綜合體高壓細(xì)水霧特性參數(shù)的火災(zāi)動(dòng)態(tài)模擬

王輝明， 王詩怡， 王祥林

(新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院, 烏魯木齊 830046)

當(dāng)前隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)城市運(yùn)作效率的要求日益增高，商業(yè)綜合體應(yīng)運(yùn)而生，促進(jìn)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展，達(dá)到互利共贏目的。基于綜合體結(jié)構(gòu)復(fù)雜化以及人類需求的提升，傳統(tǒng)的消防技術(shù)及規(guī)范已不能完全滿足現(xiàn)有新型綜合體建筑要求。細(xì)水霧技術(shù)具有諸多突出優(yōu)點(diǎn)，因此發(fā)達(dá)國家多采用細(xì)水霧性能化設(shè)計(jì)替代傳統(tǒng)技術(shù)，以避免造成安裝參數(shù)、噴霧參數(shù)在綜合體設(shè)計(jì)中的不協(xié)調(diào)[1]。因此中外學(xué)者對(duì)細(xì)水霧的控火、滅火機(jī)理進(jìn)行了廣泛而細(xì)致的研究，Novohzliov等[2]使用了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬方法，并對(duì)其進(jìn)行了評(píng)述，將細(xì)水霧對(duì)固體火災(zāi)的過程進(jìn)行了模擬，從而判斷細(xì)水霧滅火的效果；Liu 等[3]針對(duì)不同的火災(zāi)類型，分析了細(xì)水霧的滅火效果，研究發(fā)現(xiàn)細(xì)水霧的滅火速率和效果與火災(zāi)的熱釋放率有一定的關(guān)系；Chen等[4]進(jìn)行了細(xì)水霧滅商用廚房油火的全尺寸實(shí)驗(yàn)，表明細(xì)水霧滅火效率隨著流量系數(shù)和工作壓力的增大而增長(zhǎng)；賀元驊等[5]進(jìn)行低壓環(huán)境對(duì)高壓細(xì)水霧霧滴粒徑的研究實(shí)驗(yàn)，拓寬了適用環(huán)境，并表明霧通量及粒徑在低壓環(huán)境將增大。潘登[6]利用(fire dynamics simulator,FDS) 軟件模擬了受限空間脈沖細(xì)水霧滅火過程，研究不同開啟、暫停時(shí)間和不同火源功率對(duì)各指標(biāo)的影響，得出高壓脈沖的高效節(jié)能及控火。湯慧等[7]對(duì)國家標(biāo)準(zhǔn)存在的不足及在細(xì)水霧系統(tǒng)中應(yīng)用的利弊進(jìn)行了實(shí)例研究，對(duì)參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行細(xì)化。侯龍江[8]以杭州某大型商業(yè)綜合體項(xiàng)目為研究背景，分析了其中存在的消防問題，并探析了相應(yīng)的消防安全管理與防火策略，以期提高城市商業(yè)綜合體建筑的安全性。

綜上所述，細(xì)水霧的研究主要集中在受限空間的常壓環(huán)境，高壓細(xì)水霧在新型建筑的應(yīng)用較少，設(shè)計(jì)顧慮突出，缺少對(duì)大空間綜合體高壓細(xì)水霧特性參數(shù)的探討，因此，參考美國消防協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(NFPA)，利用BIM(building information modeling)技術(shù)在建筑全壽命周期集成和共享方面的優(yōu)勢(shì)，建立某商業(yè)綜合體BIM 3D模型，并基于IFC標(biāo)準(zhǔn)分層轉(zhuǎn)化為火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬(FDS)分析計(jì)算模型，研討大空間火災(zāi)過程中單一噴頭高壓細(xì)水霧作用機(jī)理及Ⅱ級(jí)高壓細(xì)水霧在不同噴射速度、霧化角以及水霧壓力因素下與火焰相互作用過程，得到商業(yè)綜合體最佳高壓細(xì)水霧性能化參數(shù)，并與受限空間研究結(jié)果相對(duì)比，以期為同類型建筑的消防安全性能化設(shè)計(jì)提供參考。

