不同火灾规模下隧道水幕线性喷水强度的研究*

张轩轩，牛国庆，李垣志，王 品，杜冰冰

(河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000)

0 引言

水幕系统应用于隧道，具有防火分隔、阻烟隔热和防护冷却的作用，解决了传统分割构件人员疏散时的交通不便问题，为人员、物资疏散和救援工作赢得时间。水幕系统的水压、水量、喷水强度、布置间距、喷头类型等参数直接影响水幕的效果，其中喷水强度是水幕在工程应用中的关键参数，喷头布置间距、方式等应以满足系统喷水强度为条件[1]。因此，研究水幕喷水强度对人员疏散和救援以及隧道中水幕系统的设置具有重要意义。

国内外许多学者对水幕的性能以及应用领域开展了不同的研究：Dembele等[2]通过小尺寸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隔热能力的影响；葛晓霞等[3]通过大空间实验室进行全尺寸消防水幕衰减火灾热辐射实验，探讨了喷头流量和压力、设置高度、喷头类型和布置方式对水幕衰减辐射热能力的影响；杨丙杰等[4]利用高大空间场所下设置的全尺寸水幕系统，开展了水幕在不同喷水强度下的防火隔热性能对比实验，得出喷头安装高度(高于规范规定12 m)提高后，需提高系统的喷水强度以达到等效的防火分隔效果；刘涛[5]通过对施工隧道水幕系统喷头类型、喷射角度设计，提高了水幕的阻烟效果。

综上可知，前人对于水幕系统线性喷水强度及在隧道领域应用的研究还存在不足。《自动喷水灭火系统设计规范》(GB50084-2001，2005年版)[6]中规定：水幕系统的设计基本参数应符合 “喷水点高度≤12 m，喷水强度2 L/(sm)，喷头最小工作压力0.1 MPa” 。但对于隧道这一特殊结构建筑的适用性以及对不同规模的隧道火灾喷水强度的设定尚有待探讨。据此，本文利用FDS进行全尺寸数值模拟，探究火源功率和喷水强度对水幕隔热效率和烟气特征参数的影响规律，为优化水幕系统设置，指导消防工程设计实践提供参考和依据。

1 数值模拟

火灾数值模拟软件FDS(Fire Dynamics Simulator)能精细地体现火灾现象，在国际上得到了广泛认可和应用[7-9]。

1.1 模型选择与建立

选取文献[10]中按实际尺寸1/10比例建立的小尺寸隧道模型，根据相似性原理[11]对几何尺寸和火源功率还原，并对工况3(开启火源左右两侧各3个排烟阀)进行模拟，以验证大尺寸模型的准确性。还原后的模型如图1所示。隧道全长500 m，宽11 m，高7.2 m，隧道实行半横向通风，双向排烟，流量为119.8 m3/s，火源位于排烟阀开启段中部，功率为30 MW，网格划分按照0.1倍特征火源直径大小划分。在隧道顶板下中线处纵向布置烟气层厚度测点以检测烟气蔓延位置，间隔2 m，共251个，排烟阀处布置热电偶串和烟气流速测点。部分模拟结果如表1所示。

图1 大尺寸隧道模型测点布置Fig.1 Large-size tunnel model measuring point layout

从表1可知，烟气蔓延距离、排烟阀处烟气流速和温度模拟值相对实验值的误差均在15%以内，基本可验证全尺寸模型的准确性。综合考虑准确性与经济性选取模型长60 m，由于本文的研究对象为隧道和水幕系统，为排除无关因素的干扰，不开启排烟口，即在无横向通风的条件下进行模拟。

表1 实验与模拟数据对比Table 1 Comparison of experimental and simulated data

1.2 火源及水幕设置

针对小、中、大型火灾，依据《道路隧道设计规范》(DG-TJ08-2033-2008)[12]选取隧道火灾场景分别为小轿车、货车和集装箱车、重型车火灾，火源功率为5，20，30 MW，火源位于距离隧道端部15 m中心线上。水幕喷头布置在距离火源15 m隧道顶板上，考虑到中、大型火灾，选用超大口径开式洒水喷头，流量系数K=160，压力P=0.2 MPa，由文献[13]可知，两排交错的布置方式较合理，因此，水幕设计为两排交错的布置方式。

