狹長空間建筑內細水霧幕對頂棚射流火焰抑制效果試驗研究*

鐘 委，劉 磊，郭超杰，梁天水

(鄭州大學 力學與安全工程學院，河南 鄭州 450001)

0 引言

近年來我國涌現大量狹長類空間建筑，如地鐵站、隧道及地下商業街等，此類建筑凈高較低，在發生火災時火羽流容易直接撞擊頂棚形成頂棚射流火焰[1-5]，導致火災規模快速增大，并對建筑結構造成嚴重的損害[6-7]。細水霧系統作為1種節能環保的防火分隔設施，在狹長類建筑中已經廣泛應用，其擋煙阻火的有效性也得到驗證[8]，開展細水霧系統對頂棚射流火焰抑制作用等相關研究對保障此類建筑的消防安全具有重要意義。細水霧系統具有耗水量低、綠色無污染、對保護對象破壞性小等優點。除了具有高效的滅火性能以外，研究人員還發現細水霧可以抑制煙氣和阻隔熱輻射[9-11]。因此，近年來細水霧幕擋煙技術逐步被應用于地鐵站、隧道等狹長空間建筑中。目前國內外大量學者對細水霧幕系統的擋煙阻火有效性進行研究，WANG等[12]研究細水霧在隧道中防止煙氣擴散的效果，證明霧幕能夠有效抑制高溫煙氣的擴散，同時研究不同噴霧特性的噴嘴性能，提出最佳的工作壓力；Blanchard等[13]模擬縱向通風隧道內細水霧對熱煙氣的抑制作用，水霧噴頭均勻布置在火源上游4 m至下游3.5 m處，研究表明在隧道中風速超過臨界風速時，細水霧幕可以吸收火源釋放大約一半的熱量，而其中的73%是霧滴從熱煙氣中吸收的；Amano等[14]通過一系列的實驗研究，發現細水霧幕可以有效抑制地下空間熱輻射，阻擋CO蔓延；PAN等[15]通過在站臺屏蔽門設置細水霧系統，證明高壓細水霧系統具有抑煙、防毒、降溫的功效，以及提高能見度、氧濃度的能力。

前人研究主要集中在細水霧與煙氣的相互作用上，很少考慮到細水霧對頂棚射流火焰的抑制作用。鐘委等[16]通過實驗證明施加細水霧幕對頂棚射流火焰有顯著的抑制作用，可使火焰長度減小約40%；王琳等[17]模擬頂棚射流火焰與細水霧的相互作用，結果表明水霧能夠有效降低火焰溫度，同時水霧的施加帶來的湍流作用增加了煙氣層厚度。然而，對于受限空間水霧系統對頂棚射流火焰的抑制作用機理和抑制情況、溫度場及影響因素的研究卻鮮有人研究，缺乏相關數據。

細水霧系統的工作壓力是1個關鍵的參數，在噴頭結構確定的情況下，工作壓力決定噴頭流量、霧滴粒徑、霧滴動量、霧化錐角和噴射距離。因此，不同工作壓力下細水霧幕對頂棚射流火焰的抑制機理有顯著差異，研究不同工作壓力下細水霧幕與頂棚射流火焰的相互作用，可以為受限空間細水霧系統設計提供參考和借鑒。本文設計試驗臺開展細水霧幕抑制頂棚射流火焰的全尺寸試驗，通過改變細水霧的工作壓力，研究頂棚射流火焰形態、細水霧幕的隔熱性能以及煙氣層高度變化，討論細水霧系統工作壓力對頂棚射流火焰的抑制效果的影響。

1 試驗設計

1.1 試驗裝置

試驗臺如圖1和圖2所示，總長6.5 m，寬2.0 m，高2.6 m。試驗臺分為燃燒區和保護區，燃燒區采用鋼架結構，側壁材料為輕質硅酸鋁板，其中一側壁面設置鋼化玻璃觀察窗，用于拍攝頂棚射流火焰形態；保護區尺寸為3 m×2 m×2.6 m，其右端與燃燒區相連，左端開啟。火源使用尺寸為40 cm×40 cm的正方形油盤，燃料為純度為99%的正庚烷。火源高度距地面1.8 m，用于產生頂棚射流火焰。

