狭长通道内细水雾型水幕阻烟性能实验研究

梁强， 李炎锋， 李俊梅

(1.北京工业大学 建筑工程学院，北京 100124； 2.中国人民武装警察部队学院 消防指挥系，河北 廊坊 065000)

狭长通道内细水雾型水幕阻烟性能实验研究

梁强1,2， 李炎锋1， 李俊梅1

(1.北京工业大学 建筑工程学院，北京 100124； 2.中国人民武装警察部队学院 消防指挥系，河北 廊坊 065000)

针对阻止狭长通道内火灾烟气水平蔓延的问题，本文提出利用细水雾型水幕防烟分隔方法，搭建实验台研究细水雾型水幕在狭长通道中阻烟的效果。通过分析烟气蔓延过程，测量温度分布，O2、CO2和CO浓度变化以及通道内照度变化，讨论狭长通道内细水雾型水幕阻烟的有效性。实验结果表明：细水雾开启后，其下游空间环境得到改善，可以满足安全疏散的环境要求，狭长空间内细水雾型水幕的阻烟性能良好。实验为狭长通道(隧道、长走廊)的防排烟设计提供了思路，对火场救援和人群疏散具有重要意义。

火灾； 狭长通道； 细水雾； 细水雾型水幕； 烟气扩散； 烟气控制

据统计，火灾中80%以上的死亡者是死于烟气的影响[1]，烟气控制是火灾科学的重要研究内容。不同形式的建筑空间内烟气蔓延过程和特点不同，狭长通道作为一种典型的建筑结构形式，既是建筑内各类空间的联络纽带，又是火场人群疏散的必经之路，烟气一旦涌入后果不堪设想。工程中常见的狭长通道包括公路和铁路隧道、地铁隧道、城市地下交通隧道以及建筑内部的走廊等[2]。火灾研究人员针对狭长通道火灾开展了大量科学研究，主要包括烟气毒性成分迁移研究，烟气输运和控制研究以及细水雾灭火应用研究等。霍岩利用小尺寸模型实验研究了有限长度矩形倾斜通道内发生火灾时，通道内近上壁面区域内的热烟气在自然对流作用下的运动特性[3]。Hu研究了空气幕在狭长通道内的烟气控制效果[4]；袁建平利用1/20小尺寸模型实验研究了城市隧道火灾组合通风排烟方式的排烟特性[5]；董惠利用大尺度全尺寸实验研究了水幕的防火分隔作用，结果表明水幕的隔热性能良好，由于水幕属于不连续水颗粒且水幕孔隙率较高防烟效果不佳[6]。Fernández等提出了一种在隧道内利用烟气和冷空气联合控制烟气纵向蔓延的气幕控制方法(double stream-twin jets)，该方法对空气幕进行了改进[7-8]。方正利用10∶1 模型试验和实体隧道火灾实验，通过温度变化证明水喷雾可以有效降低隧道温度，阻止烟气及热量向下游传播[9]。细水雾作为一种高效、节水、环保的灭火方式被应用到隧道火灾中[11-12]，其主要作用是扑救隧道内车辆及其固体货物火灾。在对细水雾控火的研究中，学者们观察到细水雾不但具有优良的降温效果还可以通过洗涤烟尘粒子提高火场能见度[9,12-13]。

潘李伟等的实验结果表明细水雾作用后的烟气团形态比未施加细水雾的大了约10倍[13-14]。显然，细水雾的吸附作用对烟气团的积累有重要作用。水雾消烟的基本机理包括气溶胶动力学机理、云物理学机理和斯蒂芬流的输运机理[12-14]。在云物理学机理、斯蒂芬流的输运机理和颗粒团形态学机理的共同作用下，粒径增加的烟尘颗粒团进而强化烟尘颗粒与雾滴之间的碰撞运动，加速烟尘颗粒的沉降过程，对烟气起到有效地冲刷作用。

