張軒軒，牛國(guó)慶，李垣志，王 品，杜冰冰

(河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

0 引言

水幕系統(tǒng)應(yīng)用于隧道，具有防火分隔、阻煙隔熱和防護(hù)冷卻的作用，解決了傳統(tǒng)分割構(gòu)件人員疏散時(shí)的交通不便問(wèn)題，為人員、物資疏散和救援工作贏得時(shí)間。水幕系統(tǒng)的水壓、水量、噴水強(qiáng)度、布置間距、噴頭類型等參數(shù)直接影響水幕的效果，其中噴水強(qiáng)度是水幕在工程應(yīng)用中的關(guān)鍵參數(shù)，噴頭布置間距、方式等應(yīng)以滿足系統(tǒng)噴水強(qiáng)度為條件[1]。因此，研究水幕噴水強(qiáng)度對(duì)人員疏散和救援以及隧道中水幕系統(tǒng)的設(shè)置具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)水幕的性能以及應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)展了不同的研究：Dembele等[2]通過(guò)小尺寸實(shí)驗(yàn)研究了噴頭的類型、布置方式、系統(tǒng)的流量和壓力等因素對(duì)水幕隔熱能力的影響；葛曉霞等[3]通過(guò)大空間實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行全尺寸消防水幕衰減火災(zāi)熱輻射實(shí)驗(yàn)，探討了噴頭流量和壓力、設(shè)置高度、噴頭類型和布置方式對(duì)水幕衰減輻射熱能力的影響；楊丙杰等[4]利用高大空間場(chǎng)所下設(shè)置的全尺寸水幕系統(tǒng)，開(kāi)展了水幕在不同噴水強(qiáng)度下的防火隔熱性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得出噴頭安裝高度(高于規(guī)范規(guī)定12 m)提高后，需提高系統(tǒng)的噴水強(qiáng)度以達(dá)到等效的防火分隔效果；劉濤[5]通過(guò)對(duì)施工隧道水幕系統(tǒng)噴頭類型、噴射角度設(shè)計(jì)，提高了水幕的阻煙效果。

綜上可知，前人對(duì)于水幕系統(tǒng)線性噴水強(qiáng)度及在隧道領(lǐng)域應(yīng)用的研究還存在不足?！蹲詣?dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50084-2001，2005年版)[6]中規(guī)定：水幕系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本參數(shù)應(yīng)符合 “噴水點(diǎn)高度≤12 m，噴水強(qiáng)度2 L/(sm)，噴頭最小工作壓力0.1 MPa” 。但對(duì)于隧道這一特殊結(jié)構(gòu)建筑的適用性以及對(duì)不同規(guī)模的隧道火災(zāi)噴水強(qiáng)度的設(shè)定尚有待探討。據(jù)此，本文利用FDS進(jìn)行全尺寸數(shù)值模擬，探究火源功率和噴水強(qiáng)度對(duì)水幕隔熱效率和煙氣特征參數(shù)的影響規(guī)律，為優(yōu)化水幕系統(tǒng)設(shè)置，指導(dǎo)消防工程設(shè)計(jì)實(shí)踐提供參考和依據(jù)。

1 數(shù)值模擬

火災(zāi)數(shù)值模擬軟件FDS(Fire Dynamics Simulator)能精細(xì)地體現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)象，在國(guó)際上得到了廣泛認(rèn)可和應(yīng)用[7-9]。

1.1 模型選擇與建立

選取文獻(xiàn)[10]中按實(shí)際尺寸1/10比例建立的小尺寸隧道模型，根據(jù)相似性原理[11]對(duì)幾何尺寸和火源功率還原，并對(duì)工況3(開(kāi)啟火源左右兩側(cè)各3個(gè)排煙閥)進(jìn)行模擬，以驗(yàn)證大尺寸模型的準(zhǔn)確性。還原后的模型如圖1所示。隧道全長(zhǎng)500 m，寬11 m，高7.2 m，隧道實(shí)行半橫向通風(fēng)，雙向排煙，流量為119.8 m3/s，火源位于排煙閥開(kāi)啟段中部，功率為30 MW，網(wǎng)格劃分按照0.1倍特征火源直徑大小劃分。在隧道頂板下中線處縱向布置煙氣層厚度測(cè)點(diǎn)以檢測(cè)煙氣蔓延位置，間隔2 m，共251個(gè)，排煙閥處布置熱電偶串和煙氣流速測(cè)點(diǎn)。部分模擬結(jié)果如表1所示。

