受限開口小房間內(nèi)火災(zāi)受水霧作用的數(shù)值模擬

鄧　琦，武紅梅，霍　巖

(1.海裝艦船辦，北京 100071； 2.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064；

3.哈爾濱工程大學(xué)航天與建筑工程學(xué)院 哈爾濱 150001)

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受限開口小房間內(nèi)火災(zāi)受水霧作用的數(shù)值模擬

鄧琦1，武紅梅2，霍巖3

(1.海裝艦船辦，北京 100071； 2.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064；

3.哈爾濱工程大學(xué)航天與建筑工程學(xué)院 哈爾濱 150001)

摘要：為了掌握水霧在受限制開口房間內(nèi)對火災(zāi)的作用情況，利用數(shù)值模擬方法對有限寬度開口小房間內(nèi)的水霧粒徑范圍為200～1 400 μm時對液體火災(zāi)的作用進(jìn)行數(shù)值計算分析，比較房間內(nèi)的流場影響，房間如果開口過大則水霧起不到滅火作用，若開口較小使火災(zāi)轉(zhuǎn)變?yōu)橥L(fēng)控制燃燒時，水霧的滅火效能隨著水霧平均粒徑增大而降低，水霧粒徑為200 μm可以起到有效的滅火作用，而且開縫寬度較小時的滅火速度更快；對于粒徑大于400 μm的水霧來說，滅火效能并非是隨著房間門打開寬度的減小而增大，同樣的水霧在開口寬度為0.15 m時對火災(zāi)的抑制作用效果較門開口寬度為0.25 m時差；靠近門開口中下部分的附近區(qū)域是易發(fā)生回燃的危險區(qū)域。

關(guān)鍵詞：受限開口房間；火災(zāi)；水霧；數(shù)值模擬

建筑中的房間、船舶艙室等有開口的房間內(nèi)一旦發(fā)生火災(zāi)，若不能迅速地實施滅火則可能會造成巨大的損失。自動滅火系統(tǒng)中的水霧滅火系統(tǒng)作為一種清潔滅火劑受到了廣泛的關(guān)注，并且已成為船舶鹵代烷滅火系統(tǒng)被淘汰后[1]的主要替代品之一。水霧在建筑和船舶機(jī)艙等空間內(nèi)的滅火降溫的有效性已通過實驗和數(shù)值模擬驗證[2-7]。然而，水霧滅火機(jī)理還沒有被深入理解，尤其是對于船舶來說是一種新型滅火系統(tǒng)，其在船舶艙室環(huán)境中的適用性和相關(guān)參數(shù)在船舶艙室環(huán)境中的優(yōu)化設(shè)計都是亟需解決的問題，尤其是艙室門未能及時關(guān)閉或存在一定的開縫條件下的水霧滅火效能還不能被準(zhǔn)確判定。為此，以一有限制寬度開口的房間為研究對象，對其在不同的門開口寬度條件下發(fā)生火災(zāi)時的固定式水霧系統(tǒng)滅火情況進(jìn)行數(shù)值模擬，確定不同水霧粒徑對房間內(nèi)火災(zāi)的作用情況。所得結(jié)果可為固定式水霧系統(tǒng)在船舶艙室等新應(yīng)用水霧系統(tǒng)的場所消防設(shè)計提供一定的參考依據(jù)。

1模型條件設(shè)置

假設(shè)模擬房間的內(nèi)部空間尺寸為長3.9 m、寬2.5 m、高2.6 m，艙室結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1　艙室結(jié)構(gòu)示意

房間有一房間門開口可與外界相通，門開口高度為2 m，假設(shè)發(fā)生火災(zāi)后房間內(nèi)通風(fēng)被關(guān)閉，因此在模擬過程中不考慮通風(fēng)口的影響，認(rèn)為房間的門開口是與外界相通的唯一開口。模擬過程中，分別用門開口寬度d=1.20、0.25、0.15 m來表示實際門開口開放不同程度時所留的開縫。

假設(shè)燃料為電氣潤滑油類所形成的液體，由高溫部件或電火花等不慎引燃形成0.3 m×1 m的燃燒面積，燃料燃燒時放熱量為42 800 kJ/kg。由于水霧滅油類等液體火時主要依靠對空間的降溫和隔氧作用，因此為了重點考察這2種作用對火源的影響，將火源位置設(shè)于房間靠近房間里端的墻壁附近，此位置并非水霧噴頭的正下方，以防止水霧噴頭開啟瞬間的沖擊對火源的影響。