在前人研究的基础上，基于细水雾冷却降温和洗涤炭黑粒子的作用，本文提出在长通道内利用细水雾水幕作为防烟分隔控制烟气水平蔓延的方法。通过开展细水雾水幕阻烟性能研究，观测烟气运动过程，温度分布，O2、CO2和CO的浓度变化以及烟气对通道内照度的影响分析细水雾水幕防烟分隔的有效性。

1 实验装置及参数测点布置

本文重点关注细水雾型水幕对烟气的分隔作用，因此不考虑基于实验台尺寸比例的火源热释放速率之间的相似性。实际工程中，当水幕与火源超过一定距离时，水幕对火源发展影响不大。本文主要考虑水幕对烟气流动的阻挡，因此将火源设置在实验通道外，避免狭小实验空间内细水雾直接影响火源而降低产烟量和放热量，导致的阻烟效果测量偏差。实验使用汽油火来保证烟气的生成量、流动特性、气体成分和炭黑粒子浓度。狭长通道细水雾阻烟实验台的实物图及参数测点位置如图1所示，实验台由集烟罩、狭长通道、排烟罩和水雾喷射区四部分组成。火源设置在通道之外，利用集烟罩收集烟气并引入通道，在烟气流动稳定区域施加细水雾。狭长通道正面选用防火玻璃封挡，以便观测烟气的输运过程，通道顶和背面用水泥板封挡，通道两侧用带开孔的镀锌铁皮封挡，开孔尺寸为250 mm×3 mm，共12组，每组10个，便于通廊内补风。为防止高压喷射水雾撞击实验台地面造成气流卷吸回流，在水雾喷头正下方的地板上设置了0.6 m(长)×1.2 m(宽)的开孔。实验在尺寸为9 m(长)×9 m(宽)×4 m(高)的实验室内开展，实验室北墙上3.8 m高度处安装有轴流风机用于实验完成后通风排烟。实验过程中所有门窗、风机关闭，以减小室外风对火羽及烟气流动的影响。

图1 狭长空间细水雾水幕阻烟实验台及测点布置图Fig.1 Schematic and picture of the experimental rig and measuring locations

实验采用Φ1 mm的K型铠装热电偶测量狭长通廊内的温度，共设置80个热电偶测量点记录狭长通道内的温度分布，热电偶分为10组，热电偶串编号为TC01-TC10，每串8个热电偶，从通廊顶棚向下依次编号为TC01-1～TC01-8，如图1所示，数据采集时间步长为1 s，测量精度为0.1 ℃。采用德国约克公司MRU烟气分析仪监测通道内的O2、CO2及CO的浓度变化。采用型号为TES-1339R的照度计和一个40 W的白炽灯泡监测狭长通道内照度的衰减表征火场烟气减光性，照度计取样率为5次/s，测量误差为±3%。

2 细水雾装置及其特性参数

细水雾喷射区设置在距离烟气入口3 m处，高于通道顶棚20 cm，如图1所示。细水雾喷头选用K系数为0.092的高压单流体离心喷头，8个一组均匀安装在1.2 m长的喷淋杆上，喷嘴间隔15 cm，细水雾型水幕冷喷雾场如图2所示。利用丹麦DANTEC公司制造的激光多普勒动态颗粒分析仪(Dual PDA)对单个细水雾喷头下游雾滴粒径、速度进行测量，细水雾特性参数见表1。各种压力工况下的细水雾粒径均小于100 μm，按照现行规范要求属于一级细水雾[15]。实验时间设定为5 min，预燃1 min，通道内形成稳定热烟气层后开启细水水幕，水幕开启4 min后熄灭火源，停止水雾喷射。

图2 水雾型水幕Fig.2 Water mist screens

压力/MPa流量/(L·min-1)雾化锥角/(°)平均雾滴粒径/μm平均喷雾速度/(m·s-1)40.5826071.2821.2660.7136064.2627.8680.8236266.6428.36100.926063.0230.45

3 火源及实验工况设置

实验采用93# 汽油作为燃料，汽油用量为1 L，圆形油盘直径为25 cm。实验采用失重法测量93#汽油质量损失速率，选用精度为0.001 g，采样频率为1 Hz的电子秤测量。热释放速率是决定火场温度分布和烟气生成量的基本参数，该参数的确定是火灾实验的基础，在获得燃料质量损失速率后，按照下式计算得到相应的热释放速率：

