噴淋角度對外立面火蔓延抑制作用的研究

李 媛，趙恒澤，梁 磊

(1.太原科技大學 環(huán)境與安全學院，太原 030024；2.華北理工大學 礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063210)

隨著全球能源的日益緊張，世界各國都爭先恐后的研發(fā)節(jié)能技術[1-2]，包括在建筑設計和施工時的新型建筑保溫材料的開發(fā)和應用[3-4]。我國的節(jié)能工作起步比較晚，大概是在二十世紀九十年代初才啟動，在隨后這些年中，我國在建筑中采用了大量的新型建材材料，比如，實心磚很多情況下被空心砌塊以及多孔磚所取代，在建筑的圍護結構中，一般采用的典型的保溫材料包括聚苯乙烯(EPS和XPS)和聚氨酯泡沫(PU)[5]。其中聚苯乙烯是熱塑性泡沫保溫材料，在遇到火源時，會熔融滴落。也就是說，一旦外墻保溫材料在某因素引發(fā)的火災中發(fā)生熱解燃燒，火勢蔓延方向不僅會向上蔓延，而且還會向下蔓延，形成全方位的立體火。此時，光靠救援人員來進行火災搶險救援是不夠的，需要建筑自身設防，比如聯(lián)動水噴淋等。而PU則是熱固性保溫材料。它的表面過火現(xiàn)象嚴重，向上蔓延速度極快，能點燃周圍的可燃物[6-7]。目前科學界普遍的觀點是，要解決像央視大樓火災這種情況的最好方法是，外墻采用不燃材料或者是難燃材料。但是由于知識水平以及科學技術達不到要求以及成本太高等原因，建筑物外立面保溫材料并未完全使用不燃或難燃材料，因此必要的水噴淋也必不可少。

外墻在噴淋的時候，不免會涉及到水噴淋的施加問題，包括在何處施加水噴淋、施加多少個噴頭、噴頭的施加角度等。本文僅討論水噴淋的施加角度問題，包括水平噴淋角度和豎直噴淋角度兩種情況，并采用火災模擬軟件FDS模擬各個工況的具體情況。

1 理論分析與模型建立

本文采用的火災動力學模擬軟件——FDS軟件是由美國國家標準與技術研究院開發(fā)的計算流體動力學軟件，是專門進行模擬火災發(fā)展變化過程的軟件。該軟件通過數(shù)值方法求解N-S方程來分析火災發(fā)展過程中的煙氣蔓延和熱量傳遞過程。其燃燒模型采用的是混合分數(shù)模型[8]。

一般情況下，在進行數(shù)值計算時，首先考慮的是網(wǎng)格計算的獨立性。一般解決網(wǎng)格獨立性最好的方法是網(wǎng)格劃分要小，但是網(wǎng)格過小會受到計算機條件的限制，因此網(wǎng)格過小是不實際的。在FDS中，網(wǎng)格的獨立性可采用下面的經驗公式來表示[9]。對于涉及到羽流動力學的數(shù)值模擬來說，無量綱表達式D*/δx的范圍在4～16之間就是比較合理的，

對于火源熱釋放速率為300 kW/m2的火源來說，經過計算可以得到D*為0.58 m，此時D*/δx=0.58/0.1=5.8∈(4，16)，因而設置10 cm*10 cm*10 cm的網(wǎng)格符合要求。

圖1顯示的是噴淋角度對外立面火蔓延抑制作用研究的模型圖。圖中設有從a～f 7個溫度測量點，具體測定位置如表1所示。噴淋處用Nozzle表示，其距離地面7 m，距離外立面0.5 m.外立面用foam來代替?；鹪刺幉捎玫臒後尫潘俾蕿?00 kW/m2.