1 流體動(dòng)力學(xué)基本控制方程

火災(zāi)燃燒是化學(xué)反應(yīng)的傳熱、傳質(zhì)和運(yùn)動(dòng)耦合過程，通過FDS著重研究火災(zāi)的熱煙氣流動(dòng)和熱量傳遞，求解描述低速、熱驅(qū)動(dòng)的方程組，其數(shù)值計(jì)算的理論基礎(chǔ)是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，基本控制方程是流體力學(xué)的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程和狀態(tài)方程，同時(shí)結(jié)合大渦模擬(LES)湍流模型[9]。

(1)質(zhì)量守恒：

(1)

式(1)中：?為向量運(yùn)算符號(hào)；ρ為流體密度；u為流體速度矢量；t為時(shí)間。

(2)動(dòng)量守恒：

(2)

(3)

(4)

式中：p為壓力；f為外部力矢量；τij為流體黏性應(yīng)力張量；δij為克羅內(nèi)克符號(hào)。

(3)能量守恒：

(5)

(6)

(4)狀態(tài)方程：

(7)

(5)LES湍流模型：

(8)

(9)

(10)

式中:T為溫度；R為理想氣體常數(shù)；M為摩爾質(zhì)量；μLES為湍流黏度；Cs為Smagorinsky常數(shù)；Δ為過濾尺度；KLES為湍流導(dǎo)熱系數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)；Cp為質(zhì)量定壓熱容；(ρD)LES為湍流的物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)；Sc為施密特?cái)?shù)。

2 物理模型及火災(zāi)場(chǎng)景參數(shù)

2.1 物理模型

通過BIM技術(shù)建立1∶1的23層綜合體模型，分為東塔、西塔樓和裙樓，單層建筑面積最大達(dá)2 800 m2，四層以上層高為3.8 m。綜合體BIM 3D幾何模型如圖1所示。

圖1 綜合體BIM 3D模型

2.2 火災(zāi)場(chǎng)景參數(shù)設(shè)計(jì)

通過建立火災(zāi)計(jì)算模型，利用FDS火災(zāi)模擬和Smokeview后處理軟件，對(duì)此綜合體進(jìn)行高壓細(xì)水霧性能分析。依據(jù)樓梯位置，火源及探測(cè)器位置如圖2所示，為影響人員流動(dòng)權(quán)值最大也是火災(zāi)危險(xiǎn)最高的地段。依據(jù)美國消防協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)NFPA 204M《排煙標(biāo)準(zhǔn)(standard of smoke and heat venting)》(2002年)中定義的4種t2非穩(wěn)態(tài)火災(zāi)：慢速、中速、快速和超快速火[10]。結(jié)合大型商業(yè)綜合體建筑中廳物質(zhì)可燃性較大、易燃物品多的特點(diǎn)，選取以非穩(wěn)態(tài)熱釋放速率發(fā)生“超快速火”進(jìn)行計(jì)算，火源當(dāng)量為10 MW，其4種t2非穩(wěn)態(tài)火災(zāi)熱釋放速率對(duì)比如圖3所示，細(xì)水霧噴頭啟動(dòng)溫度57 ℃,位于火源正上方，距離頂距離0.15 m。采取均勻網(wǎng)格劃分形式，網(wǎng)格尺寸為1 m×1 m×1 m，共303 084個(gè)網(wǎng)格細(xì)胞[11]。

