細水霧工作壓力對綜合管廊火場溫度與煙氣運移影響

摘" 要：為探究細水霧壓力對綜合管廊火災溫度場和煙氣的影響，

通過搭建1∶6縮尺管廊試驗臺，采用流量系數為3的細水霧噴頭，設計了5種不同細水霧工作壓力下的管廊火災試驗，對比分析5種工況下的管廊火災溫度場和煙氣的變化規律。

結果表明：適當增加噴霧壓力能夠提高細水霧的滅火效率，且隨著細水霧壓力的增加，管廊內煙氣溫度先大幅下降后緩慢降低，煙氣流速減慢，煙氣層高度下降；細水霧壓力為2 MPa時，煙氣溫度比無細水霧時提前達到峰值，且峰值大幅降低，當壓力達到4 MPa以后，溫度峰值下降趨勢變緩；溫度分布呈逐漸衰減趨勢，橫向上火源中心處溫度最高；在豎向上，距頂棚越近溫度越高；不同細水霧壓力作用下管廊頂棚橫向溫度分布和豎向溫度分布均與指數模型擬合良好，通過指數模型能夠預測出不同細水霧壓力作用下的頂棚橫向溫度和豎向溫度；

壓力為3 MPa時，細水霧對火災的抑制作用和對煙氣的排出效率均較高，設定細水霧壓力參數時不應過大，以保證對煙氣影響較小的基礎上完成對火災的抑制降溫。

研究結果為實際管廊細水霧滅火系統的設計優化和提高排煙效率提供參考。

關鍵詞：綜合管廊；細水霧；滅火效率；溫度分布；煙氣蔓延

張玉濤，劉銳，李亞清，等.

細水霧工作壓力對綜合管廊火場

溫度與煙氣運移影響

［J］.西安科技大學學報，2024，44（4）：639-648.

ZHANG Yutao，LIU Rui，LI Yaqing，et al.

The effect of fine water mist working pressure on the temperature and

smoke transportation in the utility tunnel

［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2024，44（4）：639-648.

收稿日期：2024-02-20

基金項目：

國家自然科學基金項目（51974235）；國際科技合作計劃項目（2022KW-28）

通信作者：

張玉濤，男，山東煙臺人，教授，博士生導師，E-mail：ytzhang@xust.edu.cn

中圖分類號：TU 998.1

文獻標志碼：A

文章編號：1672-9315（2024）04-0639

-10

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2024.0403開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

The effect of fine water mist working pressure on the temperature and

smoke transportation in the utility tunnel

ZHANG Yutao，LIU Rui，LI Yaqing，ZHANG Yuanbo，YANG Jie

（College of Safety Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China）

Abstract：

In order to investigate the effect of fine water mist pressure on the temperature field and smoke of the utility tunnel fires，through the construction of 1：6 scaled corridor test bed，using the flow coefficient of 3 of the fine water mist nozzle，the design of the corridor fire test under five different fine water mist working pressure，comparative analysis of the corridor fire temperature field and smoke under the five conditions of the pattern of change of temperature field and smoke.The results show that：properly increasing the spray pressure can improve the fire extinguishing efficiency of the water mist，and with the increase in the pressure of the water mist，the flue gas temperature in the tunnel first greatly reduces and then slowly decreases，the flue gas flow rate slows down，and the height of the flue gas layer drops.When the pressure of fine water mist is 2 MPa，the flue gas temperature peaks earlier than when there is no fine water mist，and the peak value is greatly reduced;when the pressure reaches 4 MPa，the peak temperature decreases more slowly.In addition，it is found that the temperature distribution in the horizontal direction shows a gradual decay trend，with the highest temperature at the center of the fire source; in the vertical direction，the closer to the roof，the higher the temperature.The horizontal and vertical temperature distribution of the roof of the utility tunnel under different fine water mist pressures are well fitted with the exponential model，and the exponential model can predict the horizontal and vertical temperatures of the roof under different fine water mist pressures.Based on comprehensive analysis，the pressure of 3 MPa，fine water mist on the fire suppression and smoke discharge efficiency are higher，set the fine water mist pressure parameters should not be too large to ensure that the smoke has less impact on the basis of the completion of the fire suppression and cooling.The results provide a reference for the optimization of the design of water mist fire extinguishing systems and the improvement of smoke evacuation efficiency in utility tunnel.

