細水霧幕衰減熱輻射的數(shù)值模擬研究

鄔岱杰，陳　敏

(舟山市公安消防支隊，舟山，202450)

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細水霧幕衰減熱輻射的數(shù)值模擬研究

鄔岱杰*，陳敏

(舟山市公安消防支隊，舟山，202450)

摘要:針對現(xiàn)有防火分隔技術的不足，以細水霧幕作為新的防火分隔技術，開展了不同細水霧幕霧特性對衰減熱輻射影響的數(shù)值模擬研究。通過建立長通道模型，在火源和被保護物體中間設置細水霧幕系統(tǒng)，測量有無細水霧幕及不同細水霧特性條件下被保護側(cè)溫度及熱輻射強度值，來定性定量研究細水霧幕衰減熱輻射的效率。模擬結果表明:細水霧幕可以很好的降低被保護側(cè)空間的溫度和熱輻射強度;衰減熱輻射效率隨霧滴粒徑的減小，噴霧流量的增大，噴頭排數(shù)增加而增大;另外，其衰減熱輻射效率與噴頭布置方式有關，上噴方式明顯優(yōu)于下噴方式。研究結果將對現(xiàn)有防火分隔技術的改善提供幫助和技術支持。

關鍵詞:細水霧幕;熱輻射;衰減效率;防火分隔

0　引言

細水霧作為一種清潔高效的防滅火技術已經(jīng)受到廣泛的關注。細水霧具有耗水量低，液滴粒徑小，滅火效率高等優(yōu)點，對其滅火機理，國內(nèi)外學者已經(jīng)開展了廣泛而細致的研究［1］。Rasbash［2］等在20世紀70年代最先開始細水霧滅火機理的研究，目前廣泛認可的細水霧滅火機理包括氣相冷卻和表面冷卻、隔氧窒息、衰減熱輻射以及動力學作用等，其中衰減熱輻射機理是細水霧滅火過程中的重要機理之一。對于火災載荷強度大的火災，往往會產(chǎn)生高強度的熱輻射災害，最終造成大量人員的致死致傷，同時也不利于人員疏散。本文研究根據(jù)細水霧衰減熱輻射機理，建立一種用來防火分隔，而不是直接用于滅火的細水霧幕系統(tǒng)，來遮蔽高強度的熱輻射，減輕因熱輻射所造成的人員傷亡，同時延長人員的逃生時間。Dembele［3］等人利用縮尺度實驗，研究了噴頭的類型、布置方式、系統(tǒng)的流量和壓力等因素對水幕衰減輻射熱能力的影響，結果表明隨噴頭排數(shù)增多，噴頭流量和壓力的增大，水幕系統(tǒng)衰減熱輻射能力增強。秦［4］等對貯油罐區(qū)防火水幕技術進行了模擬實驗研究，測得水幕的隔熱效率為97%。鐘［5］等從溫度的角度研究了大空間內(nèi)水幕的隔熱性能，實驗結果表明水幕能有效阻止火災蔓延，降溫隔熱效果顯著。葛［6］等人針對消防水幕隔熱效率，分析了噴頭流量、壓力等參數(shù)對熱輻射的影響。前人大部分采用的消防水幕或者水噴霧作為防火分隔技術，但是具有耗水量大，水漬污染嚴重，霧滴粒徑較大等缺點。周等［7，8］利用FDS軟件模擬了細水霧相關滅火特性的研究，Sikanen［9，10］等利用FDS模擬了高壓細水霧特性，并且進行了小尺度衰減熱輻射實驗，結果表明FDS火災模擬軟件對細水霧模擬及相關輻射熱傳輸計算具有一定的適用性。由于實驗條件的限制，本文利用FDS5.3軟件，細致研究不同細水霧霧特性對細水霧幕衰減熱輻射能力的影響，主要考慮不同霧滴平均粒徑，不同流率，不同噴頭排數(shù)，不同噴霧方式等因素，來獲得優(yōu)化的細水霧幕系統(tǒng)，為提高細水霧幕作為防火分隔技術提供技術支持。

