地鐵車站發(fā)生火災時施加水平細水霧幕抑制頂棚射流火焰的有效性

鐘 委，馬志欣，許少剛，梁天水，趙 軍

(鄭州大學 力學與安全工程學院，河南 鄭州 450001)

地鐵車站內(nèi)是一種狹長空間，且凈高較低，當發(fā)生火災時，若火災功率較大，容易形成沿頂棚下方發(fā)展的頂棚射流火焰，加之地鐵站位于地下，有毒煙氣和熱量難以排出[1-5]。因此如何抑制火災和煙氣在地鐵站內(nèi)的蔓延成為了防火減災研究的關鍵問題。

近年來，細水霧幕作為一種具有抑制火災蔓延和阻隔熱輻射效果的高效無污染的防火減災措施，逐漸受到專家的青睞。對于細水霧幕用于防火分隔，專家通過多方面的研究，證明了其有效性[6-9]。WANG等[10]研究了霧幕條件下玻璃的破裂特性，表明細水霧幕可有效阻隔熱輻射，延緩玻璃破裂；BLANCHARD E等[11]模擬了縱向通風隧道里細水霧幕對熱煙氣的抑制作用，發(fā)現(xiàn)細水霧幕可吸收火源釋放熱量的50%。AMANO R等[12]通過一系列的試驗研究，發(fā)現(xiàn)細水霧幕可以有效抑制地下空間熱輻射，阻擋CO蔓延。然而這些研究主要集中于熱輻射阻隔及室內(nèi)火災規(guī)模抑制，并未涉及地鐵內(nèi)頂棚射流火焰的抑制。

對于細水霧幕擋煙的效果，梁強等[13]研究了狹長通道中細水霧幕的擋煙效果，證明了細水霧幕阻煙效果良好，可有效改善下游空間環(huán)境，為地鐵空間細水霧幕擋煙提供了理論支撐；CONG等人[14]通過在站臺屏蔽門設置細水霧幕，證明了高壓細水霧系統(tǒng)的抑煙、防毒、降溫的功效，以及提高能見度、氧濃度的能力；豐皓等[15]通過在屏蔽門上方布置噴頭，研究了細水霧幕的擋煙效果，結(jié)果表明細水霧幕可以有效地降低屏蔽門后方的煙氣濃度；周洋等[16]模擬研究了細水霧幕用于樓梯口的擋煙效果，發(fā)現(xiàn)細水霧幕可以阻止樓梯口處的煙氣蔓延、有效降低煙氣溫度。這些研究說明細水霧幕可以用于地鐵擋煙，但將細水霧幕應用于抑制地鐵換乘通道煙氣蔓延的有效性研究并未涉及。

煙氣沉降會顯著影響人員逃生和疏散，因此如何有效地抑制煙氣沉降是細水霧幕推廣中的一個關鍵課題。LI等[17]、ZHANG等[18]提出煙氣是否發(fā)生沉降取決于霧幕液滴拖曳力和煙氣熱浮力的相互作用值； St-GEORGES M等[19]根據(jù)液滴的水平速度和豎向速度共同確定噴淋的包絡線，得出的拋物線型包絡線可以較好地描述噴淋；唐智等[20]、董晉良等[21]通過數(shù)值分析和理論分析，得出了水霧的冷卻作用和拖拽作用會使煙氣發(fā)生沉降。但這些僅研究了煙氣沉降機理，并未涉及煙氣沉降抑制問題。

本文首先針對施加豎向細水霧幕的缺陷，對水霧噴頭進行改進，使之產(chǎn)生水平向的細水霧幕；以某地鐵車站為原型設計試驗臺，通過室內(nèi)試驗研究水平霧幕對地鐵車站火災的擋煙、隔熱及頂棚射流火焰抑制、煙氣沉降抑制的有效性，從而為地鐵車站火災的防治提供新的思路。

1 噴頭改良及試驗設置

1.1 噴頭改良

現(xiàn)有的垂直霧幕噴頭主要用于熄滅噴頭下方火災，霧幕包絡面是從上到下的錐形面，且相鄰霧幕形成的包絡面間存在火焰和煙氣可以穿過的較大空隙，如圖1所示。為了有效抑制水平蔓延的頂棚射流火焰，本文對噴嘴的布局進行了重新設計，如圖2所示；改進后的噴頭可形成水平細水霧幕，其包絡面和效果如圖3所示。