圖1 大尺寸隧道模型測(cè)點(diǎn)布置Fig.1 Large-size tunnel model measuring point layout

從表1可知，煙氣蔓延距離、排煙閥處煙氣流速和溫度模擬值相對(duì)實(shí)驗(yàn)值的誤差均在15%以內(nèi)，基本可驗(yàn)證全尺寸模型的準(zhǔn)確性。綜合考慮準(zhǔn)確性與經(jīng)濟(jì)性選取模型長(zhǎng)60 m，由于本文的研究對(duì)象為隧道和水幕系統(tǒng)，為排除無(wú)關(guān)因素的干擾，不開(kāi)啟排煙口，即在無(wú)橫向通風(fēng)的條件下進(jìn)行模擬。

表1 實(shí)驗(yàn)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比Table 1 Comparison of experimental and simulated data

1.2 火源及水幕設(shè)置

針對(duì)小、中、大型火災(zāi)，依據(jù)《道路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(DG-TJ08-2033-2008)[12]選取隧道火災(zāi)場(chǎng)景分別為小轎車、貨車和集裝箱車、重型車火災(zāi)，火源功率為5，20，30 MW，火源位于距離隧道端部15 m中心線上。水幕噴頭布置在距離火源15 m隧道頂板上，考慮到中、大型火災(zāi)，選用超大口徑開(kāi)式灑水噴頭，流量系數(shù)K=160，壓力P=0.2 MPa，由文獻(xiàn)[13]可知，兩排交錯(cuò)的布置方式較合理，因此，水幕設(shè)計(jì)為兩排交錯(cuò)的布置方式。

1.3 網(wǎng)格劃分和測(cè)點(diǎn)布置

網(wǎng)格尺寸對(duì)模擬結(jié)果有很大影響，Kevin等[14]進(jìn)行了網(wǎng)格獨(dú)立性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)網(wǎng)格尺寸值取特征火源直徑的1/16～1/4時(shí)，能得到較合理的結(jié)果。特征火源直徑為：

(1)

式中：Q為火源熱釋放速率，kW；ρ∞為空氣密度，取1.205 kg/m；CP為空氣定壓比熱容，取1.003 kJ/(kg·K)；T為環(huán)境溫度，取293 K；g取9.81 m2/s。

經(jīng)美國(guó)NIST(National Institute of Standards and Technology)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)網(wǎng)格尺寸取火源特征尺寸的1/10時(shí)，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較吻合。因此，本文選用0.1D*大小尺寸的網(wǎng)格，對(duì)于5，20，30 MW這3種火源功率，D*分別為1.8，3.2，3.7 m，故取網(wǎng)格尺寸分別為0.18，0.32，0.37 m。

在距離水幕7 m隧道橫截面處設(shè)置熱量檢測(cè)設(shè)備(heat flow)、8 m橫截面處設(shè)置煙氣遮光率檢測(cè)設(shè)備(beam detecter)；在距火源水平距離15 m、地面2 m高平面上，距隧道側(cè)壁0.1 m處縱向設(shè)置CO濃度測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)縱向間距1 m，兩側(cè)壁均15個(gè)；在縱向中心線處分別布置O2體積分?jǐn)?shù)和CO體積分?jǐn)?shù)測(cè)點(diǎn)各15個(gè)，間距1 m；在2 m高度平面上布置CO濃度切片。圖2為火源功率為20 MW時(shí)模型測(cè)點(diǎn)及水幕布置示意。

