狭长空间建筑内细水雾幕对顶棚射流火焰抑制效果试验研究*

2022-10-17郭超杰梁天水

中国安全生产科学技术 2022年9期

钟委，刘磊，郭超杰，梁天水

(郑州大学力学与安全工程学院，河南郑州 450001)

0 引言

近年来我国涌现大量狭长类空间建筑，如地铁站、隧道及地下商业街等，此类建筑净高较低，在发生火灾时火羽流容易直接撞击顶棚形成顶棚射流火焰[1-5]，导致火灾规模快速增大，并对建筑结构造成严重的损害[6-7]。细水雾系统作为1种节能环保的防火分隔设施，在狭长类建筑中已经广泛应用，其挡烟阻火的有效性也得到验证[8]，开展细水雾系统对顶棚射流火焰抑制作用等相关研究对保障此类建筑的消防安全具有重要意义。细水雾系统具有耗水量低、绿色无污染、对保护对象破坏性小等优点。除了具有高效的灭火性能以外，研究人员还发现细水雾可以抑制烟气和阻隔热辐射[9-11]。因此，近年来细水雾幕挡烟技术逐步被应用于地铁站、隧道等狭长空间建筑中。目前国内外大量学者对细水雾幕系统的挡烟阻火有效性进行研究，WANG等[12]研究细水雾在隧道中防止烟气扩散的效果，证明雾幕能够有效抑制高温烟气的扩散，同时研究不同喷雾特性的喷嘴性能，提出最佳的工作压力；Blanchard等[13]模拟纵向通风隧道内细水雾对热烟气的抑制作用，水雾喷头均匀布置在火源上游4 m至下游3.5 m处，研究表明在隧道中风速超过临界风速时，细水雾幕可以吸收火源释放大约一半的热量，而其中的73%是雾滴从热烟气中吸收的；Amano等[14]通过一系列的实验研究，发现细水雾幕可以有效抑制地下空间热辐射，阻挡CO蔓延；PAN等[15]通过在站台屏蔽门设置细水雾系统，证明高压细水雾系统具有抑烟、防毒、降温的功效，以及提高能见度、氧浓度的能力。

前人研究主要集中在细水雾与烟气的相互作用上，很少考虑到细水雾对顶棚射流火焰的抑制作用。钟委等[16]通过实验证明施加细水雾幕对顶棚射流火焰有显著的抑制作用，可使火焰长度减小约40%；王琳等[17]模拟顶棚射流火焰与细水雾的相互作用，结果表明水雾能够有效降低火焰温度，同时水雾的施加带来的湍流作用增加了烟气层厚度。然而，对于受限空间水雾系统对顶棚射流火焰的抑制作用机理和抑制情况、温度场及影响因素的研究却鲜有人研究，缺乏相关数据。

细水雾系统的工作压力是1个关键的参数，在喷头结构确定的情况下，工作压力决定喷头流量、雾滴粒径、雾滴动量、雾化锥角和喷射距离。因此，不同工作压力下细水雾幕对顶棚射流火焰的抑制机理有显著差异，研究不同工作压力下细水雾幕与顶棚射流火焰的相互作用，可以为受限空间细水雾系统设计提供参考和借鉴。本文设计试验台开展细水雾幕抑制顶棚射流火焰的全尺寸试验，通过改变细水雾的工作压力，研究顶棚射流火焰形态、细水雾幕的隔热性能以及烟气层高度变化，讨论细水雾系统工作压力对顶棚射流火焰的抑制效果的影响。

1 试验设计

1.1 试验装置

试验台如图1和图2所示，总长6.5 m，宽2.0 m，高2.6 m。试验台分为燃烧区和保护区，燃烧区采用钢架结构，侧壁材料为轻质硅酸铝板，其中一侧壁面设置钢化玻璃观察窗，用于拍摄顶棚射流火焰形态；保护区尺寸为3 m×2 m×2.6 m，其右端与燃烧区相连，左端开启。火源使用尺寸为40 cm×40 cm的正方形油盘，燃料为纯度为99%的正庚烷。火源高度距地面1.8 m，用于产生顶棚射流火焰。