1.3 网格划分和测点布置

网格尺寸对模拟结果有很大影响，Kevin等[14]进行了网格独立性实验，结果表明，当网格尺寸值取特征火源直径的1/16～1/4时，能得到较合理的结果。特征火源直径为：

(1)

式中：Q为火源热释放速率，kW；ρ∞为空气密度，取1.205 kg/m；CP为空气定压比热容，取1.003 kJ/(kg·K)；T为环境温度，取293 K；g取9.81 m2/s。

经美国NIST(National Institute of Standards and Technology)实验验证，当网格尺寸取火源特征尺寸的1/10时，模拟结果与实验结果较吻合。因此，本文选用0.1D*大小尺寸的网格，对于5，20，30 MW这3种火源功率，D*分别为1.8，3.2，3.7 m，故取网格尺寸分别为0.18，0.32，0.37 m。

在距离水幕7 m隧道横截面处设置热量检测设备(heat flow)、8 m横截面处设置烟气遮光率检测设备(beam detecter)；在距火源水平距离15 m、地面2 m高平面上，距隧道侧壁0.1 m处纵向设置CO浓度测点，测点纵向间距1 m，两侧壁均15个；在纵向中心线处分别布置O2体积分数和CO体积分数测点各15个，间距1 m；在2 m高度平面上布置CO浓度切片。图2为火源功率为20 MW时模型测点及水幕布置示意。

图2 火源功率20MW时测点及水幕布置Fig.2 Fire source power 20MW measurement point and water curtain layout

2 工况设计

根据控制变量法，分别改变火源功率和水幕线性喷水强度，具体模拟方案如表2所示，喷水强度为0表示不设置水幕时的工况。水幕相关参数计算如式(2)～(5)。

表2 火灾模拟工况设置和水幕参数计算Table 2 Setting of fire simulation conditions and calculation of water curtain parameters

喷头的流量计算：

(2)

式中：q为喷头流量，L/min；p喷头工作压力，MPa；K为开式洒水喷头流量系数。

设F为水幕线性喷水强度，L/(sm)；A为水幕长度，m；M为喷头个数；D为喷头排间距,m；C为喷头间距，m，则:

(3)

(4)

D=2C

(5)

3 喷水强度和火源功率对烟气特征参数和水幕隔热效率的影响

3.1 小规模火灾烟气特征参数和水幕隔热效率变化规律

3.1.1 小规模火灾烟气特征参数变化规律

图3和图4分别为火源功率为5 MW时不同水幕喷水强度下烟气遮光率变化曲线和2 m高平面CO的浓度分布。

图3 Q=5 MW时不同水幕喷水强度下烟气遮光率Fig.3 The smoke shading curve of Q=5 MW under different water curtain sprinkler intensity

图4 Q=5 MW时不同喷水强度下2 m高平面CO浓度分布Fig.4 Distribution of 2 m high plane CO concentration under different water injection intensity at Q=5 MW

《国家安全监管总局办公厅关于印发首批重点监管的危险化学品安全措施和应急处置原则的通知》以及《国家安全监管总局关于公布首批重点监管的危险化学品名录的通知》要求CO短时间接触容许浓度为30 mg/m3，即3×10-5kg/m3。从图3中可以看出，当F=2 L/(sm)时，结合烟气遮光率曲线和CO浓度切片图4(a)可知，当烟气到达水幕时，几乎长驱直入，迅速穿过水幕蔓延，水幕后的烟气遮光率急剧升高，水幕的阻烟性能很低，但CO浓度未超标，是因为通风良好且火焰热释放速率较小。图3中，当F=4 L/(sm)时，20 s时烟气遮光率开始显著升高，图4(b)为19.4 s时CO浓度分布，可以看出侧壁CO浓度开始增加，说明烟气开始从侧壁穿过水幕。图3中，当F=6，8，10，12 L/(sm)，相比于小喷水强度的水幕，烟气遮光率没有短时间内大幅度增加，而是逐渐呈线性增长，说明水幕的阻烟性能较好且较稳定。从图4(c)和(d)可看出，30 s时F=8，12 L/(sm)下水幕后的CO浓度分布均在临界值(3×10-5kg/m3)以下，说明水幕能在较长时间内阻隔烟气。此外，F由2到4 L/(sm)，4到6 L/(sm)，6到8 L/(sm)，8到10 L/(sm)进行变化，烟气遮光率分别降低了约20%，17%，4%，6%，当F=12 L/(sm)时，遮光率曲线基本与F=10 L/(sm)时重合。

