基于FDS 的高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)對(duì)公路隧道火災(zāi)的作用效果研究

李佳

（安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

不同于其他建筑，隧道這種狹長且封閉的空間一旦發(fā)生火災(zāi)，溫度可迅速升至上千攝氏度，會(huì)破壞隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)，甚至產(chǎn)生坍塌的后果。伴隨火災(zāi)產(chǎn)生的大量有毒有害氣體因通風(fēng)條件差而積聚在隧道內(nèi)無法迅速排出。隧道火災(zāi)對(duì)于人員的生命以及財(cái)產(chǎn)有著嚴(yán)重的危險(xiǎn)，因此無論是國內(nèi)還是國外，有大量學(xué)者進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)去研究隧道火災(zāi)滅火系統(tǒng)的機(jī)理及應(yīng)用。對(duì)于隧道內(nèi)部的細(xì)水霧滅火系統(tǒng)，主要通過數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)室模型以及統(tǒng)計(jì)分析等方法去研究細(xì)水霧滅火的內(nèi)在機(jī)理和應(yīng)用研究。

大量研究表明[1]，相比于傳統(tǒng)滅火系統(tǒng)，高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)具有降低用水量，減少水漬損失、綠色環(huán)保，對(duì)人體無害、能有效降低空氣中有毒氣體含量等特點(diǎn)，故高壓細(xì)水霧技術(shù)廣受人們的應(yīng)用與研究。以往許多學(xué)者主要研究細(xì)水霧的布置方式、布置間距以及流量等參數(shù)來研究高壓細(xì)水霧對(duì)隧道火災(zāi)的滅火效率。但很少有人會(huì)考慮細(xì)水霧噴頭的霧化角度對(duì)隧道火災(zāi)滅火效率的影響，所以本文基于FDS 火災(zāi)模擬軟件，建立1：1 隧道火災(zāi)模型，布置高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)，考慮不同噴頭霧化角度對(duì)隧道火災(zāi)產(chǎn)生的影響。

1 模型建立

1.1 物理模型

根據(jù)表1，《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范第一冊(cè)土建工程》（JTG 3370.1-2018）[2]對(duì)高速公路隧道橫斷面設(shè)計(jì)的建筑界限寬度作出了基本規(guī)定，公路隧道建筑界限圖如圖1 所示。

圖1 公路隧道建筑界限圖（單位：mm）

表1 兩車道高速公路、一級(jí)公路隧道建筑界限基本寬度（單位：m）

其中，對(duì)于高速公路和一級(jí)公路，隧道建筑界限高度H 取5m。因此選取總寬度11.5m，總高度8m，斷面面積79m2，設(shè)計(jì)速度120km/h 的二車道隧道作為研究對(duì)象，建立100m*11.5m*8m 的隧道模型，如圖2 所示。

圖2 隧道模型圖

1.2 初始條件和邊界條件

根據(jù)前人研究的不同種類車輛著火規(guī)模[3]，本文選取30MW（裝載一般貨物的大貨車）的火源功率，火源面積為1.5m*1.5m，位于隧道中心。在距離頂棚高度0.5m處設(shè)置一排間隔為1m 的熱電偶，用于頂棚溫度測(cè)量，4組熱輻射探測(cè)器分別布置于距火源邊緣1m、3m、5m、7m處，每組包含4 個(gè)，均勻布置于高度1m-4m 內(nèi)，用于火災(zāi)熱輻射通量的測(cè)量[4]。

在隧道中心線位置，距離頂棚1m 處布置單排細(xì)水霧噴頭，每個(gè)噴頭間隔2m，一共設(shè)置30°、60°、90°三種不同噴頭霧化角度，用以探究不同霧化角度對(duì)隧道頂棚溫度和熱輻射的影響，噴頭參數(shù)如表2 所示。以20m為一個(gè)細(xì)水霧保護(hù)區(qū)段，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火源所在保護(hù)區(qū)以及前后相鄰兩個(gè)保護(hù)區(qū)細(xì)水霧噴頭同時(shí)開啟，將開啟時(shí)間設(shè)置為火災(zāi)開始后120s。

表2 細(xì)水霧噴頭參數(shù)