图1 实际的试验台Fig.1 Practical test bench

图2 试验装置及测点布置示意Fig.2 Layout of experimental device and measuring points

试验中使用的热电偶为直径为2 mm的K型铠装热电偶，其测温范围在0～1 100 ℃，误差±5 ℃，为防止细水雾幕雾滴直接喷到热电偶测点上引起测量误差，在雾幕覆盖区的热电偶探头位置都安装1个伞状保护帽。在试验台中轴线上距火源1.0，1.8，2.2，2.8，4.0，5.0，6.0 m处各布置1串竖向热电偶，竖向热电偶串由8个热电偶组成，其中上部5个测点的布置间距为0.1 m，其余测点间距为0.2 m。在中轴线距顶棚0.05 m处布置1串水平热电偶，由20个热电偶组成，相邻测点布置间距0.3 m。火源质量损失速率由精密电子分析天平对燃料质量损失进行实时测量。图像采集由索尼HDR-SR12型摄像机进行，试验台共设置2个图像采集点，如图2所示。摄像点1垂直于观察窗，用于拍摄细水雾对火焰的冲击过程；摄像点2位于保护区出口处，用于拍摄细水雾作用下烟气沉降效果。

1.2 细水雾系统

细水雾系统由2个细水雾喷头组成，其布置如图2所示。细水雾设置于距火源3 m位置处，喷头之间的间距为1.0 m。首先对不同工作压力下喷嘴的雾化锥角进行测量，当工作压力为0.5 MPa时，喷嘴的雾化锥角为24.5°，如图3所示。随后用直接测量法测量喷头流量速率及喷射距离。5种不同工作压力下的喷头特性参数测量结果如表1所示，从中可以看出随着工作压力的增加，细水雾幕的覆盖面积、雾幕流量和以及雾滴动量也随之增大。

图3 雾化锥角的确定Fig.3 Determination of atomization cone angle

表1 不同压力下的雾幕参数Table 1 Parameters of mist curtain under different pressures

1.3 试验工况

试验中采用0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 MPa的5种工作压力，并以未施加细水雾情况作为对照组，共进行6组试验，试验工况如表2所示。试验过程中火源首先燃烧60 s以产生稳定的顶棚射流火焰，随后开启细水雾，每种工况均重复3次，以保证试验的可靠性。

表2 试验工况Table 2 Experimental conditions

2 结果与讨论

2.1 顶棚射流火焰形态

图4为不同水雾幕工作压力下顶棚射流火焰的蔓延情况。在没有外界干扰时，由于顶棚射流对空气的卷吸主要发生在烟气-空气交界面上，因此顶棚射流火焰也主要存在于空气的交界面处，并沿顶棚纵向蔓延[18]，如图4(a)所示。

图4 不同水雾幕工作压力下顶棚射流火焰Fig.4 Ceiling jet flame under different working pressures of WMC

当施加细水雾后，水雾幕对火焰的蔓延起到阻碍作用。工作压力较小时，如图4(b)～图4(c)所示，压力为0.5 MPa和1.0 MPa时水雾幕对顶棚射流火焰的影响不大，火焰在穿过水雾幕时会由于雾幕阻碍作用，有部分火焰从雾幕上方空隙通过，造成火焰抬升，并继续向前蔓延；当工作压力增大时，对比图4(c)～图4(d)，1.5 MPa时的射流火明显比1.0 MPa时燃烧得更充分；随着水雾工作压力继续增大，水雾幕抑制射流火焰的效果更加明显，如图4(d)～图4(e)，射流火焰通过水雾幕后会在雾幕后方形成涡旋火焰，火焰向前蔓延的趋势整体上被遏制；继续增大工作压力到2.5 MPa时，雾幕后方仅存零星的破碎火焰。可以看到随着工作压力的增大，水雾幕抑制射流火的效果增强，但在2.5 MPa时仍不能完全阻碍射流火的蔓延。

