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)
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)。
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]。
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
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。
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
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)
3.1.1 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)。
3.2.1 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。
3.3.1 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)。
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)。