通透性吊頂鏤空率對消防噴頭控火性能影響的數(shù)值模擬研究

鄒 超 袁中原 雷 波

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量地鐵站臺、購物商場等建筑如雨后春筍般出現(xiàn)。此類建筑通常采用通透性吊頂對建筑頂部進(jìn)行裝修，對建筑頂部的各類管道和線路起到一定遮擋和裝飾的作用。通常消防噴頭會安裝在通透性吊頂上方，通透性吊頂可能對消防噴頭啟動(dòng)以及控火性能造成不利影響。

李寧寧[1]等通過實(shí)驗(yàn)對安裝在格柵上下方的火災(zāi)探測器響應(yīng)情況與格柵鏤空比（即鏤空率）間的關(guān)系進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：鏤空比小于15%時(shí)格柵吊頂下方的探測器先報(bào)警，鏤空比為15%～30%是格柵吊頂上下方探測器出現(xiàn)交叉報(bào)警，鏤空比大于30%時(shí)格柵上方探測器先報(bào)警。李厚強(qiáng)[2]通過數(shù)值模擬的方式對通透性吊頂內(nèi)上下噴式噴頭的設(shè)計(jì)有效性進(jìn)行研究，結(jié)果表明：安裝通透性吊頂后噴頭啟動(dòng)將變慢，且會啟動(dòng)更多的噴頭當(dāng)噴頭啟動(dòng)后，因?yàn)橥ㄍ感缘蹴攲婎^水量的阻擋、分隔等影響，勢必將嚴(yán)重削弱噴頭的控火性能。張凱[3]通過實(shí)驗(yàn)對安裝通透性吊頂后噴頭的水量分布進(jìn)行研究，得出安裝通透性吊頂后，以噴頭為中心，半徑1m 內(nèi)的范圍內(nèi)，噴頭的噴水強(qiáng)度出現(xiàn)了不同程度的增大，而在半徑1.2m 之后的噴水強(qiáng)度則將小于無吊頂時(shí)的工況的結(jié)論；吳海燕[4]則通過實(shí)驗(yàn)得到不同形式的通透性吊頂對噴頭水量分布影響程度也不同的結(jié)論；岳海玲[5]、吳海燕[6]等就安裝格柵吊頂后消防噴頭的滅火性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明格柵吊頂對消防噴頭控火性能的削弱十分明顯。《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50084-2017 規(guī)定：裝設(shè)通透性吊頂?shù)膱鏊到y(tǒng)噴水強(qiáng)度應(yīng)按規(guī)范內(nèi)規(guī)定值的1.3 倍進(jìn)行設(shè)計(jì)[7]。但高兵等[8,9]通過試驗(yàn)得到結(jié)論：即使噴頭水量增大1.3 倍，消防噴頭的控火性能仍然難以達(dá)到未安裝吊頂時(shí)的控火性能。

目前，人們主要研究了通透性吊頂對消防噴頭保護(hù)范圍內(nèi)某一火源位置控火性能的影響，缺乏對噴頭整個(gè)保護(hù)范圍內(nèi)控火性能受通透性吊頂影響的相關(guān)研究。而實(shí)際上通透性吊頂會對噴頭保護(hù)范圍內(nèi)不同位置控火性能造成不同的影響。

為了得到通透性吊頂對消防噴頭保護(hù)范圍內(nèi)控火性能的影響，并總結(jié)噴頭保護(hù)范圍內(nèi)不同位置控火性能隨吊頂鏤空率的變化規(guī)律。本文采用FDS軟件，對采用通透性吊頂時(shí)，消防噴頭在其保護(hù)范圍內(nèi)控火性能隨吊頂鏤空率的變化進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