圖1 實際的試驗臺Fig.1 Practical test bench

圖2 試驗裝置及測點布置示意Fig.2 Layout of experimental device and measuring points

試驗中使用的熱電偶為直徑為2 mm的K型鎧裝熱電偶，其測溫范圍在0～1 100 ℃，誤差±5 ℃，為防止細水霧幕霧滴直接噴到熱電偶測點上引起測量誤差，在霧幕覆蓋區的熱電偶探頭位置都安裝1個傘狀保護帽。在試驗臺中軸線上距火源1.0，1.8，2.2，2.8，4.0，5.0，6.0 m處各布置1串豎向熱電偶，豎向熱電偶串由8個熱電偶組成，其中上部5個測點的布置間距為0.1 m，其余測點間距為0.2 m。在中軸線距頂棚0.05 m處布置1串水平熱電偶，由20個熱電偶組成，相鄰測點布置間距0.3 m。火源質量損失速率由精密電子分析天平對燃料質量損失進行實時測量。圖像采集由索尼HDR-SR12型攝像機進行，試驗臺共設置2個圖像采集點，如圖2所示。攝像點1垂直于觀察窗，用于拍攝細水霧對火焰的沖擊過程；攝像點2位于保護區出口處，用于拍攝細水霧作用下煙氣沉降效果。

1.2 細水霧系統

細水霧系統由2個細水霧噴頭組成，其布置如圖2所示。細水霧設置于距火源3 m位置處，噴頭之間的間距為1.0 m。首先對不同工作壓力下噴嘴的霧化錐角進行測量，當工作壓力為0.5 MPa時，噴嘴的霧化錐角為24.5°，如圖3所示。隨后用直接測量法測量噴頭流量速率及噴射距離。5種不同工作壓力下的噴頭特性參數測量結果如表1所示，從中可以看出隨著工作壓力的增加，細水霧幕的覆蓋面積、霧幕流量和以及霧滴動量也隨之增大。

圖3 霧化錐角的確定Fig.3 Determination of atomization cone angle

表1 不同壓力下的霧幕參數Table 1 Parameters of mist curtain under different pressures

1.3 試驗工況

試驗中采用0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 MPa的5種工作壓力，并以未施加細水霧情況作為對照組，共進行6組試驗，試驗工況如表2所示。試驗過程中火源首先燃燒60 s以產生穩定的頂棚射流火焰，隨后開啟細水霧，每種工況均重復3次，以保證試驗的可靠性。

表2 試驗工況Table 2 Experimental conditions

2 結果與討論

2.1 頂棚射流火焰形態

圖4為不同水霧幕工作壓力下頂棚射流火焰的蔓延情況。在沒有外界干擾時，由于頂棚射流對空氣的卷吸主要發生在煙氣-空氣交界面上，因此頂棚射流火焰也主要存在于空氣的交界面處，并沿頂棚縱向蔓延[18]，如圖4(a)所示。

圖4 不同水霧幕工作壓力下頂棚射流火焰Fig.4 Ceiling jet flame under different working pressures of WMC

當施加細水霧后，水霧幕對火焰的蔓延起到阻礙作用。工作壓力較小時，如圖4(b)～圖4(c)所示，壓力為0.5 MPa和1.0 MPa時水霧幕對頂棚射流火焰的影響不大，火焰在穿過水霧幕時會由于霧幕阻礙作用，有部分火焰從霧幕上方空隙通過，造成火焰抬升，并繼續向前蔓延；當工作壓力增大時，對比圖4(c)～圖4(d)，1.5 MPa時的射流火明顯比1.0 MPa時燃燒得更充分；隨著水霧工作壓力繼續增大，水霧幕抑制射流火焰的效果更加明顯，如圖4(d)～圖4(e)，射流火焰通過水霧幕后會在霧幕后方形成渦旋火焰，火焰向前蔓延的趨勢整體上被遏制；繼續增大工作壓力到2.5 MPa時，霧幕后方僅存零星的破碎火焰。可以看到隨著工作壓力的增大，水霧幕抑制射流火的效果增強，但在2.5 MPa時仍不能完全阻礙射流火的蔓延。

