側(cè)噴細(xì)水霧控制羅布麻倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)的有效性分析

郭旭峰

摘要：本文以實(shí)際火災(zāi)案例為參照，利用數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)側(cè)噴細(xì)水霧控制羅布麻倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)的有效性進(jìn)行了分析。文章從模型建立、網(wǎng)格選取、工況設(shè)置等方面進(jìn)行了模式實(shí)驗(yàn)，對(duì)噴頭高度在3m、3.5m及4m三種工況進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，得出在設(shè)定工況下隨著噴頭高度的增加對(duì)火源的控制效果越明顯，火焰形態(tài)得到明顯抑制，火源上方溫度降低幅度越大，臨近堆垛表面溫度下降也越加明顯。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬;羅布麻倉(cāng)庫(kù);噴頭高度

一、羅布麻倉(cāng)庫(kù)簡(jiǎn)介

本數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)以新疆巴音郭楞蒙古自治州某羅布麻倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)案例為基礎(chǔ)而建立。倉(cāng)庫(kù)為丙類鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑，由彩鋼板搭建而成，建筑長(zhǎng)83m寬25m高9m，共有四個(gè)大門一個(gè)常開(kāi)其余三個(gè)常閉。倉(cāng)庫(kù)外圍共兩層窗戶，單個(gè)窗戶長(zhǎng)3m相鄰窗戶間隔3m，下層窗戶高1.6m下邊緣距地面1.2m，上層窗戶高1m上邊緣距頂棚1.5m，日常使用過(guò)程中窗戶處于常閉狀態(tài)。羅布麻經(jīng)打包機(jī)打包成堆垛的形式堆放，每個(gè)羅布麻堆垛長(zhǎng)1m寬0.8m高0.5m，三到四個(gè)堆在一起堆放在靠墻位置，相鄰堆垛之間間隔在1.4m左右，倉(cāng)庫(kù)內(nèi)日常擺放900多個(gè)羅布麻包。根據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GB51251-2017》，對(duì)于高度超過(guò)6m的工業(yè)用房防煙分區(qū)控制在2000m2以內(nèi)，因此對(duì)于本文研究的羅布麻倉(cāng)庫(kù)可看作一個(gè)防煙分區(qū)。

二、物理模型搭建

FDS數(shù)值模型按照羅布麻倉(cāng)庫(kù)尺寸1：1建立物理模型。羅布麻堆垛四個(gè)堆成一堆，單個(gè)堆垛尺寸為1m×0.8m×0.5m，相鄰堆垛之間間隔1.4m，靠墻位置五個(gè)一堆，靠窗位置兩個(gè)一堆，倉(cāng)庫(kù)場(chǎng)邊一側(cè)堆放三排短邊一側(cè)堆放四排其余位置不堆放，模型中共放有917個(gè)羅布麻包。模型搭建如圖1所示。

（一）火源設(shè)置

該數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M倉(cāng)庫(kù)內(nèi)電線老化短路后引發(fā)相鄰羅布麻堆垛起火的情形。結(jié)合倉(cāng)庫(kù)電線分布實(shí)際情況，將火源設(shè)置為大門左側(cè)靠墻的第四個(gè)堆垛，模擬電線短路引燃下方堆垛的火災(zāi)場(chǎng)景。一個(gè)羅布麻包重約65千克，參考美國(guó)消防工程師手冊(cè)煙絲的燃燒熱約為15MJ/kg，一個(gè)羅布麻包燃燒殆盡需近15min，因此將火源功率設(shè)置為1MW，火源在模擬開(kāi)始后1s達(dá)到最大值。

（二）網(wǎng)格劃分

根據(jù)NIST提供的FDS技術(shù)參考，網(wǎng)格大小與火源特征直徑存在密切聯(lián)系，特征直徑可由下式計(jì)算：

當(dāng)網(wǎng)格δχ尺寸滿足D*/δχ在4至16之間時(shí)，可以達(dá)到比較好的模擬效果。根據(jù)上式計(jì)算，1MW熱釋放速率對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格尺寸應(yīng)在0.06～0.25m之間取值。為確保數(shù)值模擬結(jié)果可靠性，降低網(wǎng)格尺寸對(duì)結(jié)果造成的誤差，選取0.1m3、0.15m3、0.2m3、0.25m3四種網(wǎng)格尺寸對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)。將熱電偶布置在與火源中心間距2.4m的位置，通過(guò)檢測(cè)溫度變化判斷網(wǎng)格尺寸對(duì)溫度數(shù)據(jù)的影響，模擬時(shí)間5min。