將隧道兩端的邊界條件設(shè)置為：“OPEN”，本文不考慮縱向風(fēng)速對(duì)細(xì)水霧滅火系統(tǒng)影響。

2 模擬過程及分析

2.1 隧道頂棚溫度分析

如圖3 所示，這是在800s 下隧道縱向溫度云圖，通過在隧道縱向中心線處設(shè)置一溫度切片，查看隧道火災(zāi)的溫度變化情況。

圖3 800s 隧道縱向溫度云圖

當(dāng)隧道發(fā)生30MW 的火災(zāi)時(shí)，火焰迅速向上發(fā)展，產(chǎn)生的煙氣向隧道兩側(cè)出口蔓延，在無細(xì)水霧作用下，800s 時(shí)隧道頂棚位置最高溫度達(dá)到1130℃，在距離火源中心9m 處的溫度也能達(dá)到500℃。當(dāng)施加細(xì)水霧后，頂棚溫度能夠迅速下降，細(xì)水霧噴頭霧化角度越大，溫度的降低作用也越明顯。其中，當(dāng)細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的霧化角度為30°時(shí)，頂棚最大溫度相對(duì)于無細(xì)水霧時(shí)頂棚的最大溫度降低了580°；當(dāng)細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的霧化角度為60°時(shí)，頂棚最大溫度相對(duì)于無細(xì)水霧時(shí)頂棚的最大溫度降低了600°；然而當(dāng)細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的霧化角度角度為90°時(shí)，頂棚最大溫度降低至470℃，降溫效果最佳。

如圖4，這是在不同工況下，火源正上方頂棚處溫度曲線圖，由圖可以看出，當(dāng)無細(xì)水霧下，與火源中心距離越遠(yuǎn)則溫度越低，但溫度都大于550℃。而隨著加入高壓細(xì)水霧系統(tǒng)之后，火源正上方頂棚的最高溫度極度下降，能夠保證溫度在550℃以下，尤其是霧化角度為90°時(shí)，其對(duì)火源的滅火效率最高，使在該霧化角度下的溫度均低于500℃，由此也可以看出高壓細(xì)水霧系統(tǒng)對(duì)滅火效率有著極大的提高，并且霧化角度越高，滅火效率越高。

圖4 火源正上方頂棚處溫度曲線

2.2 火災(zāi)熱輻射通量分析

由于熱輻射會(huì)隨水平距離的增加而逐漸減弱，為了更直觀的看出霧化角度對(duì)熱輻射的影響，因此選擇了變化情況最明顯的距火源邊緣1m 處，1m～4m 高度內(nèi)熱輻射通量最大值。

當(dāng)細(xì)水霧被噴射到火場(chǎng)之后，火羽流及煙氣均被汽化后的霧滴包裹，火災(zāi)燃燒產(chǎn)生的熱輻射首先經(jīng)過細(xì)水霧的吸熱冷卻作用，最后到達(dá)火焰以外的區(qū)域，因此減少了火場(chǎng)輻射熱的傳遞。細(xì)水霧能有效抑制火災(zāi)產(chǎn)生的熱輻射[5]。

由圖5 可知，無細(xì)水霧時(shí)，火源邊緣熱輻射分 別 為17.427km/m2，32.860km/m2，59.620km/m2和68.746km/m2，隨著霧化角度的增大，熱輻射隨之減小，當(dāng)霧化角度為90°時(shí)，細(xì)水霧的抑制效果尤為顯著，輻射值分別降低至5.56km/m2、13.24km/m2、16.53km/m2、19.355km/m2，其對(duì)最大熱輻射值的抑制率甚至可達(dá)到71%。

圖5 火源邊緣1m 處，1m～4m 高度內(nèi)熱輻射通量分布

3 結(jié)論

通過建立1：1 的區(qū)間隧道火災(zāi)模型，選取不同細(xì)水霧噴頭霧化角度，對(duì)30MW 隧道火災(zāi)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)能夠有效降低隧道火災(zāi)產(chǎn)生的高溫和熱輻射，在30°～90°范圍內(nèi)，霧化角度越大，細(xì)水霧的作用效果也越突出。