1 計(jì)算模型與工況

1.1 計(jì)算模型

《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50084-2017 規(guī)定：對于中危險(xiǎn)Ⅰ級場所，若噴頭按正方形布置，則噴頭間間距應(yīng)在1.8-3.6m，噴水強(qiáng)度不低于6L/(min·m2)。通常采用通透性吊頂?shù)膱鏊话愣紝儆谥形ｋU(xiǎn)Ⅰ級場所。本文研究噴頭正方形布置的情況，如圖1 所示。其中，abcd 為噴頭所在位置，R為單個(gè)噴頭保護(hù)半徑，L為噴頭安裝間距。

圖1 噴頭按正方形布置Fig.1 The sprinklers are arranged in square

一般來說，實(shí)際的場所的防火分區(qū)較大。為了簡化計(jì)算，取單個(gè)噴頭保護(hù)范圍建立數(shù)值計(jì)算模型，分別設(shè)置無吊頂和有吊頂兩種模型。本文研究的吊頂形式為鋁方管式通透性吊頂，吊頂自身寬100mm，厚度為50mm。在實(shí)際工程應(yīng)用當(dāng)中，通透性吊頂鏤空率ε一般在30～70%。因此分別設(shè)置吊頂間間距為50、100、150、250mm 的通透性吊頂，對應(yīng)鏤空率分別為33%、50%、59%、70%。噴頭安裝在頂板下方100mm 處，距吊頂上表面的高度為600mm，模型生成情況如圖2 所示。

圖2 模型生成圖Fig.2 Diagrams of model generation

如圖3 所示，在噴頭的保護(hù)范圍內(nèi)分別設(shè)置A、B、C 三個(gè)不同位置的火源。中心火源位置A 位于噴頭正下方，邊緣火源位置C 靠近噴頭保護(hù)范圍邊緣，中間火源位置B 位于A 與C 中間。觀察噴頭在不同火源位置的控火性能。

圖3 火源位置設(shè)置情況Fig.3 Setting of fire source position

1.2 模型參數(shù)與計(jì)算工況

按照規(guī)范噴水強(qiáng)度不低于6L/(min·m2)，噴頭間距取3.6m，即圖1 中矩形abcd 的邊長L為3.6m。每個(gè)噴頭有1/4 的水量灑在abcd 范圍內(nèi)，噴頭流量可根據(jù)式（1）[10]計(jì)算得到噴頭流量q≥77.8L/min，取q=80L/min。

噴頭采用K=80 的標(biāo)準(zhǔn)流量噴頭，此時(shí)需要在FDS 中設(shè)置噴頭的工作壓力P，可按照式（2）計(jì)算得到：

式中：K為流量系數(shù)，L/(min·bar0.5)；P為噴頭工作壓力，MPa。

噴頭的工作壓力P=0.1MPa。而采用通透性吊頂后，噴頭流量q增加至104L/min，噴頭工作壓力P為0.17MPa。

根據(jù)《建筑給水排水工程》[11]中給出的噴頭最大保護(hù)半徑R計(jì)算公式（3）：

計(jì)算得到單個(gè)噴頭的最大保護(hù)半徑R=2.55m，模型尺寸則根據(jù)單個(gè)噴頭的最大保護(hù)半徑適當(dāng)增大，長寬設(shè)置為5.4m×5.4m，高度設(shè)置為4.3m。

火源設(shè)置為油池火，采用復(fù)雜熱解模型，燃料為正庚烷，相關(guān)熱物性參數(shù)如表1 所示。根據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB 51251-2017[12]：公共場所的火災(zāi)熱釋放速率在噴淋有效啟動(dòng)時(shí)設(shè)置不應(yīng)小于2.5MW。取油池尺寸大小為1m×1m 時(shí)，火源熱釋放速率約為3MW，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 正庚烷熱物理參數(shù)Table 1 Thermophysical parameters of n-heptane

模擬計(jì)算工況設(shè)置分為兩組，分別是無吊頂組和有吊頂組。無吊頂組設(shè)置4 個(gè)計(jì)算工況：分別為3 個(gè)火源位置有噴淋工況和1 個(gè)無噴淋油池自由燃燒工況。有吊頂組研究了4 種吊頂通透率、3 個(gè)火源位置、2 個(gè)噴頭流量（80L/min、104L/min）等情況下，共設(shè)置了24 個(gè)計(jì)算工況，工況參數(shù)設(shè)置如表2 所示。

