噴頭間距對城市隧道細水霧滅火的影響研究*

張 杰，吳尚紅，楊 猛，熊 正

(1.油氣消防四川省重點實驗室，四川 成都 611731；2.威特龍消防安全集團股份公司，四川 成都 611731)

0 引言

為減少城市道路用地、縮短行車里程、疏導交通，城市交通隧道在世界各國呈現集聚增長趨勢[1]。然而隧道內一旦發生火災，將會造成極大的經濟損失和人員傷亡。細水霧滅火系統具有氣體滅火和水滅火的雙重優點，并因環保、高效、無污染等特點而逐漸在城市隧道消防建設中被推廣[2]。

近年來，針對隧道、綜合管廊和大空間內細水霧設計參數對滅火效果的影響，國內外學者進行了大量研究，李濤等[3]通過隧道滅火實驗發現，細水霧噴嘴壓力超過某一臨界值時會出現水霧和燃料的揚沸，從而產生火焰強化現象；吳國鑫[4]通過隧道內細水霧不同工作壓力下的滅火實驗發現，壓力越高，耗水量越低，滅火時間越短；張培紅等[5]認為，隧道中火源位于細水霧噴頭正下方時滅火效果最好，細水霧噴射角度增加為30°～90°時滅火效果改善；Prasad等[6-8]分析了粒徑、噴射位置等參數對細水霧滅火的影響，發現在大封閉空間內，細水霧從頂部噴射時滅火時間最短；孫瑞雪[9]通過數值模擬研究發現，綜合管廊內噴頭間距≥6 m時細水霧無法有效撲滅管廊線纜火災，而間距小于3 m時可有效滅火，但該研究對此未作深入分析。綜上可知，目前關于城市隧道內噴頭間距對細水霧滅火效果影響的研究十分有限。此外， 《公路隧道設計規范》(JTG D70-2-2014)[10]中沒有對細水霧自動滅火系統的規定；美國《Standard Water Mist Fire Protection Systems》(NFPA750-2010)[11]提出噴嘴間距限制為：噴嘴之間的最小距離和最大距離均應符合制造商列表，但該標準沒有給出制造商列表；《細水霧滅火系統技術規范》(GB 50898-2013)[12]僅規定了電纜隧道的最大噴頭布置間距為3 m，而未對交通隧道作出規定。可見，目前國內外標準和規范對城市隧道中細水霧噴頭間距的規定并不明確。基于此，本文進行了相關實驗及FDS數值模擬，驗證噴頭間距對溫度、煙氣密度分布特征，并確定最佳噴頭布置間距，為城市隧道細水霧滅火系統的設計提供參考。

1 滅火實驗

1.1 實驗準備

實驗隧道尺寸為30 m×6 m×5 m(長×寬×高)，壁面為耐火混凝土，兩端自然開口；細水霧發生裝置主要包括水箱及補水裝置、細水霧泵組、控制臺柜、管網、細水霧噴頭等；測控儀器主要包括流量計、壓力計、熱電偶、秒表、高速攝像機等。

油盤大小為1 m×1 m×0.1 m(長×寬×厚)，壁厚5 mm，置于隧道中心地面處。燃燒物為1 MW的0#柴油，熱電偶布置于油盤正上方1，2，3，4 m及隧道頂棚處，分別編號為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ。參考GB 50898-2013，細水霧噴頭按2列布置，如圖1所示，高度4.5 m，流量特征系數K為1.0，流量為10 L/min。實驗工況共設4種，噴頭縱向間距分別為1，2，3，4 m，其他實驗條件相同。自點火開始計時，預燃60 s后噴細水霧。

圖1 隧道橫截面噴頭布置Fig.1 Layout of tunnel cross section sprinkler head

1.2 實驗結果

高清攝像機拍攝的滅火過程顯示，4種噴頭間距的細水霧要使隧道油池火完全熄滅較為困難，但對火焰的壓制效果較顯著，如圖2所示。圖3為Ⅲ號熱電偶的溫度隨時間變化情況，點燃油盤后，溫度迅速上升至300℃以上，開啟噴頭后，4種工況下的溫度都呈波動趨勢下降。其中噴頭間距為1 m時溫度降低速率最大，而間距3 m和4 m的溫度下降速率相對較小。

圖2 細水霧滅油池火實驗過程Fig.2 Experimental process of water mist extinguishing pool fire

圖3 Ⅲ號熱電偶溫度隨時間變化Fig.3 Temperature changes with time of No.3 thermocouple

細水霧滅火期間火源上方平均溫度與噴頭間距關系如圖4所示，噴頭間距越小，溫度越低，細水霧降低隧道火災區域溫度效果越好。在間距從1 m增加至4 m過程中，溫度增長速率先大后小，可見細水霧降溫與噴頭間距并非線性關系，為此進行了相應FDS數值模擬。