Key words：utility tunnel;water mist;fire extinguishing efficiency;temperature distribution;smoke spread

0" 引" 言

城市地下綜合管廊建設作為“十四五”期間城市管道更新改造的重要形式，綜合管廊建設力度和政策支持力度將持續加大［1］。隨著管廊應用率增加，相應的火災安全隱患也在增多，高壓細水霧技術是目前綜合管廊常用的消防滅火技術之一，有著綠色環保、滅火高效、維護成本低等優點，在綜合管廊消防滅火中有著顯著效果

［2］。壓力參數是影響細水霧滅火效果的重要參數，因此，研究不同細水霧壓力對火災溫度場和煙氣蔓延特性的影響對綜合管廊火災防控有著積極的意義。

細水霧技術應用于綜合管廊對火災的滅火影響引起國內學者的廣泛關注。徐揚等比較了水噴霧滅火系統、氣體滅火系統、高壓細水霧滅火系統在電纜溝應用的優缺點，并通過全尺寸模擬驗證了高壓細水霧的有效性［3］；寇殿良等將高壓細水霧系統應用于綜合管廊中，并優化了綜合管廊中細水霧滅火系統的設計［4］；張杰等研究了細水霧對綜合管廊煙氣的影響，發現細水霧能有效降低管廊頂棚溫度［5

-6］；YANG等采用大渦模擬方法研究了綜合管廊高壓細水霧系統的滅火效能，發現細水霧可以控制火勢發展或滅火［7］；LIU等采用多參數方法研究細水霧和噴淋系統在不同操作條件下的效率和有效性，發現細水霧系統的水利用率比噴淋系統提高了37倍

［8］；徐紹亮通過細水霧幕作用對狹長空間煙氣特性和疏散時間的影響展開了研究［9］；徐大軍基于管廊試驗臺對比了細水霧全淹沒和局部滅火方式的滅火效果，提出了兩者的適用場合［10］。

在上述研究基礎上，學者們從細水霧參數對管廊火災影響展開研究。細水霧粒徑方面：薛少謙等、陳炳元等和張華杰開展了綜合管廊內細水霧粒徑對滅火效果的影響，發現50～100 μm滅火效果較好［11-14］。噴頭角度方面：陳雅惠等研究了噴頭角度對滅火效果的影響，提出噴頭角度安裝成50°較好［15］。噴頭間距方面：黃萍通過數值模擬研究細水霧噴頭間距對滅火性能的影響，發現電纜著火長度隨著噴頭間距的增大而減小［16］。噴頭孔徑方面：GEUN等通過改變噴嘴孔徑發現對熱輻射衰減的性能影響顯著［17］。壓力對管廊火災影響方面：蔡昕等研究了不同環境壓力下的噴霧特性，發現環境壓力會改變霧場分布但不會影響流量系數［18］；吳亞倩等通過數值模擬試驗發現細水霧壓力能夠提高滅火效果［19］；JIA等驗證了低壓細水霧系統在綜合管廊電纜火災中滅火的有效性，并發現壓力和噴嘴流量系數對滅火效果的影響顯著［20］。然而，上述研究中均未建立細水霧作用下管廊內溫度衰減預測模型

［21-22］。針對細水霧壓力參數對火災溫度及煙氣影響的研究，GERARD等分別通過高、中、低壓細水霧的滅火試驗建立了一種預測細水霧系統效率的準穩態模型［23］；房玉東等、喬林等、陳慶等、SHRIGONDEKAR等和LIU等通過數值模擬進行不同細水霧壓力試驗，得到了不同壓力細水霧作用下火災溫度及煙氣的變化規律［24-28］。