圖1 噴淋角度對外立面火蔓延抑制作用研究的模型圖Fig.1 Model of spray angle on fire spread inhibition of building facade

高度/m3456789編號abcdefg

本文采用的噴淋角度變化情況包括當水平噴淋角度為-30°～30°時，豎直噴淋角度變化為0°～165°、15°～165°、30°～165°、45°～165°、60°～165°、75°～165°、90°～165°、105°～165°、120°～165°、135°～165°和150°～165°十一種情況。當豎直噴淋角度為90°～165°時，水平噴淋角度變化為-10°～10°、-20°～20°、-30°～30°、-40°～40°、-50°～50°、-60°～60°、-70°～70°七種情況。水平噴淋角度和豎直噴淋角度具體的表示含義如圖2所示。

圖2 FDS中水噴淋角度示意圖Fig.2 Schematic diagram of water spray angle in FDS

FDS中，水噴淋的噴射角度方向設置問題擬通過圖2表示?？梢钥闯鰜?，在水噴淋噴射角度豎向x-z平面上，豎直向下的方向為0°，豎直向上的方向為180°，而x軸為90°的方向，角度的變化體現(xiàn)在a和b的變化上。在水平x-y平面上，x軸的反方向設置為0°，逆時針方向旋轉，y軸的負方向上為90°，x軸的正方向上位180°，y軸的正方向上為270°，角度的變化則體現(xiàn)在ε和χ上。

2 數(shù)值實驗結果分析

圖3a-圖3g表示的是不同豎直噴淋角度對噴淋前后各個測定點溫度降低情況的影響。圖3a-圖3g中a、b、c、d、e、f、g處噴淋前后溫度降低情況采用極坐標圖來表示。

圖3 水平噴淋角度為-30°～30°時，豎直噴淋角度對距地面不同高度處測點溫度變化的影響Fig.3 The influence of the vertical spray angle on the temperature change of different measuring point at -30°～30°horizontal spray angle

圖3a為距地面3 m處測點溫度隨豎直噴淋角度變換而變化的情況，從圖中可以看出當豎直噴淋角度為90°～150°時，溫度的降低量最大，降溫可達到320 ℃.

圖3b為距離地面4 m處測點溫度隨豎直噴淋角度變換而變化的情況，從圖中可以看出豎直噴淋角度為15°～90°時測點溫度在增高與降低間交替波動，甚至當噴淋角度在75°～90°時溫度上升到最高值，此現(xiàn)象說明豎直噴淋角度為15°～90°時噴淋對溫度的降低基本不發(fā)揮作用，無法抑制外立面火災。當豎直噴淋角度為90°～150°時，才能使測點溫度連續(xù)下降，使溫度降低幅度達到220 ℃左右。

圖3a，3b顯示的測點溫度都是在豎直噴淋角度為90°～150°時降低幅度最大，而此時a，b測點位于外立面下部，故這種情況下噴淋角度對外立面下部的保護作用強。

從圖3c可看出豎直噴淋角度小于30°時，外立面c測點處溫度升高，豎直噴淋角度為30°～150°時，雖然在75°、90°處測點溫度有所升高，但并未超過30°時的溫度，說明即使溫度升高水噴淋也體現(xiàn)了抑火作用，當豎直噴淋角度大于90°后，測點溫度呈連續(xù)降低，說明當水噴淋位于30°～150°時，水噴淋對距離地面5 m處的保護作用強。

圖3d、3e、3f中溫度的測定點分別位于距離地面6 m、7 m和8 m處，從圖中可以看出這三個測點處溫度變化與豎直噴淋角度變換的規(guī)律基本一致：當豎直噴淋角度小于15°時，測點溫度都有所增大，但當豎直噴淋角度大于15°后，測點溫度基本呈連續(xù)降低趨勢(e測點在30°～45°時，溫度升高幅度不足5 ℃).說明對d、e、f三個測點均是豎直噴淋角度為15°～150°時，噴淋的降溫作用較其他豎直角度作用明顯。

圖3g顯示當豎直噴淋角度變化時，外立面測點處溫度都在降低。但只有噴淋角度為60°～150°時，溫度降低幅度大，說明此時對距離地面9 m處的溫度降低作用明顯。

綜上可以看出，豎直噴淋角度在90°～150°對位于噴淋位置較低處的滅火作用明顯；噴淋角度15°～150°對位于噴淋位置附近的滅火作用明顯；而噴淋角度60°～150°則對位于噴淋位置較高處的滅火作用明顯。