在房間上部設(shè)置2個屬性相同的水霧噴頭，每個水霧噴頭的作用壓力10 MPa，K系數(shù)0.6，模擬過程中分別考慮平均水霧粒徑為200、400、600、800、1 000、1 200和1 400 μm 7種情況。兩水霧噴頭在燃料被點燃后60 s同時啟動。假設(shè)僅房間內(nèi)有水霧滅火系統(tǒng)作用，房間門開口外環(huán)境與大氣環(huán)境相同。模擬軟件采用美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)開發(fā)的火災(zāi)模擬軟件FDS(Fire Dynamics Simulator, version4.07)，使用基于Smagorinsky亞格子模型的大渦模擬技術(shù)，整個計算空間采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為0.05，網(wǎng)格數(shù)為78×50×52=202 800。

2結(jié)果與分析

燃料被點燃后若水霧噴頭未作用，即燃料在未受任何滅火手段干預(yù)時的燃燒熱釋放速率(HRR)結(jié)果見圖2。

圖2　水霧未作用時的熱釋放速率隨時間變化

由圖2可見，在3種門開口寬度條件下，燃料在被點燃后都可以迅速發(fā)展到約1.3 MW，房間門開口寬度d=1.2 m時，可以形成穩(wěn)定的燃燒，熱釋放率保持在約1.3 MW附近波動。而在房間門開口寬度為0.25 m和0.15 m時，熱釋放率在達(dá)到1.3 MW后很快迅速下降，在50 s以后熱釋放率值分別下降到約400 kW和600 kW并在此值附近波動。造成此類差別的原因是由于房間門開口減小后，燃料燃燒迅速消耗掉了房間內(nèi)的氧氣，而較小的房間開口不足以充分補(bǔ)充燃燒所需氧氣，因此燃燒在一定程度上受到通風(fēng)條件的限制。

若房間內(nèi)水霧噴頭在燃料被點燃后60 s開始作用，當(dāng)門開口寬度為0.25 m和0.15 m時，僅水霧粒徑為200 μm時可以將火災(zāi)有效的徹底抑制，通過模擬得到的水霧滅火所需時間分別為259 s和100 s，此時開縫寬度較小時水霧滅火速度更快。水霧作用5 min后對于房間內(nèi)的火災(zāi)抑制情況隨著水霧粒徑變化見圖3。

圖3　不同水霧粒徑的滅火作用

圖3中100%表示火焰被完全熄滅，0%表示未對燃燒起任何影響。由圖3可見，當(dāng)門開口寬度為1.20 m時，粒徑為200～1 400 μm的水霧對燃燒都幾乎沒有影響；而在開口寬度為0.25 m和0.15 m時，粒徑為200 μm的水霧可以將房間內(nèi)的火焰完全熄滅，起到有效的滅火作用；而水霧粒徑大于400 μm時的滅火能力就迅速下降；水霧粒徑大于600 μm時，滅火效能下降至20%以下。

總體上講，在相同門開口條件下，隨著水霧平均粒徑的增大，其滅火效能逐漸減弱。門開口寬度為0.15 m時，滅火效能下降的比門開口寬度為0.25 m時更快，說明對于粒徑大于400 μm的水霧來說，滅火效能并非是隨著房間寬度的減小而增大，同樣的水霧在開口寬度為0.15 m時對火焰的抑制作用效果較門開口寬度為0.25 m時差。

粒徑為400 μm的水霧作用5 min后，門開口寬度分別為0.25 m和0.15 m時的房門開口處的水平方向速度分布情況見圖4。

圖4　門開口處的速度分布

圖4中速度為正表示氣流由房間內(nèi)流出，速度為負(fù)表示由外界氣流進(jìn)入房間內(nèi)。由圖4可見，房門開口中上部存在一個速度為零的中性面，中性面以上的門開口上部區(qū)域內(nèi)，房間內(nèi)氣體流出，而中性面以下的門開口為外界空氣流入房間區(qū)域，存在此現(xiàn)象是由于水霧并沒有將火源的火焰完全徹底熄滅，因此房間內(nèi)燃料要維持燃燒則需要從外界引射空氣進(jìn)入房間內(nèi)，而外界空氣主要由門開口的下部區(qū)域進(jìn)入房間。

在門開口寬度d=0.25 m和0.15 m時，粒徑為400 μm的水霧作用5 min后，由房間開口下部進(jìn)入房間內(nèi)的氣體流線情況見圖5。可以看出，由門開口下部進(jìn)入房間內(nèi)的外界氣流有一部分會流至火源附近區(qū)域，這說明此時火焰未被完全熄滅，還具有引射空氣來維持其燃燒的能力，此時的水霧未能起到徹底將火源隔絕氧氣的作用。

圖5　門開口處的速度分布

門開口寬度d=0.15 m時，200 μm粒徑的水霧作用下的房間內(nèi)氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布見圖6。