Q=ηmcΔHc

(1)

式中：Q为热释放速率，kW；η为燃烧效率0.7～0.8；mc为燃料的瞬时质量损失率，kg；ΔHc为燃烧热值，kJ/kg。图3为Φ25 cm油盘汽油质量损失曲线和热释放速率曲线。

图3 热释放速率曲线Fig.3 The curves of heat release rate

影响细水雾特性参数的主要因素包括喷嘴结构、喷嘴尺寸和喷雾压力。由于实验中没有更换喷头，因此通过压力变化反映不同喷雾速度、粒径和雾通量下的阻烟效果，实验工况设置见表2。

表2 实验工况设置

4 实验结果分析

4.1烟气蔓延过程

图4为通道内细水雾水幕控制烟气蔓延过程。点燃油盘后，燃烧产生的烟气通过集烟罩进入通道，烟气形成纵向扩散、分层下降的蔓延过程，在59 s时稳定烟气层形成，烟气层距顶棚60 cm，如不采取烟气控制措施，烟气将充满整个通道。水幕开启后，烟气流动发生了偏转，并随水雾快速下沉，水幕后的可视距离明显改善如图4(b)所示。造成烟气偏转下沉的原因为：1)细水雾垂直速度远大于烟气的水平流速；2)水雾在烟气的高温作用下蒸发吸热降低了烟气流的温度，从而降低烟气的热浮力；3)水雾粒子和烟气粒子间发生凝并，形成水滴和炭黑粒子团随水雾下沉。同时由于通道的高度和地板开孔与地面距离的限制，水雾与烟气混合后的流股在向下撞击通道地面后流动方向发生改变，混合流股一部分沿通道底面横向扩散，一部分由底部开口流出通道，如图4(b)、(c)所示，由于无法及时排除，这股折返的水雾和烟气混合流股从下向上逐渐填充，通道底部的环境逐渐恶化。因此，在实际应用中应根据狭长通道的高度调整细水雾水幕的喷射压力，控制流动速度，在阻截烟气的同时，防止反射回流。在整个喷雾过程中，由于烟气不断涌入，水幕上游环境恶化严重，实际中应结合机械排烟改善其环境条件。通道内水幕下游环境优于上游，下游环境条件满足人员疏散要求，这也可以从温度，O2、CO2和CO浓度变化以及照度变化得出。至301 s时水幕下游空间环境仍好于上游，可视距离保持良好，通道背板上的反光条清晰可见，可为疏散提供300 s的疏散时间。

4.2通道内温度场分布

图5(a)、(b)为细水雾水幕作用下通道内TC04和TC09处的温度变化曲线图。点火后随着烟气的蔓延扩散，通道内上部空间的温度迅速上升，距顶棚40 cm以上的空间温升速率较大。从TC04处的垂直温度分布曲线可以看出，点火60 s内，距顶棚20 cm处的温度最高上升到了78 ℃，距顶棚40 cm以上空间的温度都在35 ℃以上，由上向下温度逐渐减低，竖直方向的温度变化反映了狭长通道内烟气分层的现象。点火60 s后细水雾水幕开启，由于水雾的冷却，距离顶棚20～40 cm范围内的温度迅速下降至35 ℃以下。在TC09处通道上部空间温度在水雾喷射前保持升高的状态，而后随着水雾的冷却逐渐下降，整个过程温度都没有超过45 ℃，距顶棚10 cm以下空间温度降至室温。从温度变化曲线可以看出，由于水雾的蒸发冷却通道内的温度被有效控制，水雾和烟气混合流在撞击地面后的折射流动影响了温度的分布。结合烟气蔓延过程录像可以看出，由于空间大小的限制，水雾和烟气混合流出现了向水雾主流区回流的过程，而回流范围在距顶棚10 cm以下的空间，因此顶棚处的温度没有出现急剧的下降，整个过程保持了缓慢上升的趋势，但温度没有超过65 ℃。通过以上分析，水雾对狭长通道内的冷却作用明显，这验证了文献[6,14]中得到的水幕对烟气的温度具有“洗涤”作用的结论。从温度参数变化可见细水雾水幕对烟气的扩散流动起到了很好的阻挡作用，通道内温度的降低可为火场逃生提供有利条件。