施加細水霧后，水霧霧滴對射流火焰產生干擾，射流火焰燃燒的湍流度會增強，燃燒面不只是停留在與空氣的交界面上，噴射出的細水霧霧滴會向火焰內部進一步混合，并在火焰內部進行蒸發吸熱，從而阻礙火焰的蔓延，由于火羽流的浮力作用較強，此時水霧和火焰的相互作用中霧滴動量起到主導作用。當工作壓力較小時，其霧滴動量較小，霧滴進入火焰燃燒范圍的能力有限，蒸發吸熱的作用有限，對頂棚射流火焰的影響較小。當細水霧工作壓力增大時，由于水霧的霧滴動量增大，湍流擾動作用增強，有助于細水霧克服火羽流的浮力作用接近甚至進入到火焰內部，在火焰內部進行充分冷卻吸熱，并在汽化成水蒸氣過程中吸熱帶走一部分熱量，當細水霧在火焰區持續吸熱導致火焰溫度降低到燃燒所需臨界值以下時，火焰將會熄滅，起到抑制火焰蔓延的作用；同時隨著壓力的增大，單位時間內的水霧流量增大，細水霧粒徑減小，霧滴吸熱效率也隨之增加，抑制火焰蔓延的效果更好。Vilfayeau等[19]提出火焰熄滅可以用臨界Damk?hler數來表征，其表達式如式(1)所示：

(1)

式中：C和Ta是模型參數，單位分別為s-1，K；Tst是火焰溫度，K；χst是燃料-空氣混合率。

Dac是Da在火焰熄滅極限時的臨界值。當Da≥Dac時，火焰不熄滅；當Da

隨著壓力增大，霧滴動量增大，對火焰的擾動作用增強，夾雜著細水霧霧滴的空氣會進入火焰，使得燃料蒸氣與空氣混合，促進火焰內部燃料蒸氣的燃燒，在霧幕作用區對射流火焰起到一定的強化作用，如圖4中細水霧幕工作壓力為1.5 MPa時的射流火焰比1.0 MPa燃燒得更充分。

由于霧化錐角增加范圍有限，2個噴頭水霧錐之間以及水霧錐與頂棚之間會存在較大的空隙，火焰會從霧幕上方的空隙通過，當細水霧霧化錐角隨著壓力的增加而增大時，霧幕作用范圍增大，霧幕上方的空隙減小，但仍未形成完全封閉的細水霧幕包絡面，在工作壓力為2.5 MPa時仍會有火焰從空隙中通過，因此在實際應用中需設置多排水霧噴頭，并應錯開布置，以達到抑制頂棚射流火焰的最好效果。

圖5為不同壓力下頂棚射流火焰平均溫度分布變化，Gao等[20]研究得出強羽流與弱羽流的分界為溫升400 K，因此圖5中大于425 ℃的橙色及紅色高溫區域為頂棚射流火焰，附著在強羽流周邊的是未能燃燒的高溫煙氣。從圖5(a)中可以看出，在沒有施加水霧情況下，射流火焰長度較大，這是因為頂棚射流火焰需要卷吸進入空氣才能維持其燃燒，而火羽流的水平卷吸效率較低，因此頂棚射流火焰蔓延長度會較大。隨著細水霧工作壓力增大，射流火焰的長度不斷減小，這是因為隨著壓力的加大，單位時間內水霧流量增大，一方面通過更大面積的吸熱冷卻降低溫度，另一方面水霧的湍流擾動作用也抑制了頂棚射流火焰的燃燒。如圖5(c)～圖5(d)所示，強羽流區域厚度變薄，高溫區域范圍較0.5 MPa時有所減小；當工作壓力超過2.0 MPa時，如圖5(e)～圖5(f)，火焰總體長度縮短，此時霧幕后方基本不存在強羽流的高溫區域。

圖5 不同壓力下頂棚射流火焰平均溫度分布Fig.5 Average temperature distribution of ceiling jet flame under different pressures

2.2 溫度變化

不同試驗工況下煙氣層平均溫度隨時間的變化如圖6所示。在燃燒初期，空間溫度隨燃燒的進行迅速升高，對于未施加霧幕工況，煙氣溫度較高。霧幕開啟后，水經噴頭噴出后，形成細小的霧滴，吸收了煙氣的熱量，霧幕前方溫度緩慢增加趨勢，霧幕后方溫度出現明顯下降，且隨著霧幕工作壓力的增大，溫降幅度越來越大。

圖6 霧幕前后熱電偶平均溫度變化曲線Fig.6 Variation curves of average temperature of thermocouples in front and back of mist curtain

評價霧幕的隔熱效率有2種方法，一種是熱通量法，另一種是通過被保護區的溫度上升程度來衡量。后者的測量能直觀地反映隔熱效率變化，因此本文選擇用保護區溫度上升程度來表征霧幕隔熱效率。根據傅里葉定律和霧幕隔熱效率的熱通量表達式[21]，推導出溫度上升程度表征的霧幕隔熱效率的表達式如式(2)：

(2)