由圖2的模擬結(jié)果得出，此次研究網(wǎng)格大小取為0.1m3。同時(shí)，為了優(yōu)化模擬資源將模型劃分為多個(gè)網(wǎng)格，火源附近20m×6.4m的區(qū)域網(wǎng)格大小為0.1m3，其余網(wǎng)格大小設(shè)置為0.4m3。

（三）其他參數(shù)設(shè)置

為了達(dá)到比較好的控制效果，羅布麻倉(cāng)庫(kù)內(nèi)部細(xì)水霧滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)為高壓系統(tǒng)，工作壓力10MPa。采用的單個(gè)細(xì)水霧噴頭流量系數(shù)k為0.89，對(duì)應(yīng)流量為8.9L/min，噴頭霧錐角120°。噴頭水平安裝在倉(cāng)庫(kù)側(cè)壁，相鄰噴頭間隔3m。燃燒反應(yīng)采用正庚烷燃燒，模擬時(shí)間設(shè)為300s，其余參數(shù)設(shè)為默認(rèn)值。

三、細(xì)水霧作用下倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)的控制效果

本章節(jié)中為了研究側(cè)噴細(xì)水霧對(duì)羅布麻堆垛倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)的控制效果，將細(xì)水霧噴頭水平安裝在4m高度處，在模擬進(jìn)行60s后開(kāi)啟細(xì)水霧噴頭釋放水霧。此時(shí)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)部溫度場(chǎng)基本穩(wěn)定，煙氣層也初步形成，火災(zāi)已經(jīng)發(fā)展到一定規(guī)模，此時(shí)開(kāi)始釋放細(xì)水霧可以研究在較為危險(xiǎn)的火災(zāi)場(chǎng)景下的控火能力。

（一）火焰形態(tài)變化

圖3是火源中心X軸方向在不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)切片。從模擬結(jié)果來(lái)看前60s火焰在湍流的影響下有所波動(dòng)但整體形態(tài)較為一致。60s時(shí)細(xì)水霧開(kāi)始施加，水滴進(jìn)入火場(chǎng)之后迅速吸熱蒸發(fā)產(chǎn)生大量水蒸氣對(duì)火焰區(qū)形成沖擊，使得火焰不斷波動(dòng)。120s時(shí)在細(xì)水霧的作用下火焰高度有所降低，火焰強(qiáng)度得到一定控制。隨著環(huán)境中霧滴密度不斷上升對(duì)火焰的控制效果更加明顯，從圖中可以看出在200s和300s時(shí)火焰高度進(jìn)一步降低，火源強(qiáng)度得到有效控制。

（二）細(xì)水霧的冷卻效果

圖4為細(xì)水霧噴頭在4m高度處作用時(shí)火源上方不同高度溫度隨時(shí)間變化曲線。從圖中可以看出火源位置處溫度曲線基本保持在800℃左右，曲線在前期波動(dòng)較為明顯，后來(lái)逐漸區(qū)域平緩，這是由于細(xì)水霧在施加過(guò)程中汽化蒸發(fā)產(chǎn)生的大量氣體對(duì)火源造成了一定沖擊引發(fā)火源位置溫度的波動(dòng)，隨著施加時(shí)間的持續(xù)液滴濃度逐漸增大，對(duì)火源的強(qiáng)度形成較好的抑制效果，此時(shí)吸熱產(chǎn)生的氣體量也隨之降低對(duì)火源的沖擊效果也有一定削弱，因此曲線變得平緩?；鹪瓷戏?m高度處溫度曲線與未施加細(xì)水霧的工況相比，溫度有所降低但下降幅度并不明顯，施加細(xì)水霧后溫度開(kāi)始下降曲線從150℃左右下降至100℃左右，并趨于平穩(wěn)，這是由于細(xì)水霧噴頭高度處在4m高度處不能對(duì)6m處進(jìn)行有效的降溫，主要通過(guò)吸收高溫?zé)煔庵幸徊糠譄崃恳约案艚^了部分熱輻射從而使得該位置溫度有所降低?；鹪瓷戏?m和4m高度處溫度曲線的走勢(shì)較為相似，在細(xì)水霧施加之前曲線波動(dòng)范圍較大，與上述分析一致這是由于火源的湍流特性使得火焰高度不斷上下波動(dòng)，而3m高度處恰好處于間歇火焰區(qū)，受火焰高度的變化該處溫度也會(huì)隨之變化;隨著細(xì)水霧的施加在模擬進(jìn)行70s之后整體溫度開(kāi)始下降，曲線仍有一定的波動(dòng)性但波動(dòng)的范圍有所降低，說(shuō)明火焰強(qiáng)度得到一定的抑制作用，火焰高度的降低使得火源上方3m及4m高度處不再受到直接加熱;隨著細(xì)水霧施加時(shí)間的延續(xù)，兩條溫度曲線不斷下降且下降趨勢(shì)逐漸變小，模擬進(jìn)行200s之后兩條溫度曲線區(qū)域平穩(wěn)，均處在200℃以下，說(shuō)明此時(shí)火焰高度得到有效控制，3m及4m高度處已經(jīng)不再受到火焰的直接影響，從圖3也可以看出，此時(shí)火焰高度明顯降低火源得到有效抑制。