图5 温度变化曲线Fig.5 Temperature curves in long channel

4.3通道内组份气体的浓度变化

图6为细水雾型水幕下游的O2、CO2和CO变化曲线。从图中可以看出，在细水雾喷射之前，由于烟气的填充O2浓度随之下降，最低降至20.2%。由于燃烧消耗氧气，生成CO2和CO，因此CO2浓度相应增加，最高达到0.5%，而CO浓度的升高速率比O2和CO2浓度的变化缓慢，在水雾开启之前最高只达到了50×10-6。当水幕开启后，O2和CO2浓度发生反转，O2浓度随之升高，并逐渐回升到点火前的初始浓度；CO2与O2相反，随着水雾的作用逐渐下降至初始浓度。O2和CO2浓度的变化说明细水雾水幕的设置起到了阻挡烟气扩散的作用，水雾的喷射一方面阻挡了烟气的流动，另一方面水雾的喷射引入了新鲜空气从而提高了水幕下游的氧气浓度，CO2浓度的变化与氧浓度变化过程恰恰相反。CO浓度在整个过程中一直处于升高的趋势，但升高速率相对缓慢，水幕下游的CO浓度远低于500×10-6的疏散标准，CO的变化过程说明由于水幕宽度的限制并不能完全隔断烟气中的所有成分，像CO这样不溶于水的气体还是会透过水雾，在实际应用中可以通过增加细水雾水幕的宽度来提高控烟效果。通道内气体的浓度变化，可以验证细水雾水幕阻烟的有效性。

图6 O2、CO2、CO浓度变化曲线Fig.6 The curves of O2, CO2 and CO concentration

4.4通道内照度的变化

可视距离(能见度)也是判断火场安全性的重要参数之一，实验中利用照度的变化体现通道内可视距离的变化。在距离烟气入口4.4 m，距离顶棚10 cm的通道侧壁设置40 W白炽灯和照度计监控火灾过程中照度的变化，白炽灯和照度计距离1.2 m。图7为不同压力下细水雾下游照度变化曲线。在没有烟气的情况下，通道内的照度为84.3 lx。当烟气蔓延过来后照度迅速下降，通道内的照度最低降至25 lx以下。细水雾水幕开启后，由于烟气流动路线发生偏转，水幕下游空间的照度迅速回升。由于影响照度的主要因素是烟气中的炭黑粒子，而水雾喷射后水滴粒子与炭黑粒子凝并，水雾有效的冲刷了烟气中的炭黑粒子，因此照度得到有效提高。照度曲线的变化过程印证了文献[9,12-13]中水雾冲刷烟尘粒子的结论，证明了细水雾水幕的阻烟效果。

从图7可以看出：喷雾压力在6 MPa时，照度从最低24.5 lx回升至53.4 lx；4 MPa时，由22.5 lx回升至38.6 lx；8 MPa时，由20 lx回升至45 lx；10 MPa时，由15 lx回升至40 lx。整个过程中6 MPa工况下水雾下游照度最大，4 MPa的照度最低。由于4 MPa时的雾滴粒径大、雾通量小，因此阻烟效果较差。其他工况，由于细水雾冲刷烟粒子的效率提高，阻烟效果明显，但在压力超过6 MPa时由于烟水混合流的动量增加，当撞击地面后反弹作用明显，反弹的气流回升导致照度回升率降低。照度随喷雾压力的增加先增大后减小，6 MPa时回升率最大。这说明喷雾压力并不是越大越好，随着压力的增加雾特性参数变化逐渐减小，同时针对阻烟来讲也存在一个最佳值。就本实验而言，6 MPa时的阻烟效果最佳。因此在实际应用时应根据通道的实际高度和人员疏散的要求合理选择喷雾压力，防止混合烟气后的烟水混合气流，在接近地面时仍保持较高的动量，从而撞击地面反弹。

