噴頭間距對(duì)城市隧道細(xì)水霧滅火的影響研究*

張 杰，吳尚紅，楊 猛，熊 正

(1.油氣消防四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611731；2.威特龍消防安全集團(tuán)股份公司，四川 成都 611731)

0 引言

為減少城市道路用地、縮短行車?yán)锍?、疏?dǎo)交通，城市交通隧道在世界各國呈現(xiàn)集聚增長趨勢(shì)[1]。然而隧道內(nèi)一旦發(fā)生火災(zāi)，將會(huì)造成極大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。細(xì)水霧滅火系統(tǒng)具有氣體滅火和水滅火的雙重優(yōu)點(diǎn)，并因環(huán)保、高效、無污染等特點(diǎn)而逐漸在城市隧道消防建設(shè)中被推廣[2]。

近年來，針對(duì)隧道、綜合管廊和大空間內(nèi)細(xì)水霧設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)滅火效果的影響，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，李濤等[3]通過隧道滅火實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，細(xì)水霧噴嘴壓力超過某一臨界值時(shí)會(huì)出現(xiàn)水霧和燃料的揚(yáng)沸，從而產(chǎn)生火焰強(qiáng)化現(xiàn)象；吳國鑫[4]通過隧道內(nèi)細(xì)水霧不同工作壓力下的滅火實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，壓力越高，耗水量越低，滅火時(shí)間越短；張培紅等[5]認(rèn)為，隧道中火源位于細(xì)水霧噴頭正下方時(shí)滅火效果最好，細(xì)水霧噴射角度增加為30°～90°時(shí)滅火效果改善；Prasad等[6-8]分析了粒徑、噴射位置等參數(shù)對(duì)細(xì)水霧滅火的影響，發(fā)現(xiàn)在大封閉空間內(nèi)，細(xì)水霧從頂部噴射時(shí)滅火時(shí)間最短；孫瑞雪[9]通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，綜合管廊內(nèi)噴頭間距≥6 m時(shí)細(xì)水霧無法有效撲滅管廊線纜火災(zāi)，而間距小于3 m時(shí)可有效滅火，但該研究對(duì)此未作深入分析。綜上可知，目前關(guān)于城市隧道內(nèi)噴頭間距對(duì)細(xì)水霧滅火效果影響的研究十分有限。此外， 《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70-2-2014)[10]中沒有對(duì)細(xì)水霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)的規(guī)定；美國《Standard Water Mist Fire Protection Systems》(NFPA750-2010)[11]提出噴嘴間距限制為：噴嘴之間的最小距離和最大距離均應(yīng)符合制造商列表，但該標(biāo)準(zhǔn)沒有給出制造商列表；《細(xì)水霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(GB 50898-2013)[12]僅規(guī)定了電纜隧道的最大噴頭布置間距為3 m，而未對(duì)交通隧道作出規(guī)定?？梢?，目前國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對(duì)城市隧道中細(xì)水霧噴頭間距的規(guī)定并不明確?；诖?，本文進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)及FDS數(shù)值模擬，驗(yàn)證噴頭間距對(duì)溫度、煙氣密度分布特征，并確定最佳噴頭布置間距，為城市隧道細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 滅火實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)隧道尺寸為30 m×6 m×5 m(長×寬×高)，壁面為耐火混凝土，兩端自然開口；細(xì)水霧發(fā)生裝置主要包括水箱及補(bǔ)水裝置、細(xì)水霧泵組、控制臺(tái)柜、管網(wǎng)、細(xì)水霧噴頭等；測(cè)控儀器主要包括流量計(jì)、壓力計(jì)、熱電偶、秒表、高速攝像機(jī)等。

油盤大小為1 m×1 m×0.1 m(長×寬×厚)，壁厚5 mm，置于隧道中心地面處。燃燒物為1 MW的0#柴油，熱電偶布置于油盤正上方1，2，3，4 m及隧道頂棚處，分別編號(hào)為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ。參考GB 50898-2013，細(xì)水霧噴頭按2列布置，如圖1所示，高度4.5 m，流量特征系數(shù)K為1.0，流量為10 L/min。實(shí)驗(yàn)工況共設(shè)4種，噴頭縱向間距分別為1，2，3，4 m，其他實(shí)驗(yàn)條件相同。自點(diǎn)火開始計(jì)時(shí)，預(yù)燃60 s后噴細(xì)水霧。