四、不同高度側(cè)噴細(xì)水霧對(duì)控火效果的影響

《細(xì)水霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》中對(duì)細(xì)水霧系統(tǒng)特定的一些應(yīng)用場(chǎng)所給出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求，但是沒(méi)有對(duì)側(cè)噴細(xì)水霧的安裝方式給出規(guī)定。對(duì)于一般細(xì)水霧系統(tǒng)，噴頭安裝高度在3至5m之間且安裝在頂棚位置，位置過(guò)高水霧液滴難以到達(dá)著火區(qū)域進(jìn)行有效滅火，位置過(guò)低細(xì)水霧不能充分霧化，因此安裝高度對(duì)細(xì)水霧在實(shí)際滅火過(guò)程中顯得十分重要。本節(jié)中通過(guò)分析不同安裝高度下細(xì)水霧對(duì)羅布麻堆垛倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)的控制效果來(lái)設(shè)計(jì)合理的噴頭安裝高度。

（一）不同安裝高度下細(xì)水霧對(duì)火焰強(qiáng)度的控制效果

本節(jié)中將噴頭分別布置在3m、3.5m及4m三種高度，細(xì)水霧開(kāi)始施加時(shí)間仍設(shè)置為60s，總模擬時(shí)間300s。圖5和圖6為細(xì)水霧噴頭分別在3m和3.5m高度作用時(shí)火焰的形態(tài)變化過(guò)程。結(jié)合圖3可以看出噴頭在4m高度時(shí)在模擬進(jìn)行120s時(shí)就表現(xiàn)出較為明顯的控制效果，火源強(qiáng)度有所降低，說(shuō)明此工況對(duì)應(yīng)的控火效果更為理想。

（二）噴頭不同安裝高度對(duì)冷卻效果的影響

圖7和圖8分別為側(cè)噴細(xì)水霧噴頭在3m、3.5m兩種不同高度作用下，火源上方不同位置溫度變化曲線。從圖中可以看出噴頭安裝在不同位置時(shí)，兩圖中各測(cè)點(diǎn)溫度曲線變化趨勢(shì)基本一致，火源處溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后基本保持在800℃左右。

結(jié)合圖3和圖4，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)噴頭安裝在4m高度處時(shí)火源在細(xì)水霧的作用下得到較好的抑制，火源上方溫度曲線在細(xì)水霧的冷卻效果下逐漸趨于平穩(wěn)且處在相對(duì)較低的位置，說(shuō)明在此高度下側(cè)噴細(xì)水霧對(duì)火源的作用效果最為理想。

通過(guò)上述分析，三種設(shè)定工況隨著噴頭安裝高度的上升細(xì)水霧對(duì)火源的控制效果越好。

五、結(jié)語(yǔ)

本章根據(jù)實(shí)際倉(cāng)庫(kù)建立了全尺寸模型，通過(guò)對(duì)倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)場(chǎng)景的模擬發(fā)現(xiàn)火源位置溫度達(dá)到了800℃左右很容易引燃同堆的羅布麻包，從而使得火災(zāi)規(guī)模成倍擴(kuò)大，火焰對(duì)周圍臨近堆垛表面的加熱作用也會(huì)隨之增強(qiáng)誘發(fā)火蔓延的可能性上升。在施加細(xì)水霧模擬工況中，隨著細(xì)水霧施加時(shí)間的延長(zhǎng)對(duì)火源上方溫度的控制效果也越發(fā)明顯，模擬進(jìn)行150s后火源上方測(cè)點(diǎn)溫度明顯降低并處在較為穩(wěn)定的狀態(tài)。通過(guò)改變側(cè)噴細(xì)水霧噴頭高度研究對(duì)滅火效果的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在3m、3.5m及4m三種設(shè)定工況下隨著噴頭高度的增加細(xì)水霧對(duì)火焰形態(tài)的抑制效果也更加明顯，對(duì)火源上方的冷區(qū)效果也更為出色。