圖1 既有噴頭的效果圖和包絡面

圖2 水平霧幕噴頭

圖3 水平霧幕噴頭的包絡面和效果圖

針對豎向和水平霧幕噴頭，采用文獻[22]的集水法測得施加霧幕后保護區(qū)的霧通量(霧流密度)，在水壓分別為1.0，1.6，2.0 MPa時霧通量分布如圖4所示。由圖4可知：施加豎向霧幕，霧幕主要集中于噴頭下方，距離噴頭越遠，霧通量越??；而施加水平霧幕，霧通量在較大的范圍內(nèi)均勻分布。

圖4 霧幕后方保護區(qū)霧幕密度分布

1.2 試驗設計

以某地鐵站為原型，設計如圖5所示的試驗臺。試驗臺長6.5 m，寬2.0 m，高2.6 m，左側(cè)為開口，其余3側(cè)為1 m深的擋煙阻火垂壁。側(cè)壁設置鋼化玻璃觀察窗以拍攝頂棚射流火焰形態(tài)。霧幕由如圖5所示的2個相隔1 m安裝在距頂棚0.1 m，距火源3 m，沿火焰中心線對稱分的噴頭產(chǎn)生。火源距地面1.6 m，距側(cè)壁40 cm?；鹪慈剂蠟檎?，油盤直徑取2種，分別為40和60 cm。

圖5 試驗臺示意圖(單位：m)

溫度采用熱電偶串測量，熱電偶串的布置位置如圖6所示：其中縱向布置、距離頂棚0.05 m的熱電偶串用于測量頂棚的溫度，其余7個用于測量試驗臺內(nèi)的空間溫度。燃料質(zhì)量采用CPA3202S型電子天平測量，風速采用KA12型風速儀測量。通過預試驗發(fā)現(xiàn)霧幕作用下出口處煙氣層高度在2.2 m以上，因此，選取2.4 m高度處作為煙氣出口速度測點位置。霧幕后方的煙氣層高度由人工測量和熱電偶串溫度確定，試驗錄像和圖片對其進行修正。

為了研究施加水平霧幕擋煙阻火的有效性，霧幕設置3種，即未施加、水平施加和豎向施加；油盤設置2種，即直徑為40和60 cm，使用正庚烷燃料體積分別為2和3 L；每種霧幕對應2種直徑油盤，則共有6種工況。各工況的霧幕噴頭流量均為6 L·min-1。

圖6 試驗臺剖面圖(單位：m)

2 試驗結(jié)果

2.1 質(zhì)量損失速率

圖7給出了6種工況下穩(wěn)定燃燒階段60～100 s[23]燃料質(zhì)量變化時程曲線，燃料的質(zhì)量損失速率可由時程曲線的斜率求得[24]，結(jié)果也見圖7中。由圖7可知：對于40 cm油盤，施加水平、豎向霧幕的質(zhì)量損失速率與無水霧幕工況質(zhì)量損失速率的相對差值分別為和5.3%和2.4%；而對于60 cm油盤，兩者的相對差值分別為5.2%和1.9%；這說明細水霧幕的施加會影響火源的燃燒，但影響有限。

2.2 頂棚射流火焰形態(tài)

油盤直徑為40 cm時與60 cm時頂棚射流火焰形態(tài)的變化趨勢相似，并且在穩(wěn)定燃燒階段，火焰形態(tài)變化較小，因此，選取圖8所示的40 cm油盤3種工況下穩(wěn)定燃燒階段90 s處的火焰形態(tài)進行分析。由圖8可知：當沒有施加水幕時，頂棚射流火焰水平蔓延長度為5.85 m；施加豎向霧幕時，頂棚射流火焰長度有明顯減小，長度為4.15 m；施加水平細水霧幕后，頂棚射流火焰長度進一步減小至3.45 m，此時頂棚射流火焰表現(xiàn)為未穿過霧幕。這表明施加水平霧幕，可有效抑制頂棚射流火焰蔓延，且其效果優(yōu)于施加豎向霧幕。