圖2 火源及探測(cè)器位置

圖3 4種非穩(wěn)態(tài)火災(zāi)速率增長(zhǎng)曲線

3 模擬結(jié)果對(duì)比分析

圖4為無高壓細(xì)水霧下火源上方溫度變化，按距地面2 m高位置的溫度不超過80 ℃指標(biāo)，可知80 s左右就溫度而言已經(jīng)不利于逃生。

圖4 無噴霧火源上方2 m溫度變化

3.1 霧化角對(duì)綜合體控火效率的影響

霧化角是細(xì)水霧的特征參數(shù)，如圖5所示，單嘴霧化角影響噴霧方向、有效覆蓋面積還間接影響細(xì)水霧的初始速度以及動(dòng)量，進(jìn)而決定了細(xì)水霧的穿透能力[12]，主要通過(霧通量)流量密度對(duì)控火起到關(guān)鍵性作用。現(xiàn)設(shè)定4種霧化角度，噴頭參數(shù)如表1所示。

h為噴頭到火源的距離；θ為噴霧角

表1 噴頭參數(shù)

針對(duì)模擬中霧化角對(duì)霧通量影響，細(xì)水霧火焰區(qū)霧通量計(jì)算如式(11)所示：

(11)

式(11)中：q為噴頭噴出流量，m3/s；h為噴頭到火源的距離，m；θ為噴霧角，rad。

如圖6(a)所示，在綜合體建筑中，隨4種霧化角度的增大，溫度場(chǎng)峰值不斷降低，火焰區(qū)呼吸高度處溫度降低值隨著霧化角度增大而減小，且溫度峰值時(shí)間節(jié)點(diǎn)向前偏移，即一定量霧化角度增大有利于火焰區(qū)溫度降低。因?yàn)殡S著一定量霧化角度增大，高壓細(xì)水霧作用范圍增大，霧滴分散，作用在火焰區(qū)的霧通量值就會(huì)趨于完全利用，促進(jìn)與火焰的相互作用；一定量霧化角度增大加快了降溫速率，再結(jié)合圖6(b)，并考慮到綜合體大空間、樓層高等特點(diǎn)，火災(zāi)蔓延更易多方向擴(kuò)展，加快遠(yuǎn)處(樓梯處)溫度的上升。對(duì)比文獻(xiàn)[13]可知，綜合體火源上方溫度在高壓細(xì)水霧施加初期，對(duì)火焰區(qū)沖切擾動(dòng)造成的湍流更加劇烈，在細(xì)水霧作用初期火焰得到一定強(qiáng)化，施加初期溫度有回升現(xiàn)象，且對(duì)溫度而言霧化角越小強(qiáng)化幅值越大，并由圖6(b)可知霧化角越小，回升速率越快，究其原因是霧化角越大，火焰紊流以及煙氣湍流更容易破壞射流的穩(wěn)定性，打破射流的表面張力，得到細(xì)小的霧滴，相對(duì)面積增大，得到二次氣化，冷卻作用明顯。但當(dāng)霧化角超過了臨界值，隨細(xì)水霧施加，有效霧通量減少，使超快速火表面溫度震蕩明顯，當(dāng)霧化角為120°時(shí)，火源上方溫度震蕩作用尤為顯著，細(xì)水霧施加6 min后火源上方溫度降至室溫。對(duì)比文獻(xiàn)[14]以及參考美國消防協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)NFPA750《細(xì)水霧滅火系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》的受限空間霧化角基礎(chǔ)上，綜合而言，在大空間建筑里，霧化角要在60°基礎(chǔ)上有所增加，可以看出60°～105°角度下，角度增大控火效果會(huì)有增強(qiáng)，角度為105°時(shí)已經(jīng)達(dá)到很好的控火效果，所以考慮經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)該選擇105°為最佳。

圖6 溫度變化曲線

3.2 噴射速度對(duì)綜合體控火效率的影響

通過對(duì)細(xì)水霧霧化角控火效率的分析發(fā)現(xiàn)，在抑制火災(zāi)過程中，表面冷卻作用效果顯著。在霧化角105°基礎(chǔ)上，為了保證特定細(xì)水霧粒徑能順利穿透火羽流，作用于火焰區(qū)，提高霧滴速度尤為關(guān)鍵。結(jié)合上述模擬現(xiàn)設(shè)定4種噴射速度，噴頭參數(shù)如表2所示。