图7 不同压力工况下照度变化曲线Fig.7 The curves of illuminance with different pressure

5 结论

1)细水雾具有良好的冷却降温作用，水幕开启后其上游温度下降至45 ℃，下游距顶棚10 cm以下空间温度降至室温，通道内温度的降低为火场逃生提供了有利条件。

2)在细水雾水幕开启前后，O2浓度经历了先降低后升高的过程，CO2浓度与之相反，CO浓度则处于缓慢升高状态，无法完全阻断其扩散，但水雾水幕下游各组分浓度满足人员安全疏散要求。

3)细水雾水幕开启后，其下游照度从25 lx迅速回升，表明细水雾对炭黑粒子有良好的冲刷作用，从光学角度证明了细水雾水幕的阻烟效果。对阻烟来讲，喷雾压力并不是越大越好，照度随喷雾压力的增加先增大后减小，喷雾压力存在一个最佳值，就本实验而言，6 MPa时的阻烟隔热效果最佳。

综上所述，实验表明细水雾型水幕可以起到防烟分隔的作用，当水幕开启后烟气的纵向流动被阻断，烟气流动方向随水雾发生偏转，水幕下游环境得到改善。

[1] 童朝阳,阴忆烽,黄启斌,等. 火灾烟气毒性的定量评价方法评述[J].安全与环境学报， 2005, 5(4): 101-105.

TONG Zhaoyang, YIN Yifeng, HUANG Qibin, et al. Review of quantitative assessment methods on fire smoke toxicity[J]. Journal of safety and environment， 2005, 5(4): 101-105.

[2] 张甲雷. 长通道内火灾烟气中一氧化碳生成和分布规律的研究[D].合肥：中国科学技术大学, 2012: 1-2.

ZHANG Jialei. Studies of the genearation and distribution of CO in the tunnel model [D]. Hefei：University of Science and Technology of China, 2012: 1-2.

[3] 霍岩,赵建贺. 有限长度倾斜通道内火灾近上壁面区域温度特性[J].哈尔滨工程大学学报, 2015, 36(4): 461-466.

HUO Yan, ZHAO Jianhe. Temperature characteristics near the ceiling of an inclined channel with finite length in case of fire[J]. Journal of Harbin Engineering University， 2015, 36(4): 461-466.

[4] HU L H, ZHOU J W, HUO R, et al. Confinement of fire-induced smoke and carbon monoxide transportation by air curtain in channels[J]. Journal of hazardous materials， 2008(156): 327-334.

[5] 袁建平,方正,唐智,等.城市隧道火灾组合式排烟特性研究[J].武汉大学学报：工学版, 2010, 43(6): 738-742.

YUAN Jianping, FANG Zheng, TANG Zhi, et al. Study of smoke exhaust of combined ventilation system in urban tunnel fires[J]. Engineering Journal of Wuhan University， 2010, 43(6): 738-742.

[6] 董惠,邹高万,郜冶.激光测量水幕阻隔烟气全尺寸火灾实验设计与研究 [J].哈尔滨工程大学学报， 2002, 23(5): 80-83.

DONG Hui, ZOU Gaowan, GAO Ye. Large scale fire experiment system with laser devices checking smoke blockage by water curtain[J]. Journal of Harbin Engineering University， 2002, 23(5): 80-83.

[8] FELIS F, PAVAGEAU M, ELICER-CORTÉS J C, et al. Simultaneous measurements of temperature and velocity fluctuations in a double stream-twin jet air curtain for heat confinement in case of tunnel fire[J]. International communications in heat and mass transfer， 2010， 37： 1191-1196.

[9] 方正,罗可,孙佳韵,等. 利用分段水喷雾系统对长大隧道进行分区保护的试验研究[J]. 武汉大学学报：工学版， 2015, 48(5): 673-679.