图5为火源功率为5 MW时不同喷水强度下水幕后隧道中线处O2体积分数变化曲线。

图5 Q=5 MW时不同喷水强度下水幕后隧道中线处O2体积分数Fig.5 O2 volume fraction at the midline of the water curtain behind the curtain under different water spray intensity at Q=5 MW

根据相关规定[15]，隧道发生火灾时，O2含量不低于15%，从图5可看出，在所模拟的时间内O2体积分数均在要求范围内，使人员不至于窒息。此外，随着水幕线性喷水强度的增加，O2体积分数逐渐升高，但变化幅度逐渐减小，当F=8 L/(sm)时，再增加喷水强度则变化不明显。

3.1.2 小规模火灾水幕隔热效率变化规律

图6为Q=5 MW时不同喷水强度水幕隔热效率变化曲线。

图6 Q=5 MW时不同喷水强度下隧道水幕隔热效率Fig.6 Water curtain insulation efficiency under different sprinkler intensity at Q=5 MW

从图6可知，当F=2，4，6，8，10，12 L/(sm)时的隔热效率分别约为：60.4%，87.2%，94.4%，96.6%，97.2%，97.8%。由此可知，喷水强度增加，水幕隔热效率也提高，当F=8 L/(sm)时，隔热效率为96.6%，水幕隔热能力较强，继续增加喷水强度水幕隔热效率提升很小。

综上所述，当Q=5 MW时，水幕线性喷水强度应优选8 L/(s·m)。

3.2 中规模火灾烟气特征参数和水幕隔热效率变化规律

3.2.1 中规模火灾烟气特征参数变化规律

分别对工况8～13进行数值模拟，得到中型火灾下烟流分布规律。图7为Q=20 MW时不同水幕喷水强度下烟气遮光率曲线和部分放大图。

水幕能延缓烟气蔓延[16]，但当水幕后烟气遮光率短时间内大幅度上升时，说明水幕已失效，本文将水幕开始启动至失效的时间定义为有效作用时间。从图7(a)中可看出，喷水强度从8 L/(sm)逐渐增加至14 L/(sm)，在水幕有效作用时间内烟气遮光率均逐渐有所下降，下降幅度平均值分别为10.6%，7.3%，1.3%，当喷水强度增加至16时，不论对于水幕失效前还是失效后烟气遮光率均比F=14 L/(sm)时略高。从图7(b)中可知，F=8，10，12，14，16 L/(sm)时，有效作用时间分别为17，17.2，18，23，20.6 s。因此，当喷水强度由8 L/(sm)逐渐增至12 L/(sm)，水幕有效作用时间增加不明显，当由12 L/(sm)增至14 L/(sm)时，增幅较大，继续增加F至16 L/(sm)，水幕有效作用时间反而减少，阻烟效果并未相应提高。

图7 Q=20 MW时不同水幕喷水强度下烟气遮光率和部分放大图Fig.7 Curve of shading rate of smoke under different water curtain spray intensity at Q=20 MW and a partial enlarged view

图8和图9分别为Q=20 MW时不同喷水强度下2 m高平面CO浓度分布和隧道中线处O2体积分数变化曲线。图8反映了CO浓度首次达到临界值时的2 m高平面浓度分布，水幕后的CO浓度符合最低标准要求。从图8也可推知，当F=8，10，12，14，16 L/(sm)时，CO浓度达到临界值的时间分别为18，17，18.2，23.2，20.6 s，这与由图7(b)所得水幕有效作用时间基本一致，也证明了所得有效作用时间的合理性。

图8 Q=20 MW时不同喷水强度下2m高平面CO浓度分布Fig.8 Distribution of 2m high plane CO concentration under different water injection intensity at Q=20 MW

图9 Q=20 MW时不同喷水强度下水幕后隧道中线处O2体积分数 Fig.9 O2 volume fraction at the midline of the water curtain behind the curtain under different water spray intensity at Q=20 MW

从图9中可知，当F=8，10，12 L/(sm)时，中心线处O2体积分数对于不同的喷水强度未有明显的变化，当增加至14 L/(sm)时，O2体积分数相对F=8，10，12 L/(sm)明显升高，而F=16 L/(sm)时的O2体积分数与F=14 L/(sm)时基本一致。