圖1 隧道橫截面噴頭布置Fig.1 Layout of tunnel cross section sprinkler head

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

高清攝像機(jī)拍攝的滅火過程顯示，4種噴頭間距的細(xì)水霧要使隧道油池火完全熄滅較為困難，但對(duì)火焰的壓制效果較顯著，如圖2所示。圖3為Ⅲ號(hào)熱電偶的溫度隨時(shí)間變化情況，點(diǎn)燃油盤后，溫度迅速上升至300℃以上，開啟噴頭后，4種工況下的溫度都呈波動(dòng)趨勢(shì)下降。其中噴頭間距為1 m時(shí)溫度降低速率最大，而間距3 m和4 m的溫度下降速率相對(duì)較小。

圖2 細(xì)水霧滅油池火實(shí)驗(yàn)過程Fig.2 Experimental process of water mist extinguishing pool fire

圖3 Ⅲ號(hào)熱電偶溫度隨時(shí)間變化Fig.3 Temperature changes with time of No.3 thermocouple

細(xì)水霧滅火期間火源上方平均溫度與噴頭間距關(guān)系如圖4所示，噴頭間距越小，溫度越低，細(xì)水霧降低隧道火災(zāi)區(qū)域溫度效果越好。在間距從1 m增加至4 m過程中，溫度增長速率先大后小，可見細(xì)水霧降溫與噴頭間距并非線性關(guān)系，為此進(jìn)行了相應(yīng)FDS數(shù)值模擬。

圖4 平均溫度隨噴頭間距變化Fig.4 Average temperature changes with sprinkler spacing

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

實(shí)驗(yàn)建立全尺寸FDS數(shù)值模型，采用相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式[13-14]計(jì)算網(wǎng)格尺寸為0.2 m×0.2 m×0.2 m。噴頭流量設(shè)為10 L/min，出口速度為100 m/s，噴霧錐角為110°，細(xì)水霧平均粒徑200 μm。模擬噴頭縱向間距為0.5～4 m，節(jié)點(diǎn)長度為0.5 m，共8種工況，模擬時(shí)長為600 s。數(shù)值模型如圖5所示。

圖5 全尺寸FDS數(shù)值模型Fig.5 Full size FDS numerical model

2.2 模擬結(jié)果

經(jīng)過數(shù)值模擬，得出豎向溫度變化如圖6所示。結(jié)果表明，細(xì)水霧滅火期間，在火源上方垂直方向上，離油盤越遠(yuǎn)處溫度越低，但隧道頂棚溫度稍高于頂棚下方1 m處溫度，這是由于噴頭設(shè)置高度為4.5 m，細(xì)水霧無法直接覆蓋頂棚。在油盤上方1 m處，僅噴頭間距為0.5和1 m時(shí)溫度低于100℃，間距超過1 m時(shí)溫度大于150℃，甚至達(dá)到315℃；油盤上方4 m處，噴頭間距0.5～4 m的溫度都小于110℃。表明噴頭間距較小時(shí)，細(xì)水霧對(duì)火焰壓制效果更顯著；而噴頭間距較大時(shí)，細(xì)水霧改善火災(zāi)發(fā)生區(qū)域豎向溫度分布更明顯。

圖6 豎向平均溫度變化Fig.6 Vertical temperature

此外，隧道縱向距離油盤1 m處，不同工況的溫度差不超過20℃；距離大于2 m時(shí)，溫度差僅為6℃，如圖7所示。表明噴頭間距對(duì)隧道油池火縱向溫度影響差異較小，噴頭間距對(duì)隧道火災(zāi)的影響主要表現(xiàn)在豎直方向上。

圖7 縱向平均溫度變化Fig.7 Longitudinal temperature

3 討論與分析

圖8為噴頭間距3 m情況下，火源上方2 m處不同時(shí)刻的實(shí)驗(yàn)溫度、模擬溫度曲線對(duì)比圖，可以看出，二者數(shù)據(jù)較吻合，證明了模擬的有效性。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、模擬數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析噴頭間距對(duì)隧道火災(zāi)的影響規(guī)律。

圖8 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.8 Comparison between experimental data and simulated data