圖2 火源功率20MW時(shí)測(cè)點(diǎn)及水幕布置Fig.2 Fire source power 20MW measurement point and water curtain layout

2 工況設(shè)計(jì)

根據(jù)控制變量法，分別改變火源功率和水幕線性噴水強(qiáng)度，具體模擬方案如表2所示，噴水強(qiáng)度為0表示不設(shè)置水幕時(shí)的工況。水幕相關(guān)參數(shù)計(jì)算如式(2)～(5)。

表2 火災(zāi)模擬工況設(shè)置和水幕參數(shù)計(jì)算Table 2 Setting of fire simulation conditions and calculation of water curtain parameters

噴頭的流量計(jì)算：

(2)

式中：q為噴頭流量，L/min；p噴頭工作壓力，MPa；K為開(kāi)式灑水噴頭流量系數(shù)。

設(shè)F為水幕線性噴水強(qiáng)度，L/(sm)；A為水幕長(zhǎng)度，m；M為噴頭個(gè)數(shù)；D為噴頭排間距,m；C為噴頭間距，m，則:

(3)

(4)

D=2C

(5)

3 噴水強(qiáng)度和火源功率對(duì)煙氣特征參數(shù)和水幕隔熱效率的影響

3.1 小規(guī)?；馂?zāi)煙氣特征參數(shù)和水幕隔熱效率變化規(guī)律

3.1.1 小規(guī)?；馂?zāi)煙氣特征參數(shù)變化規(guī)律

圖3和圖4分別為火源功率為5 MW時(shí)不同水幕噴水強(qiáng)度下煙氣遮光率變化曲線和2 m高平面CO的濃度分布。

圖3 Q=5 MW時(shí)不同水幕噴水強(qiáng)度下煙氣遮光率Fig.3 The smoke shading curve of Q=5 MW under different water curtain sprinkler intensity

圖4 Q=5 MW時(shí)不同噴水強(qiáng)度下2 m高平面CO濃度分布Fig.4 Distribution of 2 m high plane CO concentration under different water injection intensity at Q=5 MW

《國(guó)家安全監(jiān)管總局辦公廳關(guān)于印發(fā)首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化學(xué)品安全措施和應(yīng)急處置原則的通知》以及《國(guó)家安全監(jiān)管總局關(guān)于公布首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化學(xué)品名錄的通知》要求CO短時(shí)間接觸容許濃度為30 mg/m3，即3×10-5kg/m3。從圖3中可以看出，當(dāng)F=2 L/(sm)時(shí)，結(jié)合煙氣遮光率曲線和CO濃度切片圖4(a)可知，當(dāng)煙氣到達(dá)水幕時(shí)，幾乎長(zhǎng)驅(qū)直入，迅速穿過(guò)水幕蔓延，水幕后的煙氣遮光率急劇升高，水幕的阻煙性能很低，但CO濃度未超標(biāo)，是因?yàn)橥L(fēng)良好且火焰熱釋放速率較小。圖3中，當(dāng)F=4 L/(sm)時(shí)，20 s時(shí)煙氣遮光率開(kāi)始顯著升高，圖4(b)為19.4 s時(shí)CO濃度分布，可以看出側(cè)壁CO濃度開(kāi)始增加，說(shuō)明煙氣開(kāi)始從側(cè)壁穿過(guò)水幕。圖3中，當(dāng)F=6，8，10，12 L/(sm)，相比于小噴水強(qiáng)度的水幕，煙氣遮光率沒(méi)有短時(shí)間內(nèi)大幅度增加，而是逐漸呈線性增長(zhǎng)，說(shuō)明水幕的阻煙性能較好且較穩(wěn)定。從圖4(c)和(d)可看出，30 s時(shí)F=8，12 L/(sm)下水幕后的CO濃度分布均在臨界值(3×10-5kg/m3)以下，說(shuō)明水幕能在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)阻隔煙氣。此外，F(xiàn)由2到4 L/(sm)，4到6 L/(sm)，6到8 L/(sm)，8到10 L/(sm)進(jìn)行變化，煙氣遮光率分別降低了約20%，17%，4%，6%，當(dāng)F=12 L/(sm)時(shí)，遮光率曲線基本與F=10 L/(sm)時(shí)重合。