表2 噴頭參數(shù)

霧滴在運(yùn)動(dòng)過程中符合牛頓第二定律和動(dòng)量守恒定律如式(12)所示：

(12)

式(12)中：ρ為霧滴密度；r為霧滴粒徑；u為霧滴速度；t為時(shí)間；G為霧滴重力；Ff霧滴所受的浮力；Fd為熱羽流對(duì)霧滴的卷吸作用力。

不同噴射速度情況下，火源上方2 m處細(xì)水霧控火數(shù)值模擬的溫度隨時(shí)間變化曲線如圖7所示。由圖7(a)可知，4種不同流速下的溫度變化趨勢(shì)也很相近，噴射速度為7 m/s時(shí)溫度下降耗時(shí)最長(zhǎng)，10 m/s耗時(shí)與7 m/s相差不大，但高壓細(xì)水霧作用前期，10 m/s的降溫效果明顯，在火災(zāi)充分發(fā)展階段之后平均溫度低于7 m/s工況；噴射速度為13 m/s和15 m/s時(shí)，溫度下降耗時(shí)時(shí)差基本在10 s之內(nèi)，噴射速度13 m/s的工況在高壓細(xì)水霧作用前期降溫優(yōu)于15 m/s工況，且在火災(zāi)充分發(fā)展階段震蕩幅度及時(shí)間區(qū)域小，再結(jié)合圖7(b)中樓梯處溫度變化曲線，可知對(duì)遠(yuǎn)離火源的位置，噴射速度為13 m/s和15 m/s的工況在300 s左右有溫度增長(zhǎng)平穩(wěn)段，但后期存在可忽略的負(fù)面影響。結(jié)合式(12)，分析其原因：噴射速度控制的控火機(jī)理主要是細(xì)水霧霧通量≥煙羽流動(dòng)量，才能保證在同空氣的接觸中產(chǎn)生了極大的剪切力并以湍流的方式進(jìn)入火焰區(qū)，高動(dòng)能的細(xì)水霧對(duì)火焰蔓延產(chǎn)生湍流擾動(dòng)重分布，控火效能大大提高；同時(shí)，根據(jù)狀態(tài)方程要避免細(xì)水霧高動(dòng)能引起空氣動(dòng)力學(xué)副作用，使室內(nèi)形成壓力變動(dòng)，氣體密度增加，導(dǎo)致霧滴的收縮，束縛了霧滴的發(fā)散。由圖8可知，此變動(dòng)加快高溫?zé)煔庵蠧O流動(dòng)，超過臨界噴射速度火焰橫向擴(kuò)展。綜上所述，13 m/s工況火源上方溫度峰值低于80 ℃，并考慮節(jié)能經(jīng)濟(jì)性，綜合體建筑應(yīng)該選擇13 m/s的噴射速度。

圖7 溫度變化曲線

圖8 不同噴射速度工況CO濃度及分布

3.3 水霧壓力對(duì)綜合體控火效率的影響

對(duì)于高壓細(xì)水霧系統(tǒng)，細(xì)水霧壓力是一個(gè)十分重要的安全設(shè)計(jì)參數(shù)。細(xì)水霧壓力不僅決定著噴霧流量，而且還決定著霧滴粒徑大小再分布、最大動(dòng)能等一系列與火災(zāi)抑制有緊密聯(lián)系的參數(shù)。在上述模擬基礎(chǔ)上現(xiàn)設(shè)定4種水霧壓力，噴頭參數(shù)如表3所示。

表3 噴頭參數(shù)

根據(jù)水霧壓力計(jì)算噴頭流量，計(jì)算公式為

(13)