1　物理模型與工況設置

本文采用火災動力學模擬軟件FDS開展研究工作。FDS是一種采用了大渦模擬方法的火災場模擬軟件，用混合分數(shù)燃燒模型來模擬火焰燃燒，采用拉格朗日粒子計算法模擬細水霧顆粒，通過求解非散射型灰度性質(zhì)的氣體的輻射方程來考慮輻射熱傳遞作用，對輻射方程的求解采用有限體積法(FVM)，細水霧粒子對輻射的吸收因子根據(jù)Mie理論計算［11］。本文研究中著重考慮細水霧噴霧模型及霧滴與熱輻射相互作用輻射傳輸模型，詳細的理論模型參考FDS用戶手冊［11，12］。

1.1物理模型及測量布局

圖1為模型示意圖，模型尺寸為長15 m，高4 m，寬為4 m。模型的左表面，右表面為敞開的，為了排除煙氣對研究的影響，設置上表面也為敞開的，其他表面為防火板材料?；鹪床捎? m×1 m的正庚烷池火，設定單位面積熱釋放速率為4000 kw/m2，模擬4 MW的大尺度火災，火源中心距離左表面為5 m，火源中心上方設置一列熱電偶。細水霧幕的構建由五個細水霧噴頭并排組成一列形成且間距為0.15 m，細水霧噴頭與火源中心距離為3.25 m，高度為3.0 m。細水霧幕背火源側(cè)中心位置設置輻射測點和熱電偶測點各一列且重合，距離細水霧噴頭1 m處;每列測點布置八個，從距離地面0.5 m到2.6 m處，間隔為0.3 m。以上各個模擬裝置均位于長通道的中心位置。通過分別測量有無細水霧幕啟動時的輻射熱通量和溫度值來表明細水幕衰減熱輻射的能力。

圖1　模型概況: (a)正視圖; (b)側(cè)視圖Fig.1 The physical model sketch: (a) Front view; (b) Side view

1.2網(wǎng)格劃分

FDS采用正交網(wǎng)格系統(tǒng)求解控制方程，所有物體均采用長方體型處理。網(wǎng)格單元尺寸是最重要的數(shù)值模擬參數(shù)，網(wǎng)格單元的大小決定了偏微分方程組離散的時間步長和空間步對。對于模擬包含浮力火羽流的流場，其網(wǎng)格大小可以根據(jù)無量綱直徑D*/δx［11］的大小來判斷，D*為特征火源直徑，如公式(1)所示:

本文中設定的火源熱釋放速率為4 MW，通過公式(1)計算得D*為1.67 m，從而δx約為0.10 m ～0.42 m。以此為依據(jù)開展網(wǎng)格獨立性分析，分別設置網(wǎng)格大小為0.1 m，0.15 m，0.2 m，0.25 m，0.3 m，0.4 m.對無細水霧條件下進行網(wǎng)格獨立分析模擬計算，通過比較一個溫度測點的結果來最終確定采用的網(wǎng)格大小。如圖2所示，在滿足模擬結果精度與時間消耗要求下，選擇0.15 m網(wǎng)格大小。

1.3模型參數(shù)與工況設置

本文主要研究細水霧幕特性對衰減熱輻射的影響，重點考慮通過改變細水霧特性等相關參數(shù)來研究其作為防火隔熱技術的應用。因此在以下幾點開展模擬研究: (1)不同液滴大小分布; (2)不同流率; (3)不同噴頭布置方式等三個方面開展工作。本文選擇模擬中壓細水霧，根據(jù)細水霧液滴粒徑定義為D99小于等于400 μm，設定細水霧噴頭基本參數(shù)如表1所示，模擬工況如表2所示，每組工況，細水霧開啟時間為120 s，環(huán)境條件均相同。