施加细水雾后，水雾雾滴对射流火焰产生干扰，射流火焰燃烧的湍流度会增强，燃烧面不只是停留在与空气的交界面上，喷射出的细水雾雾滴会向火焰内部进一步混合，并在火焰内部进行蒸发吸热，从而阻碍火焰的蔓延，由于火羽流的浮力作用较强，此时水雾和火焰的相互作用中雾滴动量起到主导作用。当工作压力较小时，其雾滴动量较小，雾滴进入火焰燃烧范围的能力有限，蒸发吸热的作用有限，对顶棚射流火焰的影响较小。当细水雾工作压力增大时，由于水雾的雾滴动量增大，湍流扰动作用增强，有助于细水雾克服火羽流的浮力作用接近甚至进入到火焰内部，在火焰内部进行充分冷却吸热，并在汽化成水蒸气过程中吸热带走一部分热量，当细水雾在火焰区持续吸热导致火焰温度降低到燃烧所需临界值以下时，火焰将会熄灭，起到抑制火焰蔓延的作用；同时随着压力的增大，单位时间内的水雾流量增大，细水雾粒径减小，雾滴吸热效率也随之增加，抑制火焰蔓延的效果更好。Vilfayeau等[19]提出火焰熄灭可以用临界Damköhler数来表征，其表达式如式(1)所示：

(1)

式中：C和Ta是模型参数，单位分别为s-1，K；Tst是火焰温度，K；χst是燃料-空气混合率。

Dac是Da在火焰熄灭极限时的临界值。当Da≥Dac时，火焰不熄灭；当Da

随着压力增大，雾滴动量增大，对火焰的扰动作用增强，夹杂着细水雾雾滴的空气会进入火焰，使得燃料蒸气与空气混合，促进火焰内部燃料蒸气的燃烧，在雾幕作用区对射流火焰起到一定的强化作用，如图4中细水雾幕工作压力为1.5 MPa时的射流火焰比1.0 MPa燃烧得更充分。

由于雾化锥角增加范围有限，2个喷头水雾锥之间以及水雾锥与顶棚之间会存在较大的空隙，火焰会从雾幕上方的空隙通过，当细水雾雾化锥角随着压力的增加而增大时，雾幕作用范围增大，雾幕上方的空隙减小，但仍未形成完全封闭的细水雾幕包络面，在工作压力为2.5 MPa时仍会有火焰从空隙中通过，因此在实际应用中需设置多排水雾喷头，并应错开布置，以达到抑制顶棚射流火焰的最好效果。

图5为不同压力下顶棚射流火焰平均温度分布变化，Gao等[20]研究得出强羽流与弱羽流的分界为温升400 K，因此图5中大于425 ℃的橙色及红色高温区域为顶棚射流火焰，附着在强羽流周边的是未能燃烧的高温烟气。从图5(a)中可以看出，在没有施加水雾情况下，射流火焰长度较大，这是因为顶棚射流火焰需要卷吸进入空气才能维持其燃烧，而火羽流的水平卷吸效率较低，因此顶棚射流火焰蔓延长度会较大。随着细水雾工作压力增大，射流火焰的长度不断减小，这是因为随着压力的加大，单位时间内水雾流量增大，一方面通过更大面积的吸热冷却降低温度，另一方面水雾的湍流扰动作用也抑制了顶棚射流火焰的燃烧。如图5(c)～图5(d)所示，强羽流区域厚度变薄，高温区域范围较0.5 MPa时有所减小；当工作压力超过2.0 MPa时，如图5(e)～图5(f)，火焰总体长度缩短，此时雾幕后方基本不存在强羽流的高温区域。

图5 不同压力下顶棚射流火焰平均温度分布Fig.5 Average temperature distribution of ceiling jet flame under different pressures