前人在細水霧參數影響其滅火效能方面做了大量研究，但在細水霧壓力對綜合管廊火災情境下的火災特性影響研究尚不充足，細水霧壓力對管廊火災煙氣及溫度的影響仍缺少試驗驗證。通過建立1∶6的縮尺寸管廊，研究5種細水霧壓力作用下管廊內溫度場和煙氣的變化，綜合分析出細水霧壓力對管廊火災特性的影響，并得出細水霧最佳壓力參數，研究結果

為綜合管廊細水霧滅火技術的應用提供參考。

1" 試驗概況和參數設定

1.1" 試驗臺裝置參數介紹

試驗考慮到小尺寸具有經濟性較高和破壞性較小的特點，依據西安某綜合管廊斷面尺寸（寬×高）為2.8 m×3 m，以1∶6比例建立50 cm×50 cm×150 cm的縮尺寸試驗臺。根據GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術規范》，管廊通風方式分為自然通風和機械通風，選用自然通風方式展開研究［29］。綜合管廊設計通風區間與防火分隔一致，并設常閉防火門，故在管廊頂部設通風口，通風口距火源60 cm，參照實際尺寸按比例縮放至20 cm×20 cm。廊壁采用耐高溫石英玻璃，試驗過程中管廊兩端封閉。

試驗系統裝置包括綜合管廊縮尺寸試驗臺、火源裝置、排煙裝置、噴淋裝置和溫度監測裝置等。試驗主要研究細水霧在不同工作壓力作用下的管廊溫度場與煙氣運移規律，且煙氣運移研究主要體現為煙氣的縱向蔓延與煙氣層高度，因此，忽略電纜層的火焰蔓延和因電纜橋架影響的煙氣蔓延因素。燃料選用發煙量較多的柴油，以便于測試煙氣流動特征；火源裝置選用直徑為10 cm圓形油盤，柴油量為0.25 L，經計算火源功率為1.5 kW，對應實際火源功率約為0.1 MW，將其沿軸線放置于距入口35 cm的位置；噴頭設置在距火源45 cm的頂棚軸線處。

根據GB 50898—2013《細水霧滅火系統技術規范》中對熱電偶布置位置的建議，熱電偶測點橫向布置于距頂棚5 cm處，間隔30 cm，均勻分布在管廊頂棚中心軸處；為測量煙氣在細水霧作用后的溫度豎向變化，將熱電偶測點豎向布置于火源60 cm處，間隔10 cm；為測量煙氣在細水霧作用后的流速變化，煙氣風速分析儀布置在距右端55 cm處，且在中心軸線上，距頂部5 cm，風速儀測量煙氣方向為自左向右；為測量煙氣層高度，選用視頻錄像結合熱電偶溫度變化的測量方法。試驗選取3組重復性試驗結果中誤差最小的數據展開分析論證。試驗系統整體裝置如圖1所示。

1.2" 細水霧參數設定

GB 50898—2013《細水霧滅火系統技術規范》規定，系統響應時間不大于30 s，故選取細水霧系統響應時間為20 s。以細水霧壓力為變量，試驗噴頭選用由山東然源定制的型號為XSW-T 3.0的單流體噴頭，細水霧相關參數見表1。

2" 結果與討論

2.1" 溫度時序變化規律

管廊火災發展規律分為：初期發展階段、全面發展階段、充分燃燒階段、衰減階段。煙氣溫度時序變化規律與火災各階段發展規律緊密相關［30］。

圖2為不同細水霧壓力作用下管廊內橫向各測點溫度變化。從圖2可以看出，以無細水霧為例，火災在前20 s處于初期發展階段，到200 s時處于全面發展階段，隨后達到一個較穩定的狀態，進入充分燃燒階段，780 s左右后溫度開始衰減，此時進入衰減階段。細水霧作用后各測點煙氣溫度隨著時間的增長顯著降低，火災衰減階段提前。