表1　細水霧噴頭基本參數(shù)Table 1 The parameters of Water mist nozzle

表2　工況條件Table 2 Working cases

2　結果和討論

根據(jù)表2所列工況，開展相關模擬，通過比較不同細水霧幕特性條件下衰減熱輻射效率的大小來獲得影響細水霧幕防火分隔的因素，并提供優(yōu)化細水霧幕防火分隔技術的關鍵參數(shù)。

細水霧幕衰減熱輻射效率計算如公式(2) :

其中，η為衰減效率，Iwith為有細水霧幕時所測輻射值，Iwithout為無細水霧幕時所測輻射值。

2.1不同液滴粒徑大小分布對細水幕衰減熱輻射的影響

按照工況1，展開數(shù)值模擬研究不同液滴粒徑分布對衰減熱輻射的影響。模擬結果如圖3所示:其中圖3a為沒有細水霧幕時輻射計測點所測得輻射熱通量隨時間的變化;圖3b～圖3e分別為不同高度處，在改變細水霧霧滴粒徑的條件下，各輻射計測點所測得輻射熱通量隨時間的變化。從圖3a中可以看到不同高度處所測輻射值不同，這是由于火焰不同高度的溫度和發(fā)射率的不同造成的;從圖3b～圖3e中可以得出霧滴粒徑越小，其衰減熱輻射的能力越強且不同高度處細水霧幕衰減熱輻射能力不同。圖4為高度1.7米處不同細水霧粒徑下溫度測點結果隨時間的變化，從圖4中可以看出，D50為50 μm時溫度可以從40℃左右降低到25℃，因此細水霧幕同樣可以降低被保護側(cè)溫度場且粒徑越小對溫度場的冷卻作用越強。圖5為不同高度處衰減效率隨平均直徑D50的變化，從圖5中可以看到D50從300 μm降到50 μm過程中衰減效率從0.2增加到0.6左右，增加率是逐步增大的。在粒徑相對較小時，在不同高度處衰減效率相差不大，這是因為粒徑較小，霧滴容易受到空氣卷吸，空氣阻力等因素的影響，從而懸浮于整個空間中，比較均勻的分布在流場中導致的。而粒徑較大時，其向下運動過程中，受空氣阻力及空氣卷吸的影響減弱，導致下方的霧滴累積相對較多，出現(xiàn)下部的衰減效率較大，上部較小。因此，在實際應用中，細水霧噴頭的霧化效果越好對衰減熱輻射的作用越強，但是考慮到風速環(huán)境影響時，霧滴粒徑最小值應有一個限制。

圖3　有無細水霧幕時不同高度和D50下輻射熱通量值隨時間的變化Fig.3 The temporal variation of radiative heat flux at different heights and D50with or without water mist curtain

2.2不同流率及噴頭布置方式對細水霧幕衰減熱輻射的影響

根據(jù)工況2，展開模擬計算，研究噴頭流率及噴頭布置方式(上噴和下噴)對細水霧幕衰減熱輻射的影響。圖6為高度1.7 m處不同流率下輻射熱通量隨時間的變化，通過比較圖6a與圖6b可以看出細水霧幕布置在地面向上噴射時，其衰減熱輻射的效果得到加強，同時溫度也降低更加明顯，如圖7所示。圖8為不同高度處細水霧上噴和下噴時衰減效率隨噴頭流量的變化。從圖8a和圖8b，可以看出隨流量的增大，衰減效率增加，但是當流量增大到某一值后，繼續(xù)增大流量，其衰減效率增加變得不太明顯。因此在實際應用中，噴頭的流量應該有一個上限，在這個上限范圍內(nèi)能實現(xiàn)經(jīng)濟與效益的最優(yōu)化。而比較圖8a與圖8b發(fā)現(xiàn)，上噴時細水霧幕衰減熱輻射的能力明顯增強，且下噴時不同高度衰減效率差別較小，而上噴時上方的衰減效率較大。這是因為上噴時，細水霧運動軌跡較長，先向上運動，后向下運動，在空氣中的停留時間相對較長，因此單位體積空間內(nèi)的細水霧濃度較大，從而導致上噴時衰減效率較高。因此，上噴這種布置方式可以提高細水霧幕衰減熱輻射效率。另外，在流率為2 L/min時，上噴霧幕的衰減效率達到40%～50%，而下噴霧幕衰減效率僅達到20%多點，因此在考慮水消耗量的前提下，上噴布置顯然具有很大優(yōu)勢。而在實際應用中，要考慮到施工問題及需要的場所等因素的影響。

