学报，2012，12（5）：186-191.

[13] 张威、何嘉鹏、李静娴.走廊-前室缓冲区在建筑火灾中的可行性分析[J].中国安全生产科学技术，2011，7（9）：11-17.

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【文章编号】1627-6868（2017）05-0018-04

【作者简介】姚建芳（1987-），女，宁夏银川，回族，硕士研究生，主要从事建筑节能，建筑防排烟，可再生能源建筑应用等研究工作。

【基金项目】江苏省2014年度省建设系统科技项目（2014JH26）。