圖6　200 μm粒徑的水霧作用下的房間內(nèi)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

可以看出，由于此時水霧粒徑較小，可以更容易霧化從而起到有效的隔絕氧氣的作用。房間內(nèi)的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)可被降低至10%以下，即使是門開口附近也僅在門口邊界附近很小的區(qū)域內(nèi)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到12%～14%，這樣，整個房間內(nèi)均不具備燃燒條件，火焰可以被有效地徹底熄滅。

門開口寬度d=0.15 m時，400和1 400 μm粒徑的水霧作用下的房間內(nèi)溫度和氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布情況分別見圖7、8。

由圖7、8結(jié)果可以看出，400 μm粒徑的水霧比1 400 μm粒徑的水霧降溫效果好，房間內(nèi)溫度可以被降低至100 ℃以下；但是在門開口處的局部溫度也可以達(dá)到90 ℃，而且在門開口附近區(qū)域受外界新鮮空氣進(jìn)入的影響可使氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到14%以上，此區(qū)域是具備燃燒條件的區(qū)域，一旦未燃盡的燃料運(yùn)動到此區(qū)域，則可能會引起未燃燃料在此處發(fā)生回燃現(xiàn)象。而1 400 μm粒徑的水霧作用下的房間內(nèi)靠近地面附近的底部區(qū)域溫度均可達(dá)到60 ℃以上，并且房間內(nèi)的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)結(jié)果也表明在靠近房門開口附近區(qū)域氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)值較高，因此相比400 μm水霧作用時的結(jié)果更適合于燃料燃燒和回燃現(xiàn)象的發(fā)生。

圖7　400 μm粒徑的水霧作用下的房間內(nèi)溫度和氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖8　1 400 μm粒徑的水霧作用下的房間內(nèi)溫度和氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3結(jié)論

1)房間門開口寬度為1.20 m時，艙室內(nèi)氧氣供給充足，可以形成穩(wěn)定的燃燒，此時采用粒徑為200～1 400 μm的水霧滅火沒有作用。

2)房間門開口寬度為0.25 m和0.15 m時，燃料燃燒后的熱釋放率在達(dá)到最大后很快迅速下降，轉(zhuǎn)變?yōu)橥L(fēng)控制的燃燒，此時僅水霧粒徑為200 μm時可以將火災(zāi)有效地徹底抑制，通過模擬得到的水霧滅火所需時間分別為259 s和100 s，此時開縫寬度較小時的水霧滅火速度更快。

3)在門開口寬度d=0.25 m和0.15 m時，平均粒徑分別為400～1 400 μm的水霧都不足以起到有效的降溫和隔絕氧氣的作用，房間內(nèi)燃燒依然具有由外界向房間內(nèi)引射空氣至火源所在區(qū)域的能力；同時隨著水霧平均粒徑增大，滅火效能降低，當(dāng)水霧粒徑大于600 μm時，滅火效能可下降至20%以下。

4)對于粒徑大于400 μm的水霧，隨著水霧粒徑增大，滅火效能并非是隨著房間寬度的減小而增大，同樣的水霧在開口寬度為0.15 m時對火焰的抑制效果較門開口寬度為0.25 m時差。

5)在房間內(nèi)水霧滅火過程中，靠近門開口處的中下部分是火焰易發(fā)生回燃而使滅火失敗的危險區(qū)域，因此應(yīng)在消防設(shè)計中對此區(qū)域進(jìn)行特殊處理。

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Numerical Simulation on the Suppression of Fire by Water Mist in a Cabin with Confined Opening

DENG Qi1, WU Hong-mei2, HUO Yan3

(1 Ship Office, Naval Armament Department of PLAN, Beijing 100071, China;2 China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China;3 College of Aerospace and Civil Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Abstract:To study the influence of the water mist on the fire in a confined opening compartment, some researches are carried out about the effect of the diameter between 200-1,400 μm of the water mist on the liquid fire. By numerical simulations, it is found that when the opening is large enough, water mist has no effect on the fire; when the opening is so small that the fire became wind-controlled, the efficiency of water mist becomes strong with the averaged diameter of water mist enlarged. And the diameter with 200 μm can extinguish fire effectively when the opening reduced. But when the diameter is larger than 400 μm, the efficiency is not increased with opening width less. With the same sized water mist, the effect of extinguishing fire with the opening width 0.15 m becomes less than that with the opening width 0.25 m. The region near the bottom of the door opening was easier to burn again.

Key words:confined opening; fire; water mist; numerical simulation

中圖分類號：U698.43;X932

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)02-0074-04

第一作者簡介：鄧琦(1978-), 男, 碩士，工程師E-mail:zhaowuhongmei@163.com

基金項目：國家部委基金資助項目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.020

修回日期：2016-01-21

研究方向:電氣自動化