圖4　不同條件下1.7 m處溫度測點隨時間的變化Fig.4 The temporal variation of temperature at 1.7 m height for different cases

圖5　不同高度衰減效率隨D50的變化Fig.5 The attenuation efficiency at different heights with the variation of D50

圖6　高度1.7 m處不同流率下輻射熱通量隨時間的變化Fig.6 The temporal variation of radiative heat flux at 1.7 m ight with the variation of water flow rate for single-row nozzles

圖7　高度1.7 m處不同流率下溫度隨時間的變化Fig.7 The temporal variation of temperature at 1.7 m height with the variation of water flow rate for single-row nozzles

圖8　不同高度處衰減效率隨噴頭流率的變化Fig.8 The attenuation efficiency at different heights with the variation of water flow rate for single-row nozzles

2.3不同細水霧幕排數(shù)及布置方式對其衰減熱輻射的影響

為研究增加細水霧幕排數(shù)對提高其衰減熱輻射效率的影響，設置雙排細水霧幕，如工況3所示，采用平均粒徑為150 μm，通過改變霧幕排數(shù)和流率，然后與單排霧幕效果比較。模擬結果如下:圖9為高度1.7 m處雙排細水霧幕作用下所測輻射熱通量隨時間的變化。與圖6相比較，發(fā)現(xiàn)雙排細水霧幕作用下，輻射熱通量測量值有所下降。圖10為高度為1.7 m處不同流率下溫度隨時間的變化，與圖7相比較，發(fā)現(xiàn)溫度值也是有所下降。

圖11為不同高度雙排細水霧幕下衰減效率隨噴頭流率的變化，與圖8相比較，發(fā)現(xiàn)不論上噴還是下噴情況下，雙排細水霧幕比單排提高了10%左右。這是因為提高用于衰減熱輻射的細水霧液滴的總量，提高了衰減熱輻射效率。因此，在實際應用中，在保持一定細水霧消耗總量相同的條件下，可以通過設置多排細水霧幕來提高防火分隔的效能。同樣可以看到，衰減效率隨噴頭流率的增大而提高，但是達到上限后，繼續(xù)增大流率對衰減效率的提高作用減弱，這說明有個最優(yōu)的細水霧流率，低于該極限值是合理的。

圖9　高度為1.7 m處不同流率下輻射熱通量隨時間的變化Fig.9 The temporal variation of radiative heat flux at 1.7 m ight with the variation of water flow rate for two-row nozzles

圖10　高度為1.7 m處不同流率下溫度隨時間的變化Fig.10 The temporal variation of temperature at 1.7 m ight with the variation of water flow rate for two-row nozzles

圖11　不同高度雙排細水霧幕下衰減效率隨噴頭流率的變化Fig.11 The attenuation efficiency at different heights with the variation of water flow rate for two-row nozzles

3　結論

通過數(shù)值模擬研究，得出細水霧幕具有很強的衰減熱輻射作用，具體結論如下:

(1)細水霧幕衰減熱輻射效率受液滴粒徑大小的影響，隨液滴粒徑的減小而增大，且粒徑越小，增長率越大。

(2)細水霧幕衰減熱輻射效率受水流率的影響，且隨水流的增大而增大，超過某一極限其衰減效果增強不再顯著。另外，其衰減效率也與噴頭布置方式有關，霧幕向上噴射時，對衰減熱輻射效率的提高顯著，這與霧滴在空間中的存在時間直接相關。