式(13)中：K為流量系數(shù)；p為水霧壓力，MPa。

不同壓力情況下，通過細(xì)水霧抑制大空間超快速火，火源上方2 m處溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖9所示。由圖9(a)可知，4種水霧壓力作用下，初期火源附近的平均溫度迅速下降，最終下降到了25 ℃左右，說明高壓細(xì)水霧起到了高效的冷卻效果。相同流量系數(shù)下，隨著壓力上升至臨界壓力，溫度波動(dòng)減弱，結(jié)合圖9(b)可知，對(duì)火源控制效果越好，前期對(duì)遠(yuǎn)離火源位置的控溫越有效，但后期存在負(fù)面影響；分析其原因：噴射高壓加快細(xì)水霧在空氣中的高速運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生極大的剪切力，且更易接近火源，霧滴分裂充分，霧滴粒徑下限變小，霧滴數(shù)目增多總表面積增大，氣化速率加快；但當(dāng)其超越臨界值，壓力、速度組合作用下引起空氣動(dòng)力學(xué)副作用，導(dǎo)致火羽流和火焰區(qū)的紊亂，由圖10可知，超越臨界噴霧壓力，造成火焰向橫向擴(kuò)展以及加快高溫?zé)煔庵蠧O流動(dòng)。縱觀4種工況，溫度在150～300 s波動(dòng)幅度大，此時(shí)屬于火燃燒的蔓延階段，側(cè)面說明高壓細(xì)水霧可以有效抑制火勢(shì)地蔓延。10 MPa的溫度隨時(shí)間曲線震蕩幅度小，此后壓力的增大對(duì)控火效果提高已無經(jīng)濟(jì)性可言，所以噴霧壓力為10 MPa是合適的選擇。

圖9 溫度變化曲線

圖10 不同水霧壓力工況下CO濃度及分布

綜合上述過程，從霧化角最佳→噴射速度最佳→水霧壓力最佳，通過對(duì)三參數(shù)控制變量分析研究，初期火源附近降溫速率增大，最低溫度減小，幅值逐漸降低，各級(jí)溫差大概10 ℃。并對(duì)照?qǐng)D8、圖10可知在較好噴射速度基礎(chǔ)上，噴霧壓力工況下又減弱了CO流動(dòng)。

4 結(jié)論

通過對(duì)商業(yè)綜合體火災(zāi)下高壓細(xì)水霧的數(shù)值模擬分析，探討了霧性參數(shù)對(duì)大空間綜合體溫度、CO流動(dòng)的影響規(guī)律以及控火效能，得到以下結(jié)論。

(1)利用BIM技術(shù)結(jié)合FDS數(shù)值模擬能全尺寸詳細(xì)地研討大空間內(nèi)高壓細(xì)水霧與火羽流作用過程中參數(shù)的變化，為商業(yè)綜合體內(nèi)高壓細(xì)水霧性能化設(shè)計(jì)和控火機(jī)理提供理論基礎(chǔ)。

(2)霧化角反映的是細(xì)水霧對(duì)火場(chǎng)的覆蓋范圍，在綜合體中霧化角增大到一定程度時(shí)，火焰區(qū)霧通量趨于完全利用，提高了細(xì)水霧控火效能。大空間綜合體在不同霧化角高壓細(xì)水霧施加初期造成紊流擾動(dòng)比受限空間更加劇烈且溫度有回升現(xiàn)象，火焰得到一定強(qiáng)化且霧化角大于受限空間霧化角。

(3)高壓細(xì)水霧不同噴射速度與火焰作用表明，在綜合體中噴射速度增大一定量值，降溫速率與幅值均增大，在火災(zāi)充分發(fā)展階段震蕩幅度及時(shí)間區(qū)域小，最終火源表面實(shí)現(xiàn)明顯冷卻。

(4)隨著壓力上升至臨界壓力，溫度回升之后波動(dòng)減小，對(duì)火源控制效果越好，當(dāng)超越臨界值，壓力、速度組合作用下導(dǎo)致火羽流和火焰區(qū)的紊亂，造成火焰向橫向擴(kuò)展以及加快高溫?zé)煔庵蠧O流動(dòng)。