圖5為火源功率為5 MW時(shí)不同噴水強(qiáng)度下水幕后隧道中線處O2體積分?jǐn)?shù)變化曲線。

圖5 Q=5 MW時(shí)不同噴水強(qiáng)度下水幕后隧道中線處O2體積分?jǐn)?shù)Fig.5 O2 volume fraction at the midline of the water curtain behind the curtain under different water spray intensity at Q=5 MW

根據(jù)相關(guān)規(guī)定[15]，隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，O2含量不低于15%，從圖5可看出，在所模擬的時(shí)間內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)均在要求范圍內(nèi)，使人員不至于窒息。此外，隨著水幕線性噴水強(qiáng)度的增加，O2體積分?jǐn)?shù)逐漸升高，但變化幅度逐漸減小，當(dāng)F=8 L/(sm)時(shí)，再增加噴水強(qiáng)度則變化不明顯。

3.1.2 小規(guī)?；馂?zāi)水幕隔熱效率變化規(guī)律

圖6為Q=5 MW時(shí)不同噴水強(qiáng)度水幕隔熱效率變化曲線。

圖6 Q=5 MW時(shí)不同噴水強(qiáng)度下隧道水幕隔熱效率Fig.6 Water curtain insulation efficiency under different sprinkler intensity at Q=5 MW

從圖6可知，當(dāng)F=2，4，6，8，10，12 L/(sm)時(shí)的隔熱效率分別約為：60.4%，87.2%，94.4%，96.6%，97.2%，97.8%。由此可知，噴水強(qiáng)度增加，水幕隔熱效率也提高，當(dāng)F=8 L/(sm)時(shí)，隔熱效率為96.6%，水幕隔熱能力較強(qiáng)，繼續(xù)增加噴水強(qiáng)度水幕隔熱效率提升很小。

綜上所述，當(dāng)Q=5 MW時(shí)，水幕線性噴水強(qiáng)度應(yīng)優(yōu)選8 L/(s·m)。

3.2 中規(guī)?；馂?zāi)煙氣特征參數(shù)和水幕隔熱效率變化規(guī)律

3.2.1 中規(guī)?；馂?zāi)煙氣特征參數(shù)變化規(guī)律

分別對(duì)工況8～13進(jìn)行數(shù)值模擬，得到中型火災(zāi)下煙流分布規(guī)律。圖7為Q=20 MW時(shí)不同水幕噴水強(qiáng)度下煙氣遮光率曲線和部分放大圖。

水幕能延緩煙氣蔓延[16]，但當(dāng)水幕后煙氣遮光率短時(shí)間內(nèi)大幅度上升時(shí)，說(shuō)明水幕已失效，本文將水幕開(kāi)始啟動(dòng)至失效的時(shí)間定義為有效作用時(shí)間。從圖7(a)中可看出，噴水強(qiáng)度從8 L/(sm)逐漸增加至14 L/(sm)，在水幕有效作用時(shí)間內(nèi)煙氣遮光率均逐漸有所下降，下降幅度平均值分別為10.6%，7.3%，1.3%，當(dāng)噴水強(qiáng)度增加至16時(shí)，不論對(duì)于水幕失效前還是失效后煙氣遮光率均比F=14 L/(sm)時(shí)略高。從圖7(b)中可知，F(xiàn)=8，10，12，14，16 L/(sm)時(shí)，有效作用時(shí)間分別為17，17.2，18，23，20.6 s。因此，當(dāng)噴水強(qiáng)度由8 L/(sm)逐漸增至12 L/(sm)，水幕有效作用時(shí)間增加不明顯，當(dāng)由12 L/(sm)增至14 L/(sm)時(shí)，增幅較大，繼續(xù)增加F至16 L/(sm)，水幕有效作用時(shí)間反而減少，阻煙效果并未相應(yīng)提高。