由不同細水霧壓力作用下橫向各測點的溫度變化可知，隨著細水霧壓力的增大，煙氣溫度峰值在逐漸減小，4 MPa壓力作用下溫度下降最為顯著，當壓力達到4 MPa后，繼續增大細水霧壓力對煙氣溫度峰值下降趨勢的影響逐漸減弱，結論與前人研究結果一致［31］，原因是噴霧壓力與顆粒直徑呈反比［32］，即噴霧的壓力越大，噴霧的液滴尺寸則越小，管廊冷卻降溫效果越好，此后若繼續增大細水霧壓力，液滴粒徑尺寸受自身因素難以繼續減小，溫度下降變得緩慢。另一方面，各橫向測點溫度峰值在L2測點處最高，這是因為L2測點位于火源正上方火羽流及煙氣發生頂棚射流的位置，在無細水霧作用時，所測溫度在200 s達到最高，最高溫度為151 ℃；在細水霧壓力分別是2，3，4，5

MPa作用下，各煙氣溫度峰值分別為：104.50，66.25，51.55，46.30 ℃。隨著距火源距離的增加，溫度逐漸衰減，距火源90 cm的L5測點處溫度峰值最低。

圖3為不同細水霧壓力作用下管廊內豎向各測點溫度變化。從圖3可以看出，管廊煙氣溫度在細水霧的作用下隨著時間的增長顯著降低，且細水霧的作用對管廊上層煙氣溫度影響更為顯著，即溫度峰值在距離頂棚5 cm處最大，45 cm處最小。這是因為火災煙氣

從火源上方到達管廊頂棚處與頂棚發生碰撞，由碰撞處向周圍蔓延，煙氣首先會聚集在管廊上層，而細水霧霧滴會先作用于上方煙氣層，煙氣溫度在上層位置降溫顯著。由豎向各測點溫度變化可知，煙氣溫度隨著壓力的增大呈現出逐漸降低的趨勢，直到細水霧壓力為4 MPa和5 MPa時，溫度下降趨勢變得緩慢，這同樣說明噴霧的壓力越大，管廊冷卻降溫效果越好，但壓力增大到一定數值時液滴粒徑尺寸受自身因素影響降溫效果不再顯著，增大壓力改變液滴粒徑將變得不再有意義。例如，距頂棚5 cm處測點（豎向L4），無細水霧作用時最高溫度可以達到103.9 ℃，經2，3，4，5 MPa細水霧壓力作用之后，溫度峰值分別為58.3，47.2，34.8，33.0 ℃。

2.2" 溫度分布特征

圖4為不同壓力細水霧作用下各火災發展階段的溫度橫向分布和細水霧降溫比變化規律。圖4中的柱狀圖分別是40，200，400，800 s時的溫度橫向分布，由2.1可知管廊火災在200 s時剛進入全面發展階段，400 s時處于一個較穩定的狀態，780 s開始進入到衰減階段。不同壓力細水霧作用下溫度橫向分布變化趨勢大致相同，隨著測點距火源距離的增加，溫度橫向分布呈現出逐漸衰減的趨勢，且在火源附近衰減較快，煙氣溫度在距離火源位置越近，溫度值越高，并在火源正上方L2測點處溫度峰值達到最大，在距火源45 cm的L5處測點溫度峰值最小。壓力為5 MPa時的溫度峰值最小。這是因為火羽流在熱浮力作用下首先到達了火源上方頂棚處，隨后煙氣向周圍擴散，即出現了射流現象，煙氣在向周圍擴散的同時會卷吸管廊內的冷空氣，并受到不同壓力細水霧冷卻和抑制的作用，使得煙氣溫度顯著下降，煙氣卷吸現象在靠近火源位置處最為顯著，因此在火源正上方處的溫度最高，且靠近火源位置的溫度衰減較快。