表2 不同位置噴水強(qiáng)度Table 2 Water density at different fire source positions

表2 工況參數(shù)設(shè)置Table 2 Working condition parameter setting

模型采用多重網(wǎng)格，吊頂區(qū)域網(wǎng)格大小為0.05m×0.05m×0.05m，其他區(qū)域網(wǎng)格大小為0.1m×0.1m×0.1m，總網(wǎng)格數(shù)為166212。模型四周采用開放邊界，室內(nèi)初始壓力為大氣壓，初始風(fēng)速0m/s，初始溫度為20℃。

噴頭采取手動(dòng)開啟方式，于模擬開始150s 時(shí)開啟。

2 噴頭控火性能評價(jià)指標(biāo)

噴頭對火災(zāi)的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是撲滅火災(zāi)；二是抑制火災(zāi)，延緩火災(zāi)的發(fā)展。通常情況下，噴頭啟動(dòng)后短時(shí)間內(nèi)很難將火災(zāi)直接撲滅，更多的是抑制火災(zāi)。本文將采用火源位置的噴水強(qiáng)度和火源熱釋放速率兩個(gè)指標(biāo)來評價(jià)噴頭的控火性能。

（1）噴水強(qiáng)度

噴頭啟動(dòng)后，當(dāng)液滴與火焰接觸時(shí)，液滴能迅速與火焰進(jìn)行熱交換并汽化吸熱，降低火焰的溫度。噴水強(qiáng)度是指單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)火源表面單位面積上的平均水量，噴水強(qiáng)度越大，噴頭的控火性能越好。噴水強(qiáng)度可根據(jù)式（4）計(jì)算：

式中：I為噴水強(qiáng)度，L/(min·m2)；Δm為某一時(shí)間段內(nèi)水量增量，kg；Δt為時(shí)間增量，s；ρw為水的密度，取1kg/dm3；A為火源表面積，m2。

（2）熱釋放速率

熱釋放速率是指單位時(shí)間內(nèi)火源所釋放的熱量。熱釋放速率越大意味著火災(zāi)危險(xiǎn)程度越高，越容易引燃周圍可燃物。因此可以通過觀察噴頭啟動(dòng)后火源熱釋放速率的變化來判斷此時(shí)噴頭的控火性能。

3 結(jié)果與討論

3.1 噴水強(qiáng)度

噴頭水量穩(wěn)定后的水量分布情況如圖4 所示，從圖4（a）可以看到，無吊頂時(shí)，噴頭水量分布比較均勻，覆蓋范圍較大；從圖4（b）則可以看出，安裝通透性吊頂后，吊頂對噴頭的水量產(chǎn)生了聚集效應(yīng)，使得噴頭水量主要集中在噴頭的中心位置，噴頭的水量分布均勻性與覆蓋范圍明顯減小。

圖4 無、有吊頂情況下噴頭水量分布Fig.4 Water distribution of sprinkler without and with gird ceiling

表2 是不同火源位置處噴水強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果。從表2 可見，無論有、無吊頂，噴水強(qiáng)度分布均是中心位置A 最大、中間位置B 次之、邊緣位置C最小。在噴頭流量為80L/min 的情況下，與無吊頂工況相比，安裝通透性吊頂后位置A 處噴水強(qiáng)度顯著增加，位置B 處變化不大，而位置C 明顯減小。這表明通透性吊頂對噴頭的水量分布產(chǎn)生了從邊緣向中心的“聚集效應(yīng)”。隨著吊頂鏤空率的增大，這種聚集效應(yīng)的程度相應(yīng)減弱。水量分布的聚集效應(yīng)將削弱噴頭在邊緣位置的控火性能。從表2的計(jì)算結(jié)果也可以看出，按規(guī)范將噴頭水量增大1.3 倍后，各種鏤空率下不同火源位置處的噴水強(qiáng)度也相應(yīng)增加，但鏤空率小于70%時(shí)，邊緣位置C處的噴水強(qiáng)度仍小于無吊頂時(shí)的工況；吊頂鏤空率為70%時(shí)，I=2.8L/(min·m2)，大于無吊頂工況的2.6L/(min·m2)。