圖7 Q=20 MW時(shí)不同水幕噴水強(qiáng)度下煙氣遮光率和部分放大圖Fig.7 Curve of shading rate of smoke under different water curtain spray intensity at Q=20 MW and a partial enlarged view

圖8和圖9分別為Q=20 MW時(shí)不同噴水強(qiáng)度下2 m高平面CO濃度分布和隧道中線處O2體積分?jǐn)?shù)變化曲線。圖8反映了CO濃度首次達(dá)到臨界值時(shí)的2 m高平面濃度分布，水幕后的CO濃度符合最低標(biāo)準(zhǔn)要求。從圖8也可推知，當(dāng)F=8，10，12，14，16 L/(sm)時(shí)，CO濃度達(dá)到臨界值的時(shí)間分別為18，17，18.2，23.2，20.6 s，這與由圖7(b)所得水幕有效作用時(shí)間基本一致，也證明了所得有效作用時(shí)間的合理性。

圖8 Q=20 MW時(shí)不同噴水強(qiáng)度下2m高平面CO濃度分布Fig.8 Distribution of 2m high plane CO concentration under different water injection intensity at Q=20 MW

圖9 Q=20 MW時(shí)不同噴水強(qiáng)度下水幕后隧道中線處O2體積分?jǐn)?shù) Fig.9 O2 volume fraction at the midline of the water curtain behind the curtain under different water spray intensity at Q=20 MW

從圖9中可知，當(dāng)F=8，10，12 L/(sm)時(shí)，中心線處O2體積分?jǐn)?shù)對(duì)于不同的噴水強(qiáng)度未有明顯的變化，當(dāng)增加至14 L/(sm)時(shí)，O2體積分?jǐn)?shù)相對(duì)F=8，10，12 L/(sm)明顯升高，而F=16 L/(sm)時(shí)的O2體積分?jǐn)?shù)與F=14 L/(sm)時(shí)基本一致。

3.2.2 中規(guī)?；馂?zāi)水幕隔熱效率變化規(guī)律

圖10為Q=20 MW時(shí)不同噴水強(qiáng)度下水幕后通過(guò)隧道橫截面的熱量和水幕隔熱效率變化曲線。

從圖10可知，剛開(kāi)始時(shí)，受火焰煙氣的沖擊，水幕隔熱效率尚不穩(wěn)定，有所下降，隨后在某一平均值附近波動(dòng)，當(dāng)F=8，10，12 L/(sm)時(shí)，隔熱效率平均為94%。當(dāng)增加F至14 ，16 L/(sm)時(shí)，隔熱效率平均為98%，可知線性噴水強(qiáng)度為14 ，16 L/(sm)時(shí)的水幕隔熱效果基本相同。

圖10 Q=20 MW時(shí)不同噴水強(qiáng)度下水幕隔熱效率Fig.10 Water curtain insulation efficiency under different sprinkler intensity at Q=20 MW

綜合煙氣特征參數(shù)和水幕隔熱效率的分析可得，對(duì)于火源功率為20 MW中型火災(zāi)，水幕的線性噴水強(qiáng)度選擇14 L/(sm) 時(shí)較經(jīng)濟(jì)合理。

3.3 大規(guī)模火災(zāi)煙氣特征參數(shù)和水幕隔熱效率變化規(guī)律

3.3.1 大規(guī)?；馂?zāi)煙氣特征參數(shù)變化規(guī)律

分別對(duì)工況14～20進(jìn)行數(shù)值模擬，得到大型火災(zāi)時(shí)距離水幕6 m隧道中心線處煙氣遮光率變化和2 m高平面處CO濃度分布，如圖11～12所示。

圖11 Q=30 MW時(shí)不同水幕噴水強(qiáng)度下煙氣遮光率和部分放大圖Fig.11 Curve of shading rate of smoke under different water curtain spray intensity at Q=30 MW and a partial enlarged view