圖4中點線圖分別為40，200，400，800 s時細水霧不同壓力作用下的橫向降溫百分比變化。從圖4可以看出，在不同火災發展階段中溫度降溫百分比在5 MPa時最大，且在200，400 s時較顯著。這說明，不同細水霧壓力在火災發展階段和衰減階段均可以達到滅火降溫的效果，當火災發展進

入穩定階段，隨著壓力的增加，降溫效果則越顯著。

圖5中的柱狀圖為40，200，400，800 s時的管廊溫度豎向分布。從圖5可以看出，不同壓力細水霧作用下溫度豎向分布規律大致相同，隨著豎向距離的增加，溫度豎向分布呈現逐漸升高的趨勢，溫度峰值在距頂棚5 cm測點處達到最高，在距頂棚45 cm的H4測點處溫度峰值最小，且在距離頂棚附近時豎向溫度衰減較快。這是因為在管廊內煙氣卷吸冷空氣的同時細水霧霧滴也作用于熱煙氣，導致溫度顯著下降，熱浮力減小，煙氣發生降沉，煙氣層厚度不斷增加，細水霧壓力對溫度的影響顯著。例如，200 s時的溫度豎向分布中，無細水霧作用下溫度最大值出現在距頂棚5 cm處，溫度

為106.22 ℃；當細水霧壓力分別為2，3，4，5 MPa時，

溫度最大值分別為68.59，57.74，41.46，43.46 ℃，細水霧對上層煙氣溫度降溫更為顯著，且煙氣溫度隨著細水霧壓力的增大而下降。

圖5中的點線圖分別為40，200，400，800 s時細水霧不同壓力作用下的豎向降溫百分比變化。從圖中可以看出，4個火災發展階段中，細水霧作用40 s時的豎向煙氣溫度降溫比最??；細水霧作用800 s時，豎向煙氣溫度降溫比最大。同時，不同壓力細水霧作用下，距頂棚5 cm處降溫百分比均大于其他位置處的降溫百分比。這是因為，發生頂棚射流后的煙氣先沿著頂棚縱向蔓延，靠近頂棚處溫度較高，且細水霧優先作用于上層煙氣，對頂棚周圍煙氣降溫效果顯著。隨著細水霧壓力的增大，降溫比例逐漸增大，對火災的抑制和冷卻越顯著。在5 MPa時細水霧降溫比最大，且細水霧在距頂棚附近處的降溫比較大，隨著距頂棚的距離越大，降溫百分比越無顯著差異。

為進一步研究不同細水霧壓力下溫度分布規律，DELICHATSIOS等基于固定火源對頂棚下方溫度衰減建立了一個指數表達式［33］。還有學者從熱釋放速率、縱向風速、幾何形狀等方面提出了頂棚最大溫升及溫度分布的經驗模型［34-37］，但在細水霧不同壓力影響下的溫度分布方面目前研究較少?；谇叭说难芯浚Y合橫向測點L1～L5和豎向測點L4、H1～H4擬合分析出不同細水霧壓力作用下管廊溫度分布的經驗公式。

圖6為橫向、豎向溫度分布非線性擬合結果，選取了火災發展較為穩定階段400 s時的橫向、豎向溫度分布進行擬合。從圖6可以看出，在不同壓力作用下煙氣溫度分布規律與指數模型擬合良好，不同細水霧壓力作用下的溫度橫向分布擬合相關系數最大為