(3)增大細水霧幕的排數(shù)，對提高其衰減熱輻射的效率有一定的作用，但不是非常顯著，在水供應充足的條件下，可以考慮采用雙排。

(4)在細水霧幕衰減熱輻射的同時，可以降低被保護側(cè)空間的溫度。本研究中，細水霧幕可以使被保護空間溫度從40℃降低到25℃。

以上研究主要考慮了不同細水霧幕特性與噴頭布置方式等條件對其衰減熱輻射的影響，研究結果對各個領域內(nèi)火災場景的應用均有一定的參考意義。另外，對外界環(huán)境條件，如環(huán)境風等對細水霧幕應用的影響，本文沒有涉及，在后續(xù)研究中會涉及。

參考文獻

［1］劉秀云，等.細水霧滅火影響因素研究進展［J］.消防科學與技術，2010，29(4) : 269-271.

［2］Rasbash DJ，Rogowski ZW.Extinction of fires in liquids by cooling with water sprays［J］.Combustion and Flame，1957，1(4) : 4-12.

［3］Dembele S，et al.Experimental study of water spray for the attenuation of fire thermal radiation［J］.Journal of Heat Transfer，2001，123(3) : 534-543.

［4］秦俊，等.貯油罐區(qū)防火水幕模擬實驗研究［J］.火災科學，1999，8(4)，38-42.

［5］鐘濤，等.大型水幕防火分隔效果的試驗研究［J］.船舶工程，2004，26(6) : 40-42.

［6］葛曉霞，等.消防水幕衰減火災熱輻射的實驗研究［J］.火災科學，2007，16(2) : 72-80.

［7］周華，等.細水霧滅空間不同位置油池火的數(shù)值模擬［J］.消防科學與技術，2006，25(1) : 53-54.

［8張健青.不同工況下細水霧滅火效能影響的數(shù)值模擬［J］.消防科學與技術，2012，31(3) : 275-277.

［9］Sikanen T，et al.Modeling and simulation of high pressure water mist systems［J］.Fire Technology，2013，50(3) : 483-504.

［10］Vaari J，et al.Numerical simulations on the performance of water-based fire suppression systems［R］.VTT Technology 54，2012.

［11］McGrattan K，et al.Fire dynamics simulator (version 5)，user’s guide［M］.NIST special publication，2010，1019 (5)，1-186.

［12］Mcgrattan K，et al.Fire dynamics simulator (version 5)，technical reference guide［M］.NIST special publication，2004，1018.5.

Numerical study on the thermal radiation attenuation by water mist curtain

WU Daijie，CHEN Min
(Fire Detachment of Zhoushan，Zhoushan 202450，China)

Abstract:In this paper，the effect of the performance of water mist curtain (as a new fire separation technology) on the thermal radiation attenuation is studied by numerical simulation.In a long channel model，the water mist system is located in the middle between fire and the protected side.The thermal radiative attenuation efficiency by water mist curtain is investigated qualitatively and quantitatively through measuring the temperature and thermal radiation intensity of the protected side under different water mist curtain characteristics.The simulation results show that the water mist curtain can reduce the temperature and thermal radiation intensity in the protected side.The thermal radiative attenuation efficiency increases with the decrease of particle diameter，the increase of flow rate，nozzle rows.In addition，the attenuation efficiency is related with the way of water mist injection，and the upward injection is inherently better than downward injection.

Keyword: Water mist curtain; Thermal radiation; Attenuation efficiency; Fire separation

通訊作者:鄔岱杰，E-mail: wudaijie321@sina.com

作者簡介:鄔岱杰(1987-)，男，漢族，浙江岱山人，本科學歷，現(xiàn)任浙江舟山消防支隊嵊泗大隊助理工程師，研究方向為火災調(diào)查。

收稿日期:2015-04-13;修改日期: 2015-05-29

DOI:10.3969/j.issn.1004-5309.2015.03.05

文章編號:1004-5309(2015) -00151-08

中圖分類號:X931; X915.5

文獻標識碼:A