2.2 温度变化

不同试验工况下烟气层平均温度随时间的变化如图6所示。在燃烧初期，空间温度随燃烧的进行迅速升高，对于未施加雾幕工况，烟气温度较高。雾幕开启后，水经喷头喷出后，形成细小的雾滴，吸收了烟气的热量，雾幕前方温度缓慢增加趋势，雾幕后方温度出现明显下降，且随着雾幕工作压力的增大，温降幅度越来越大。

图6 雾幕前后热电偶平均温度变化曲线Fig.6 Variation curves of average temperature of thermocouples in front and back of mist curtain

评价雾幕的隔热效率有2种方法，一种是热通量法，另一种是通过被保护区的温度上升程度来衡量。后者的测量能直观地反映隔热效率变化，因此本文选择用保护区温度上升程度来表征雾幕隔热效率。根据傅里叶定律和雾幕隔热效率的热通量表达式[21]，推导出温度上升程度表征的雾幕隔热效率的表达式如式(2)：

(2)

式中：η为雾幕隔热效率，%；T0为雾幕施加后最低温度与环境温度的差值，℃；T1为雾幕施加后最高温度与环境温度的差值，℃。

雾幕的隔热效率的变化趋势如图7所示。由图7可知，雾幕的隔热效率呈现先增加后保持稳定的态势，且随着工作压力的增加隔热效率越好，工作压力为2.5 MPa时，雾幕的隔热效率达到0.75，表明细水雾幕能够明显衰减热辐射，具有较好的隔热性能。图8是出口竖向温度分布变化，表明出口烟气温度随着雾幕工作压力的增加而减小，顶棚下方的最高温度从168 ℃降低至68 ℃，且1.8 m处施加细水雾幕的烟气温度均下降至20 ℃以下，表明细水雾幕能够有效降低雾幕后方温度。

图7 雾幕隔热效率Fig.7 Heat insulation efficiency of mist curtain

图8 出口竖向温度分布Fig.8 Vertical temperature distribution at outlet

2.3 烟气层高度

Cooper等[22]提出用N百分比法计算烟气层高度，这种方法将火灾中烟气层界面的位置定位成竖直方向上温度急剧变化的位置。该方法已经在许多不同的场景中使用，包括高度从10.8 m到32.8 m的缩尺模型和全尺寸试验。将烟-空气分界面高度定义为温度比环境温度高出最高温升的N%处的高度，烟-空气分界面处温度计算如式(3)：

Ti-Tamb=(Tmax-Tamb)×N/100

(3)

式中：Ti为烟-空气分界面处的温度，℃；Tamb为环境温度，℃；Tmax为竖直方向的最高温度，℃；N表示烟气层最高温升比烟-空气界面处的温升高出的程度。

依据Gao等[23]研究，在地铁站台、隧道等狭长空间内N取值为30计算得出的烟气层高度值符合实际，根据计算得出如图9所示的烟气层高度的N百分比法计算值。随着工作压力的增大，细水雾的雾化锥角及喷射距离都增大，雾幕覆盖区不断扩大。当施加细水雾幕后，由于水雾的吸热冷却作用，烟气温度快速降低，烟气浮力随之迅速减弱；与此同时雾滴动量会对热烟气产生向下的拖曳力，二者共同作用导致雾幕下方的烟气沉降，形成“拥塞射流”，如图9所示。随后在烟气回升的过程中会不断卷吸下方新鲜空气，因此雾幕后方烟气层高度开始回升。

图9 N百分比法烟气层高度计算值Fig.9 Smoke layer height calculated by N percentage method

随着工作压力的增加，雾滴动量增加引起更强的拖曳力造成更大程度的烟气沉降，图10为烟气沉降区的1.8 m烟气高度观测图。结合图9和图10可知，随着工作压力的增大，烟气层沉降愈发明显，雾幕后方烟气层高度明显降低，当工作压力为2.0 MPa时，雾幕后方的烟气层高度低于1.8 m，将会影响人员安全疏散。因此，应综合考虑细水雾幕对射流火焰以及烟气的作用，选择适当的工作压力。