式中：η為霧幕隔熱效率，%；T0為霧幕施加后最低溫度與環境溫度的差值，℃；T1為霧幕施加后最高溫度與環境溫度的差值，℃。

霧幕的隔熱效率的變化趨勢如圖7所示。由圖7可知，霧幕的隔熱效率呈現先增加后保持穩定的態勢，且隨著工作壓力的增加隔熱效率越好，工作壓力為2.5 MPa時，霧幕的隔熱效率達到0.75，表明細水霧幕能夠明顯衰減熱輻射，具有較好的隔熱性能。圖8是出口豎向溫度分布變化，表明出口煙氣溫度隨著霧幕工作壓力的增加而減小，頂棚下方的最高溫度從168 ℃降低至68 ℃，且1.8 m處施加細水霧幕的煙氣溫度均下降至20 ℃以下，表明細水霧幕能夠有效降低霧幕后方溫度。

圖7 霧幕隔熱效率Fig.7 Heat insulation efficiency of mist curtain

圖8 出口豎向溫度分布Fig.8 Vertical temperature distribution at outlet

2.3 煙氣層高度

Cooper等[22]提出用N百分比法計算煙氣層高度，這種方法將火災中煙氣層界面的位置定位成豎直方向上溫度急劇變化的位置。該方法已經在許多不同的場景中使用，包括高度從10.8 m到32.8 m的縮尺模型和全尺寸試驗。將煙-空氣分界面高度定義為溫度比環境溫度高出最高溫升的N%處的高度，煙-空氣分界面處溫度計算如式(3)：

Ti-Tamb=(Tmax-Tamb)×N/100

(3)

式中：Ti為煙-空氣分界面處的溫度，℃；Tamb為環境溫度，℃；Tmax為豎直方向的最高溫度，℃；N表示煙氣層最高溫升比煙-空氣界面處的溫升高出的程度。

依據Gao等[23]研究，在地鐵站臺、隧道等狹長空間內N取值為30計算得出的煙氣層高度值符合實際，根據計算得出如圖9所示的煙氣層高度的N百分比法計算值。隨著工作壓力的增大，細水霧的霧化錐角及噴射距離都增大，霧幕覆蓋區不斷擴大。當施加細水霧幕后，由于水霧的吸熱冷卻作用，煙氣溫度快速降低，煙氣浮力隨之迅速減弱；與此同時霧滴動量會對熱煙氣產生向下的拖曳力，二者共同作用導致霧幕下方的煙氣沉降，形成“擁塞射流”，如圖9所示。隨后在煙氣回升的過程中會不斷卷吸下方新鮮空氣，因此霧幕后方煙氣層高度開始回升。

圖9 N百分比法煙氣層高度計算值Fig.9 Smoke layer height calculated by N percentage method

隨著工作壓力的增加，霧滴動量增加引起更強的拖曳力造成更大程度的煙氣沉降，圖10為煙氣沉降區的1.8 m煙氣高度觀測圖。結合圖9和圖10可知，隨著工作壓力的增大，煙氣層沉降愈發明顯，霧幕后方煙氣層高度明顯降低，當工作壓力為2.0 MPa時，霧幕后方的煙氣層高度低于1.8 m，將會影響人員安全疏散。因此，應綜合考慮細水霧幕對射流火焰以及煙氣的作用，選擇適當的工作壓力。

圖10 不同工作壓力下的1.8 m高度處煙氣沉降Fig.10 Smoke deposition at 1.8 m height under different working pressures

3 結論

1)影響細水霧幕阻火效果的主要因素是工作壓力，在較低工作壓力下細水霧幕不能抑制頂棚射流火焰的蔓延，當工作壓力達到2.0 MPa時，較大的霧滴動量能夠對頂棚射流火焰產生強烈擾動，導致霧幕作用區的火焰熄滅，抑制其水平蔓延。

2)單層布置的細水霧幕，其噴頭錐角間及水霧錐與頂棚間存在間隙，即使工作壓力升高至2.5 MPa時仍有射流火焰從間隙中穿過，因此在實際工程中應優先考慮多排細水霧幕，交錯布置。

3)細水霧的隔熱效率隨壓力的增加不斷改善，當工作壓力為2.5 MPa時，隔熱效率能達到0.75，表明細水霧幕能夠有效阻隔熱輻射，防止高溫煙氣對人體造成傷害。

4)細水霧幕的施加會引發煙氣擁塞現象，且隨著工作壓力的增大，煙氣沉降也愈發明顯。當工作壓力大于2.0 MPa時，霧幕后方煙氣高度低于1.8 m，可能會對人員疏散產生不利影響。因此，不宜將細水霧幕工作壓力設置過大。