豎向平均溫度、煙氣密度與噴頭間距的關(guān)系如圖9所示，并非噴頭間距越大，溫度越高、煙氣密度越大，在間距D=2.5 m處，2條曲線均出現(xiàn)一凹值。細(xì)水霧滅火特性參數(shù)主要有霧化錐角、動(dòng)量、粒徑分布及霧通量等[15]，在霧化錐角和粒徑不變的情況下，只考慮細(xì)水霧動(dòng)量及霧通量對(duì)滅火的影響，霧通量可用單位體積的細(xì)水霧質(zhì)量(數(shù)值上等于細(xì)水霧密度)間接表示。圖10為細(xì)水霧參數(shù)與噴頭間距的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)噴頭間距越小，單位體積細(xì)水霧質(zhì)量越大，D=0.5 m時(shí)的單位體積細(xì)水霧質(zhì)量是D=4 m時(shí)的2.7倍；對(duì)于細(xì)水霧動(dòng)量，若假設(shè)粒徑保持200 μm不變，則噴頭間距越大，單個(gè)霧粒的動(dòng)量越大，按單位體積細(xì)水霧質(zhì)量計(jì)算，D=0.5 m時(shí)細(xì)水霧總動(dòng)量為D=4 m時(shí)的1.2倍。

圖9 溫度、煙氣密度與噴頭間距關(guān)系Fig.9 Temperature and soot density vs sprinkler spacing

圖10 細(xì)水霧參數(shù)與噴頭間距關(guān)系Fig.10 Water mist parameters vs sprinkler spacing

若噴頭間距以0.5 m為1個(gè)節(jié)點(diǎn)長度，則可將其與溫度、煙氣密度關(guān)系圖劃分為Ⅰ和Ⅱ 2個(gè)區(qū)域，如圖11所示。

圖11 噴頭間距影響規(guī)律分區(qū)Fig.11 Zoning for sprinkler spacing

Ⅰ區(qū)(D<2.5 m)：單位體積細(xì)水霧質(zhì)量對(duì)油池火的影響占主導(dǎo)地位，即大量的細(xì)水霧粒子能更全面覆蓋火災(zāi)區(qū)域，易形成隔離與窒息。利用Origin軟件擬合得到該區(qū)域溫度T、密度ρ與間距D的函數(shù)關(guān)系表達(dá)式為：

T=39.122D3-106.6D2+99.411D+16.052

(1)

ρ=-0.005D2+0.0707D+0.8867

(2)

式中：T為溫度，℃；ρ為煙氣密度，g/m3；D為細(xì)水霧噴頭布置間距，m。

Ⅱ區(qū)(D≥2.5 m)：細(xì)水霧滅火效果受單位體積細(xì)水霧質(zhì)量與動(dòng)量綜合影響，該區(qū)域的細(xì)水霧霧滴對(duì)火焰穿透性更強(qiáng)，但總數(shù)量相對(duì)較少，擬合關(guān)系為：

T=31.993D3-339.9D2+1211.2D-1319

(3)

ρ=0.02D2-0.0724D+1.0593

(4)

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，噴頭布置間距為0.5 m時(shí)，細(xì)水霧控溫效果最明顯，然而對(duì)于全淹沒式細(xì)水霧滅火系統(tǒng)，雖然間距為0.5 m時(shí)的溫度比間距4 m時(shí)低91℃，但總用水量卻為間距4 m時(shí)的8倍，而間距2.5 m的溫度只比間距0.5 m高40℃，用水量卻是間距0.5 m的1/5，如表1所示。即噴頭間距0.5 m甚至更小時(shí)細(xì)水霧滅火效果較好，但成本非常高；間距4 m甚至更大時(shí)經(jīng)濟(jì)消耗較少，但滅火效果較差。此外，由式(1)～(4)計(jì)算得到區(qū)間極小值點(diǎn)的噴頭間距為2.5 m，則認(rèn)為對(duì)于寬6 m、高5 m的城市交通隧道，細(xì)水霧滅火系統(tǒng)噴頭布置間距為2.5 m較合理。

表1 不同噴頭間距下的溫度、總耗水量數(shù)據(jù)Table 1 Temperature and total water volume under different sprinkler spacing

4 結(jié)論

1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)模結(jié)果基本吻合，細(xì)水霧能夠有效抑制城市隧道火災(zāi)。噴頭間距增加，溫度、煙氣濃度并非呈線性關(guān)系增長。利用Origin軟件分別擬合了溫度、煙氣密度與噴頭間距的函數(shù)關(guān)系，為工程設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。

2)噴頭間距小于2.5 m時(shí)，單位體積細(xì)水霧質(zhì)量對(duì)滅火效果的影響占主導(dǎo)地位，若進(jìn)一步減小間距，成本花費(fèi)將極增并造成資源浪費(fèi)；噴頭間距大于2.5 m時(shí)，細(xì)水霧滅火效果受單位體積細(xì)水霧質(zhì)量與動(dòng)量綜合影響，間距越大，對(duì)滅火越不利。

3)在寬6 m、高5 m的城市隧道中，細(xì)水霧噴頭間距宜設(shè)置為2.5 m。