FANG Zheng, LUO Ke, SUN Jiayun, et al. Experimental study of using water mist segment as a fire compartment in tunnels[J]. Engineering Journal of Wuhan University， 2015, 48(5): 673-679.

[10] BLANCHARD E, FROMY P, CARLOTTI P. Experimental and numerical study of the interaction between water mist and fire in an intermediate test tunnel[J]. Fire technology， 2014 (50): 565-587.

[11] 张培红,李楠,张新春,等.公路隧道排烟耦合细水雾灭火研究[J].沈阳建筑大学学报：自然科学版， 2011, 27(1): 106-111.

ZHANG Peihong, LI Nan, ZHANG Xinchun, et al. Study on fire suppression effects by coupling water mist with smoke exhaust in a highway tunnel[J]. Journal of Jianzhu University: Natural Science， 2011, 27(1): 106-111.

[12] 张小艳.微细水雾除尘系统设计及试验研究[J].工业安全与环保， 2001， 27(8): 1-4.

ZHANG Xiaoyan. Design and experimental study of dusting system by fine water spray[J]. Industrial safety and environmental protection， 2001， 27(8): 1-4.

[13] 潘李伟.烟气控制条件下狭长空间烟气分层蔓延特性研究[D].合肥： 中国科技大学， 2011: 125-126.

PAN Liwei. Study on the characteristics of smoke stratified transportation with smoke control in tunnel [D]. Hefei：University of Science and Technology of China, 2011: 125-126.

[14] 房玉东. 细水雾作用下烟颗粒形貌及尺寸变化规律研究[J]. 中国工程科学， 2014, 16(2): 93-100.

FANG Yudong. Study on variational principles of smoke particle shape and dimension with water mist appling[J]. Engineering sciences， 2014, 16(2): 93-100

[15] 细水雾灭火系统设计规范[S]. GB 50898-2013. 中华人民共和国国家标准. 北京：中国计划出版社, 2015.

Technical code for water mist fire extinguishing system[S]. GB 50898-2013. National code of China. Beijing, 2015.

本文引用格式：

梁强， 李炎锋， 李俊梅. 狭长通道内细水雾型水幕阻烟性能实验研究[J]. 哈尔滨工程大学学报， 2017， 38(11): 1751-1756.

LIANG Qiang, LI Yanfeng, LI Junmei. Experimental research on properties of smoke blocked by water mist screen in a long narrow channel[J]. Journal of Harbin Engineering University， 2017， 38(11): 1751-1756.

Experimentalresearchonpropertiesofsmokeblockedbywatermistscreeninalongnarrowchannel

LIANG Qiang1,2, LI Yanfeng1, LI Junmei1

(1.College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China; 2.Department of Fire Command, Chinese People′s Armed Police Forces Academy, Langfang 065000, China)

A new smoke control strategy using a water mist screen was developed to block horizontal smoke movement in a long narrow channel. Experiments were conducted to investigate the properties of smoke blockage realized by the water mist screen, and certain parameters were analyzed to confirm its effectiveness in blocking fire-induced smoke, such as the smoke movement process, distribution of temperature, concentrations of O2, CO2, and CO, and changes in visibility. Experimental results show that after the water mist is activated, the downstream space environment is improved and meets safe evacuation requirements. Additionally, the smoke-blocking effect of the water mist screen is excellent in the long narrow channel. This experiment provides a basis for designing smoke prevention and emission strategies in narrow and long channels (tunnels or long corridors), which is significantly important in enabling mass evacuation and fire rescue.

fire; long narrow channel; water mist; water mist screens; smoke spreading; smoke control

10.11990/jheu.201605034

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20171016.1546.002.html

X932，X913.4

A

1006-7043(2017)11-1751-06

2016-05-11.

网络出版日期：2017-10-16.

国家自然科学基金项目(51278018);公安部灭火救援技术重点实验室开放课题(KF201408).

梁强(1978-), 男, 副教授;

李炎锋(1971-), 男, 教授.

李炎锋，E-mail:liyanfeng@bjut.edu.cn.