3.2 熱釋放速率

圖5 是無吊頂時(shí)不同火源位置熱釋放速率隨時(shí)間變化曲線圖。從圖可以看到無噴淋時(shí)火源在大概70s 時(shí)熱釋放速率達(dá)到最大值接近3MW，以3MW 穩(wěn)定燃燒近200s 后，于350s 燃料燃燒殆盡，火源熱釋放速率下降達(dá)到最低值。而有噴淋（q=80L/min）的工況，噴頭于150s 啟動(dòng)后，三個(gè)位置處火源的熱釋放速率均迅速下降，噴頭控火性能良好。但可以看到位置C 處火源熱釋放速率達(dá)到最低值的時(shí)間要略長于A、B 兩處。

圖5 無吊頂時(shí)不同火源位置熱釋放速率變化Fig.5 Heat release rate changes at different fire source positions without gird ceiling

當(dāng)噴頭流量q分別為80 和104L/min 時(shí)，計(jì)算得到不同吊頂鏤空率下邊緣位置C 處的火源熱釋放速率變化曲線，如圖6 所示。從圖6（a）可見，當(dāng)噴頭流量為80L/min 時(shí)，與無吊頂工況相比，各個(gè)吊頂鏤空率下噴頭啟動(dòng)后火源熱釋放速率下降速度均有所減慢。吊頂鏤空率為33%和50%時(shí)，火源熱釋放速率將分別保持在2400kW 和360kW 穩(wěn)定燃燒；吊頂鏤空率為59%和70%時(shí)，火源熱釋放速率降至最低值的時(shí)間也明顯延長。從圖6（b）可見，噴頭流量增大至104L/min 后，各個(gè)吊頂鏤空率下，火源熱釋放速率下降速度有所加快。吊頂鏤空率為33%、50%和59%時(shí)，火源熱釋放速率均不同程度地比無吊頂工況要慢，表明噴頭控火性能受到削弱；吊頂鏤空率為70%時(shí)，火源熱釋放速率曲線變化情況與無吊頂工況基本一致，表明控火性能基本相同。

圖6 邊緣位置C 處火源熱釋放速率變化曲線Fig.6 Change curves of heat release rate of fire source at position C

4 結(jié)論

本文針對一種通透性吊頂采用正方形布置時(shí)，噴頭在其保護(hù)范圍內(nèi)的水量分布和控火性能進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到以下結(jié)論：

（1）與無吊頂工況相比，通透性吊頂會對噴頭的水量產(chǎn)生向噴頭中心聚集的聚集效應(yīng)，使得噴頭保護(hù)范圍中心位置噴水強(qiáng)度增大，而其保護(hù)范圍中間和邊緣位置噴水強(qiáng)度減小。聚集效應(yīng)的程度會隨著吊頂鏤空率的增大而減弱，即噴頭保護(hù)范圍中心位置噴水強(qiáng)度隨吊頂鏤空率的增大而減小、邊緣位置噴水強(qiáng)度則隨吊頂鏤空率的增大而增大。

（2）增大1.3 倍噴頭水量后，噴頭保護(hù)范圍內(nèi)的噴水強(qiáng)度均相應(yīng)增大。在噴頭保護(hù)范圍的邊緣位置，當(dāng)?shù)蹴旂U空率小于70%時(shí)，噴水強(qiáng)度和火源熱釋放速率下降速度仍小于無吊頂工況，噴頭控火性能較無吊頂時(shí)要差；吊頂鏤空率達(dá)到70%后，邊緣位置噴水強(qiáng)度大于無吊頂工況，控火性能與無吊頂工況基本相同，控火性能隨吊頂鏤空率的增大而增強(qiáng)。