從圖11(a)可看出，當(dāng)煙氣蔓延至水幕時(shí)，煙氣從水幕阻煙能力最薄弱的側(cè)壁處穿過(guò)，水幕后6 m中心線處煙氣遮光率小幅度上升，隨后又迅速下降并保持短暫時(shí)間，隨著火災(zāi)的發(fā)展，煙氣動(dòng)量增加，驅(qū)動(dòng)力也不斷增強(qiáng)，水幕形成的“水墻”不足以阻擋煙氣的擴(kuò)散，因此水幕后煙氣的遮光率呈波浪式驟然增加，最后接近100%并保持穩(wěn)定。

圖11(b)為遮光率急劇增加時(shí)的放大圖，從中可知，當(dāng)水幕噴水強(qiáng)度從10，12，14增加到16 L/(sm)時(shí)，水幕有效作用時(shí)間從11，11.5，14.8到17.2 s，當(dāng)繼續(xù)增大噴水強(qiáng)度到18，20 L/(sm)時(shí)水幕有效作用時(shí)間分別為15.6和17 s。由此可見(jiàn)，在一定程度上，隨著噴水強(qiáng)度的增加，水幕的隔煙能力隨之增強(qiáng)，當(dāng)增大到一定程度時(shí)水幕有效作用時(shí)間并不隨之增加，甚至?xí)袦p小的趨勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)線性噴水強(qiáng)度的增加，在頂板上布置的噴頭數(shù)量相應(yīng)增加，噴頭間距減小，當(dāng)減小到一定程度，相鄰噴頭間噴頭出水時(shí)水滴劇烈撞擊，水平速度相互削減，當(dāng)?shù)竭_(dá)地面形成水墻時(shí)速度更小，進(jìn)而影響水幕整體的隔煙效果。

3.3.2 大規(guī)?；馂?zāi)水幕隔熱效率變化規(guī)律

圖12為Q=30 MW時(shí)不同噴水強(qiáng)度下水幕隔熱效率變化曲線。

圖12 Q=30 MW時(shí)不同噴水強(qiáng)度下水幕隔熱效率Fig.12 Water curtain insulation efficiency under different sprinkler intensity at Q=30 MW

從圖12可看出，不同噴水強(qiáng)度下的隔熱效率基本都能維持在90%以上，說(shuō)明水幕具有良好的隔熱效果。當(dāng)水幕線性噴水強(qiáng)度從10增至12 L/(sm)時(shí)，隔熱效率小幅度提高但二者整體均在93%左右，逐漸增加噴水強(qiáng)度至16 L/(sm)，水幕隔熱效率基本維持在97%，繼續(xù)增加，水幕隔熱效果并未有明顯提升。

綜上所述，結(jié)合水幕不同線性噴水強(qiáng)度下的煙氣遮光率、隔熱效率、O2體積分?jǐn)?shù)的變化，并綜合考慮水幕效果和經(jīng)濟(jì)性可得，火源功率為30 MW時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇水幕線性噴水強(qiáng)度為16 L/(sm)。

4 結(jié)論

1)根據(jù)相似性原理還原后的全尺寸模型在相同工況下的模擬結(jié)果與小尺寸實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突疽恢拢?yàn)證了本文所選用的全尺寸模型的準(zhǔn)確性。

2)水幕系統(tǒng)的阻煙和隔熱效果隨線性噴水強(qiáng)度的增加而增強(qiáng)，但水幕的線性噴水強(qiáng)度并非越高越好，當(dāng)增加到一定程度時(shí)，阻煙和隔熱效果不再有明顯變化，對(duì)于中、大規(guī)?；馂?zāi)甚至?xí)霈F(xiàn)水幕有效作用時(shí)間減少的情況。

3)對(duì)于Q=5，20，30 MW的小、中、大規(guī)模的隧道火災(zāi)，分析了不同噴水強(qiáng)度下的煙氣遮光率、隔熱效率、O2體積分?jǐn)?shù)等煙氣特征參數(shù)變化規(guī)律，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和水幕效果，建議分別選擇水幕的線性噴水強(qiáng)度為8 ，14和16 L/(sm)。