3.2.2 中规模火灾水幕隔热效率变化规律

图10为Q=20 MW时不同喷水强度下水幕后通过隧道横截面的热量和水幕隔热效率变化曲线。

从图10可知，刚开始时，受火焰烟气的冲击，水幕隔热效率尚不稳定，有所下降，随后在某一平均值附近波动，当F=8，10，12 L/(sm)时，隔热效率平均为94%。当增加F至14 ，16 L/(sm)时，隔热效率平均为98%，可知线性喷水强度为14 ，16 L/(sm)时的水幕隔热效果基本相同。

图10 Q=20 MW时不同喷水强度下水幕隔热效率Fig.10 Water curtain insulation efficiency under different sprinkler intensity at Q=20 MW

综合烟气特征参数和水幕隔热效率的分析可得，对于火源功率为20 MW中型火灾，水幕的线性喷水强度选择14 L/(sm) 时较经济合理。

3.3 大规模火灾烟气特征参数和水幕隔热效率变化规律

3.3.1 大规模火灾烟气特征参数变化规律

分别对工况14～20进行数值模拟，得到大型火灾时距离水幕6 m隧道中心线处烟气遮光率变化和2 m高平面处CO浓度分布，如图11～12所示。

图11 Q=30 MW时不同水幕喷水强度下烟气遮光率和部分放大图Fig.11 Curve of shading rate of smoke under different water curtain spray intensity at Q=30 MW and a partial enlarged view

从图11(a)可看出，当烟气蔓延至水幕时，烟气从水幕阻烟能力最薄弱的侧壁处穿过，水幕后6 m中心线处烟气遮光率小幅度上升，随后又迅速下降并保持短暂时间，随着火灾的发展，烟气动量增加，驱动力也不断增强，水幕形成的“水墙”不足以阻挡烟气的扩散，因此水幕后烟气的遮光率呈波浪式骤然增加，最后接近100%并保持稳定。

图11(b)为遮光率急剧增加时的放大图，从中可知，当水幕喷水强度从10，12，14增加到16 L/(sm)时，水幕有效作用时间从11，11.5，14.8到17.2 s，当继续增大喷水强度到18，20 L/(sm)时水幕有效作用时间分别为15.6和17 s。由此可见，在一定程度上，随着喷水强度的增加，水幕的隔烟能力随之增强，当增大到一定程度时水幕有效作用时间并不随之增加，甚至会有减小的趋势。这是因为当线性喷水强度的增加，在顶板上布置的喷头数量相应增加，喷头间距减小，当减小到一定程度，相邻喷头间喷头出水时水滴剧烈撞击，水平速度相互削减，当到达地面形成水墙时速度更小，进而影响水幕整体的隔烟效果。

3.3.2 大规模火灾水幕隔热效率变化规律

图12为Q=30 MW时不同喷水强度下水幕隔热效率变化曲线。

图12 Q=30 MW时不同喷水强度下水幕隔热效率Fig.12 Water curtain insulation efficiency under different sprinkler intensity at Q=30 MW

从图12可看出，不同喷水强度下的隔热效率基本都能维持在90%以上，说明水幕具有良好的隔热效果。当水幕线性喷水强度从10增至12 L/(sm)时，隔热效率小幅度提高但二者整体均在93%左右，逐渐增加喷水强度至16 L/(sm)，水幕隔热效率基本维持在97%，继续增加，水幕隔热效果并未有明显提升。

综上所述，结合水幕不同线性喷水强度下的烟气遮光率、隔热效率、O2体积分数的变化，并综合考虑水幕效果和经济性可得，火源功率为30 MW时，应优先选择水幕线性喷水强度为16 L/(sm)。

4 结论

1)根据相似性原理还原后的全尺寸模型在相同工况下的模拟结果与小尺寸实验模型基本一致，验证了本文所选用的全尺寸模型的准确性。

2)水幕系统的阻烟和隔热效果随线性喷水强度的增加而增强，但水幕的线性喷水强度并非越高越好，当增加到一定程度时，阻烟和隔热效果不再有明显变化，对于中、大规模火灾甚至会出现水幕有效作用时间减少的情况。

3)对于Q=5，20，30 MW的小、中、大规模的隧道火灾，分析了不同喷水强度下的烟气遮光率、隔热效率、O2体积分数等烟气特征参数变化规律，综合考虑经济性和水幕效果，建议分别选择水幕的线性喷水强度为8 ，14和16 L/(sm)。