基于FDS 的高压细水雾灭火系统对公路隧道火灾的作用效果研究

李佳

（安徽理工大学 安全科学与工程学院，安徽 淮南 232001）

不同于其他建筑，隧道这种狭长且封闭的空间一旦发生火灾，温度可迅速升至上千摄氏度，会破坏隧道内部结构，甚至产生坍塌的后果。伴随火灾产生的大量有毒有害气体因通风条件差而积聚在隧道内无法迅速排出。隧道火灾对于人员的生命以及财产有着严重的危险，因此无论是国内还是国外，有大量学者进行大量实验去研究隧道火灾灭火系统的机理及应用。对于隧道内部的细水雾灭火系统，主要通过数值模拟、实验室模型以及统计分析等方法去研究细水雾灭火的内在机理和应用研究。

大量研究表明[1]，相比于传统灭火系统，高压细水雾灭火系统具有降低用水量，减少水渍损失、绿色环保，对人体无害、能有效降低空气中有毒气体含量等特点，故高压细水雾技术广受人们的应用与研究。以往许多学者主要研究细水雾的布置方式、布置间距以及流量等参数来研究高压细水雾对隧道火灾的灭火效率。但很少有人会考虑细水雾喷头的雾化角度对隧道火灾灭火效率的影响，所以本文基于FDS 火灾模拟软件，建立1：1 隧道火灾模型，布置高压细水雾灭火系统，考虑不同喷头雾化角度对隧道火灾产生的影响。

1 模型建立

1.1 物理模型

根据表1，《公路隧道设计规范第一册土建工程》（JTG 3370.1-2018）[2]对高速公路隧道横断面设计的建筑界限宽度作出了基本规定，公路隧道建筑界限图如图1 所示。

图1 公路隧道建筑界限图（单位：mm）

表1 两车道高速公路、一级公路隧道建筑界限基本宽度（单位：m）

其中，对于高速公路和一级公路，隧道建筑界限高度H 取5m。因此选取总宽度11.5m，总高度8m，断面面积79m2，设计速度120km/h 的二车道隧道作为研究对象，建立100m*11.5m*8m 的隧道模型，如图2 所示。

图2 隧道模型图

1.2 初始条件和边界条件

根据前人研究的不同种类车辆着火规模[3]，本文选取30MW（装载一般货物的大货车）的火源功率，火源面积为1.5m*1.5m，位于隧道中心。在距离顶棚高度0.5m处设置一排间隔为1m 的热电偶，用于顶棚温度测量，4组热辐射探测器分别布置于距火源边缘1m、3m、5m、7m处，每组包含4 个，均匀布置于高度1m-4m 内，用于火灾热辐射通量的测量[4]。

在隧道中心线位置，距离顶棚1m 处布置单排细水雾喷头，每个喷头间隔2m，一共设置30°、60°、90°三种不同喷头雾化角度，用以探究不同雾化角度对隧道顶棚温度和热辐射的影响，喷头参数如表2 所示。以20m为一个细水雾保护区段，当发生火灾时，火源所在保护区以及前后相邻两个保护区细水雾喷头同时开启，将开启时间设置为火灾开始后120s。

表2 细水雾喷头参数

将隧道两端的边界条件设置为：“OPEN”，本文不考虑纵向风速对细水雾灭火系统影响。

2 模拟过程及分析

2.1 隧道顶棚温度分析

如图3 所示，这是在800s 下隧道纵向温度云图，通过在隧道纵向中心线处设置一温度切片，查看隧道火灾的温度变化情况。

图3 800s 隧道纵向温度云图

当隧道发生30MW 的火灾时，火焰迅速向上发展，产生的烟气向隧道两侧出口蔓延，在无细水雾作用下，800s 时隧道顶棚位置最高温度达到1130℃，在距离火源中心9m 处的温度也能达到500℃。当施加细水雾后，顶棚温度能够迅速下降，细水雾喷头雾化角度越大，温度的降低作用也越明显。其中，当细水雾灭火系统的雾化角度为30°时，顶棚最大温度相对于无细水雾时顶棚的最大温度降低了580°；当细水雾灭火系统的雾化角度为60°时，顶棚最大温度相对于无细水雾时顶棚的最大温度降低了600°；然而当细水雾灭火系统的雾化角度角度为90°时，顶棚最大温度降低至470℃，降温效果最佳。

如图4，这是在不同工况下，火源正上方顶棚处温度曲线图，由图可以看出，当无细水雾下，与火源中心距离越远则温度越低，但温度都大于550℃。而随着加入高压细水雾系统之后，火源正上方顶棚的最高温度极度下降，能够保证温度在550℃以下，尤其是雾化角度为90°时，其对火源的灭火效率最高，使在该雾化角度下的温度均低于500℃，由此也可以看出高压细水雾系统对灭火效率有着极大的提高，并且雾化角度越高，灭火效率越高。

图4 火源正上方顶棚处温度曲线

2.2 火灾热辐射通量分析

由于热辐射会随水平距离的增加而逐渐减弱，为了更直观的看出雾化角度对热辐射的影响，因此选择了变化情况最明显的距火源边缘1m 处，1m～4m 高度内热辐射通量最大值。

当细水雾被喷射到火场之后，火羽流及烟气均被汽化后的雾滴包裹，火灾燃烧产生的热辐射首先经过细水雾的吸热冷却作用，最后到达火焰以外的区域，因此减少了火场辐射热的传递。细水雾能有效抑制火灾产生的热辐射[5]。

由图5 可知，无细水雾时，火源边缘热辐射分 别 为17.427km/m2，32.860km/m2，59.620km/m2和68.746km/m2，随着雾化角度的增大，热辐射随之减小，当雾化角度为90°时，细水雾的抑制效果尤为显著，辐射值分别降低至5.56km/m2、13.24km/m2、16.53km/m2、19.355km/m2，其对最大热辐射值的抑制率甚至可达到71%。

图5 火源边缘1m 处，1m～4m 高度内热辐射通量分布

3 结论

通过建立1：1 的区间隧道火灾模型，选取不同细水雾喷头雾化角度，对30MW 隧道火灾进行模拟试验，得出以下结论：高压细水雾灭火系统能够有效降低隧道火灾产生的高温和热辐射，在30°～90°范围内，雾化角度越大，细水雾的作用效果也越突出。