0.923；不同細水霧壓力作用下的溫度豎向分布擬合相關系數最大為0.988，故結果

可以較好地預測出不同細水霧壓力作用下管廊煙氣溫度分布變化規律。

表2為細水霧不同壓力作用下管廊內溫度橫向衰減相關系數。由表2可知，綜合管廊火災不同

細水霧壓力作用下管廊內橫向溫度衰減與指數模型擬合良好，擬合函數能夠預測出不同壓力細水霧作用下溫度橫向分布及溫度衰減規律。擬合函數為

TL=y0+Ae［-0.5（x-xcw）2］（1）

式中" TL為管廊橫向溫度，℃；x為距火源距離，cm；y0，A，xc，w均為經驗常數。

表3為細水霧不同壓力作用下管廊內溫度豎向分布相關系數。由表3可知，綜合管廊火災不同細水霧壓力作用下，管廊內豎向溫度衰減與指數模型擬合良好，且溫度豎向相關系數與細水霧壓力之間的擬合關系呈線性相關。擬合函數為

TH=e（a+bx+cx2）

（2）

其中

a=3.411+0.067Pz

（3）

b=0.004Pz-0.026

（4）

c=（0.892+1.2Pz）×10-4

（5）

式中：TH為管廊豎向溫度，℃；Pz為不同細水霧壓力，MPa。

2.3" 綜合管廊內煙氣運移特性

圖7為不同壓力細水霧作用下的煙氣流速變化。從圖7可以看出，隨著細水霧壓力的改變會不同程度地影響煙氣流速，具體規律為隨著壓力的增大，煙氣流速逐漸減小。這是因為，細水霧作用后破壞了管廊原有的自然通風氣體的流動規律，隨著施加的細水霧壓力的增大，會進一步改變管廊內部環境流體的流動規律，從而導致管廊排煙速度減緩。這也說明了煙氣的流動隨著細水霧的壓力增大而減慢，并阻礙了煙氣的排出。當壓力在2 MPa和3 MPa時，煙氣流速受細水霧作用的影響較小，且兩者流速大小接近，流速最大值分別為0.782 m/s和0.781 m/s；當壓力在4 MPa和5 MPa時，煙氣流速受細水霧作用的影響較大，煙氣流速最大值分別為0.676 m/s和0.667 m/s。在設置細水霧壓力時應考慮到對空氣流速有較小的影響，當煙氣流速減慢，管廊內將迅速積滿煙氣。因此，為減少細水霧對管廊內的空氣流速影響，建議優先選用3 MPa的細水霧壓力。

圖8為不同細水霧壓力作用下煙氣層高度變化，對比煙氣層高度變化可知，不同壓力細水霧作用下的煙氣層高度變化趨勢相似。隨著細水霧壓力增大，管廊煙氣層高度呈現出逐漸下降的趨勢，這說明發生火災后，煙氣會迅速蔓延至整個管廊內部，細水霧作用后并不能改變煙氣蔓延的整體趨勢，只會加快或減慢煙氣蔓延至整個管廊的速度

［38］。同時，細水霧的作用會破壞管廊內原有的煙氣運動規律，并將形成的煙氣層打散，從而破壞了煙氣層的形成。隨著細水霧壓力的增大，煙氣層被打散的效果越明顯，煙氣層下降則越快。細水霧壓力分別在無細水霧和2，3，4，5 MPa時的平均煙氣層高度分別是0.220，0.210，0.200，0.185，0.175 m。經試驗結果分析，選取細水霧壓力為3 MPa較為適合。

3" 結" 論

1）根據溫度時序變化可以將火災發展分為4個階段，且溫度隨著細水霧壓力的增大而呈現逐漸下降的趨勢，壓力增大至4 MPa之后下降趨勢減緩，為管廊細水霧壓力選取提供理論參考。

2）溫度橫向分布在距火源中心處溫度最高，且靠近火源處溫度衰減較快；溫度豎向分布隨著距離的增加溫度越高，且降溫百分比隨著細水霧壓力的增大而增大。細水霧不同壓力下的溫度分布經驗公式為實際管廊溫度預測模型提供了參考。

3）細水霧壓力的增大會影響煙氣流速減慢，使煙氣大量聚集在管廊內。細水霧壓力為3 MPa作用時，對火災抑制和煙氣排出的效率均較顯著。

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（責任編輯：高佳）