圖7 霧幕施加后燃料質(zhì)量損失速率

圖8 40 cm油盤下不同工況90 s火焰形態(tài)

霧幕覆蓋區(qū)域的局部火焰形態(tài)如圖9所示。由圖可知：施加豎向霧幕時，受霧幕包絡面缺陷的影響，頂棚射流火焰會穿過霧幕繼續(xù)蔓延，而施加水平霧幕則不存在這樣的現(xiàn)象。這說明豎向霧幕在抑制頂棚射流火焰方面存在缺陷，而水平霧幕可以彌補這種缺陷。

圖9 施加霧幕后火焰形態(tài)

2.3 頂棚平均溫度分布

油盤直徑為40 cm時與60 cm時各測溫點頂棚平均溫度變化趨勢具有相似性，因此仍以40 cm油盤為例對頂棚火焰溫度進行分析。圖10給出了3種霧幕時相對穩(wěn)定燃燒階段的頂棚平均溫度變化曲線。由圖可以看出：未施加霧幕時頂棚平均溫度沿縱向不斷衰減，這是頂棚射流火焰與外界環(huán)境間的熱交換造成的；施加豎向霧幕時頂棚平均溫度存在小幅度的下降，這是由于此時頂棚射流火焰除與環(huán)境熱交換外還存在與豎向霧幕間的熱交換，說明豎向霧幕的施加對頂棚射流存在抑制作用，但效果不明顯；施加水平霧幕時，霧幕附近頂棚平均溫度線出現(xiàn)明顯的“凹陷”，霧幕后方的頂棚平均溫度最大值僅為200 ℃，與未施加霧幕火焰熄滅時頂棚平均溫度基本相同，即霧幕后方不存在火焰，這表明對比于豎向霧幕，水平霧幕對頂棚射流火焰的抑制效果更優(yōu)。

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圖10 40 cm油盤各工況穩(wěn)定燃燒階段頂棚平均溫度

2.4 霧幕隔熱性能

霧幕后方的溫度取熱電偶串最高溫度與最低溫度的差值。因霧幕后方不同距離處的溫度隨時間的變化規(guī)律具有相似性，因此選取如圖11所示的霧幕后方1 m處的溫度進行分析。由圖11可以看出，60 s霧幕開啟后，霧幕后方的溫度整體表現(xiàn)出下降趨勢。

圖11 霧幕后方1 m處溫差

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(qū)域的溫度上升程度來衡量[25]。后者的測量易實現(xiàn)且能直觀的反映隔熱效率變化，因此，本文選擇后者表征霧幕隔熱效率。根據(jù)傅里葉定律和霧幕隔熱效率的熱通量表達式[25]，推導出溫度上升程度表征的霧幕隔熱效率的表達式為

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

取環(huán)境溫度為0 ℃點，霧幕隔熱效率的變化趨勢如圖12所示。由圖可知：霧幕的隔熱效率呈先增加后保持穩(wěn)定的趨勢；且直徑40和60 cm油盤水平霧幕和豎向霧幕的隔熱效率均在50%以上，這說明霧幕可以有效減小火災中的熱害；水平霧幕的隔熱效率要優(yōu)于豎向霧幕，這是由于水平霧幕的包絡面間隙較小，對高溫火焰和煙氣的抑制效果更佳。

圖12 隔熱效率

2.5 煙氣層形態(tài)

2.5.1 煙氣層高度

6種工況下的煙氣層高度如圖13所示。由圖可知：霧幕施加后，受霧幕液滴拖拽力影響，霧幕覆蓋區(qū)域煙氣層會發(fā)生沉降；而當煙氣穿過霧幕覆蓋區(qū)域后，受熱浮力的作用，煙氣層高度有一定程度的回升；油盤尺寸一定時，施加豎向霧幕造成的煙氣沉降幅度較大，這是由于豎向霧幕噴頭主要用于熄滅噴頭下方火焰，容易產(chǎn)生較大的方向向下的拖拽力；而施加水平霧幕造成的煙氣沉降幅度較小，這是因為主體為水平霧幕，豎直向下的分量較小，且霧幕流量一定時，施加水平霧幕噴霧壓力、霧動量均較小，而霧滴直徑較大，水霧的分散性較差，使得煙氣層能維持較好的層化結(jié)構(gòu)。這說明與豎向霧幕相比，施加水平霧幕可有效抑制煙氣沉降，提高人員的逃生效率。