圖4顯示的是在水平噴淋角度不變的情況下，豎直噴淋角度變化對各個測定點溫度變化情況的影響。從圖中可以看出，隨著高度的增加，所有不同的豎直噴淋角度都呈現(xiàn)出下降趨勢，而且豎直噴淋角度為135°～165°和150°～165°時，在a、b、c處的溫度變化情況都處于最小，如在a處時，因為處于150°～165°的豎直噴淋角度范圍內有效噴淋面積[10]過小，溫度變化量僅100 ℃左右。而對于豎直噴淋角度為0°～165°時，雖溫度降低量為245 ℃左右，但由于角度變化大，需充分考慮實際噴淋角度轉動技術條件，因此，極坐標分析時不采用這兩個角度變化。當豎直噴淋角度為15°～165°時，在d、e、f三處的溫度變化情況相對于其他角度變化來說較高，這與從極坐標圖上看到的結果基本一致。

圖4 水平噴淋角度-30°～30°，豎直噴淋角度的變化對測定點溫度變化情況的影響Fig.4 The influence of the vertical spray angle on the temperature change of the measuring point at -30°～30° horizontal spray angle

圖5表示的是在豎直噴淋角度為90°～165°的不同水平噴淋角度對噴淋前后各個測定點溫度降低情況的影響。同樣，圖5a-g表示a、b、c、d、e、f、g測點處噴淋前后溫度降低情況的極坐標圖。

圖5 水平噴淋角度的變化對各個測定點溫度變化情況的影響Fig.5 The influence of horizontal spray angle on temperature variation of each measuring point

從a、b、c、d圖中可以看出，當水平噴淋角度為-30°～30°時，測點溫度相對與其他水平噴淋角度有明顯幅度的下降，說明在此角度范圍內溫度的降低量最大。也就是說此時的水平噴淋角度對外立面噴淋位置處下部的保護作用強，可使外立面下部溫度降低最高達125 ℃.圖e、f、g在60°時出現(xiàn)溫度尖峰，表示當水平噴淋位于-60°～60°時，這兩處的溫度降低量也比較大，即水平噴淋角度對噴淋位置及下部附近的保護作用強，但此時溫度降低最大值僅為55 ℃，這是因為噴出的水在重力作用下沿外立面向下流動，對下部的降溫作用明顯，而上部僅能接收到的噴淋量遠不及下部。

圖6顯示的是豎直噴淋角度90°～165°，水平噴淋角度的變化對測定點a-f溫度變化情況的影響?？梢悦黠@看出水平噴淋角度為-70°～70°時，此時各個測定點的溫度變化最小，這同樣是因為此角度下外立面有效噴淋面積很小，所以這個水平噴淋角度并不適用于滅火。當水平噴淋角度為-30°～30°，在a、b、c三處測溫點處的溫度降低量最大，與極坐標圖顯示的結果一樣。

圖6 豎直噴淋角度90°～165°，水平噴淋角度的變化對測定點溫度變化情況的影響Fig.6 The influence of the horizontal spray angle on temperature change of the measured point at 90°～165° Vertical spray angle

3 結論

本文采用FDS軟件針對噴淋角度對外立面火抑制作用的影響進行了數(shù)值模擬實驗。從結果中可以看出，在水平噴淋角度為-30°～30°的情況下，當豎直噴淋角度為90°～150°時，水噴淋對噴淋位置處下部降溫可達220 ℃～320 ℃，對外立面下部的保護作用強，當豎直噴淋角度為15°～150°時，水噴淋對噴淋位置附近的保護作用強，降溫幅度在60 ℃左右；在豎直噴淋角度為90°～165°的情況下，當水平噴淋角度為-30°～30°時，最高溫降在125 ℃左右，溫度的降低量最大，此時對外立面噴淋位置處下部的保護作用強。當水平噴淋位于-60°～60°時，這噴淋位置附近及上部的溫度降低量比較大，在55 ℃左右。

本文在模擬中，僅僅針對水平噴淋角度-30°～30°時，豎直噴淋角度的11種變化來進行模擬；豎直噴淋角度為90°～165°時，水平噴淋角度的7種變化來表現(xiàn)水噴淋的滅火過程，這還遠遠不夠。在接下來的工作中，應該更加全面的認識水噴淋角度對外立面火的抑制作用。這對于實際的消防具有重要的意義。