圖13 煙氣層高度

對比相同霧幕類型下不同油盤尺寸的煙氣層高度可知，60 cm油盤煙氣層厚度變化較小，這是由于60 cm油盤煙氣溫度較高，熱浮力較大，這說明煙氣沉降的大小受熱浮力及細水霧幕豎向分量產(chǎn)生的拖拽力的相對值影響。

2.5.2 試驗臺開口側(cè)距地面不同高度處煙氣層溫度

油盤直徑為40 cm時與60 cm時試驗臺開口側(cè)不同距地面高度處煙氣層溫度的變化規(guī)律相似，因此以40 cm油盤為例進行分析，煙氣溫度變化規(guī)律如圖14所示。由圖可知：霧幕的施加，對2.3 m高度及其以下的煙氣層影響較??；煙氣溫度在豎向方向存在溫度梯度，上方溫度較高，這表明霧幕施加后開口處的煙氣仍存在分層現(xiàn)象；此外，由溫度變化規(guī)律可以看出水平霧幕溫度最高點出現(xiàn)在霧幕施加的瞬間，而豎向霧幕的最高點出現(xiàn)在霧幕施加一段時間后，且二者的溫度最高點的出現(xiàn)時間均早于未施加霧幕。

對開口側(cè)2.4 m高度處相對穩(wěn)定燃燒階段的溫度取平均值，未施加、水平施加和豎向施加3種霧幕，油盤直徑為40 cm時的溫度分別為88.5，65.3，51.5 ℃；油盤直徑為60 cm時的溫度分別為123.3，77.4，61.5 ℃。可見：霧幕的施加，會使試驗臺開口側(cè)的煙氣溫度大幅度下降；油盤尺寸相同時，水平霧幕時開口溫度低于豎向霧幕時，說明水平霧幕可更好地發(fā)揮細水霧蒸發(fā)吸熱作用。

2.5.3 試驗臺出口側(cè)距地面2.4 m高度處煙氣速度

6種工況下試驗臺出口側(cè)距地面2.4 m高度處的煙氣速度變化趨勢如圖15所示。由圖15可知：細水霧幕流量一定，油盤直徑為60 cm時出口側(cè)煙氣速度大于40 cm，這是因為火災中煙氣流動的驅(qū)動力來源于溫度，而60 cm油盤產(chǎn)生的火焰溫度較高；油盤直徑一定時，施加霧幕后，出口側(cè)煙氣速度有一定程度的降低，且施加水平霧幕工況下出口煙氣速度最低，這是霧幕與煙氣間發(fā)生的熱量和物質(zhì)交換要大于無霧幕工況造成的；說明施加霧幕對出口側(cè)煙氣有明顯的抑制，且施加水平霧幕對出口處煙氣的抑制作用優(yōu)于施加豎向霧幕。

圖14 試驗臺開口不同距地面高度處煙氣溫度

圖15 出口煙氣速度

3 結(jié) 論

(1)針對現(xiàn)有施加豎向霧幕噴頭的局限性，對噴頭進行了改進，使其可以施加水平細水霧幕。測試結(jié)果表明，施加水平霧幕具有較大的水平動量，霧通量在0.5 m內(nèi)均勻分布，而施加豎向霧幕其霧通量集中在噴頭下方。

(2)施加豎向霧幕對頂棚射流火焰的蔓延有一定的抑制作用，然而試驗中觀察到火焰穿越豎向霧幕的現(xiàn)象。施加水平霧幕對頂棚射流火焰抑制效果更好，頂棚射流火焰長度減小了40%，霧幕后方不存在火焰。

(3)施加水平和豎向霧幕均具有較好的隔熱作用，對于2種火源功率情況下，施加水平霧幕的隔熱效率均比施加豎向霧幕高10%左右，且施加水平霧幕對煙氣層的擾動更小，霧幕作用區(qū)煙氣沉降幅度較小。

(4)施加水平和豎向2種霧幕，在霧幕后方均觀察到了煙氣分層現(xiàn)象，其中施加水平霧幕的煙氣最高溫度、煙氣出口速度均小于施加豎向霧幕。