圖4 平均溫度隨噴頭間距變化Fig.4 Average temperature changes with sprinkler spacing

2 數值模擬

2.1 模型建立

實驗建立全尺寸FDS數值模型，采用相關經驗公式[13-14]計算網格尺寸為0.2 m×0.2 m×0.2 m。噴頭流量設為10 L/min，出口速度為100 m/s，噴霧錐角為110°，細水霧平均粒徑200 μm。模擬噴頭縱向間距為0.5～4 m，節點長度為0.5 m，共8種工況，模擬時長為600 s。數值模型如圖5所示。

圖5 全尺寸FDS數值模型Fig.5 Full size FDS numerical model

2.2 模擬結果

經過數值模擬，得出豎向溫度變化如圖6所示。結果表明，細水霧滅火期間，在火源上方垂直方向上，離油盤越遠處溫度越低，但隧道頂棚溫度稍高于頂棚下方1 m處溫度，這是由于噴頭設置高度為4.5 m，細水霧無法直接覆蓋頂棚。在油盤上方1 m處，僅噴頭間距為0.5和1 m時溫度低于100℃，間距超過1 m時溫度大于150℃，甚至達到315℃；油盤上方4 m處，噴頭間距0.5～4 m的溫度都小于110℃。表明噴頭間距較小時，細水霧對火焰壓制效果更顯著；而噴頭間距較大時，細水霧改善火災發生區域豎向溫度分布更明顯。

圖6 豎向平均溫度變化Fig.6 Vertical temperature

此外，隧道縱向距離油盤1 m處，不同工況的溫度差不超過20℃；距離大于2 m時，溫度差僅為6℃，如圖7所示。表明噴頭間距對隧道油池火縱向溫度影響差異較小，噴頭間距對隧道火災的影響主要表現在豎直方向上。

圖7 縱向平均溫度變化Fig.7 Longitudinal temperature

3 討論與分析

圖8為噴頭間距3 m情況下，火源上方2 m處不同時刻的實驗溫度、模擬溫度曲線對比圖，可以看出，二者數據較吻合，證明了模擬的有效性。結合實驗數據、模擬數據進一步分析噴頭間距對隧道火災的影響規律。

圖8 實驗數據與模擬數據對比Fig.8 Comparison between experimental data and simulated data

豎向平均溫度、煙氣密度與噴頭間距的關系如圖9所示，并非噴頭間距越大，溫度越高、煙氣密度越大，在間距D=2.5 m處，2條曲線均出現一凹值。細水霧滅火特性參數主要有霧化錐角、動量、粒徑分布及霧通量等[15]，在霧化錐角和粒徑不變的情況下，只考慮細水霧動量及霧通量對滅火的影響，霧通量可用單位體積的細水霧質量(數值上等于細水霧密度)間接表示。圖10為細水霧參數與噴頭間距的關系，發現噴頭間距越小，單位體積細水霧質量越大，D=0.5 m時的單位體積細水霧質量是D=4 m時的2.7倍；對于細水霧動量，若假設粒徑保持200 μm不變，則噴頭間距越大，單個霧粒的動量越大，按單位體積細水霧質量計算，D=0.5 m時細水霧總動量為D=4 m時的1.2倍。

圖9 溫度、煙氣密度與噴頭間距關系Fig.9 Temperature and soot density vs sprinkler spacing

圖10 細水霧參數與噴頭間距關系Fig.10 Water mist parameters vs sprinkler spacing

若噴頭間距以0.5 m為1個節點長度，則可將其與溫度、煙氣密度關系圖劃分為Ⅰ和Ⅱ 2個區域，如圖11所示。

圖11 噴頭間距影響規律分區Fig.11 Zoning for sprinkler spacing

Ⅰ區(D<2.5 m)：單位體積細水霧質量對油池火的影響占主導地位，即大量的細水霧粒子能更全面覆蓋火災區域，易形成隔離與窒息。利用Origin軟件擬合得到該區域溫度T、密度ρ與間距D的函數關系表達式為：

T=39.122D3-106.6D2+99.411D+16.052

(1)

ρ=-0.005D2+0.0707D+0.8867

(2)

式中：T為溫度，℃；ρ為煙氣密度，g/m3；D為細水霧噴頭布置間距，m。

Ⅱ區(D≥2.5 m)：細水霧滅火效果受單位體積細水霧質量與動量綜合影響，該區域的細水霧霧滴對火焰穿透性更強，但總數量相對較少，擬合關系為：

T=31.993D3-339.9D2+1211.2D-1319

(3)

ρ=0.02D2-0.0724D+1.0593

(4)

通過以上分析發現，噴頭布置間距為0.5 m時，細水霧控溫效果最明顯，然而對于全淹沒式細水霧滅火系統，雖然間距為0.5 m時的溫度比間距4 m時低91℃，但總用水量卻為間距4 m時的8倍，而間距2.5 m的溫度只比間距0.5 m高40℃，用水量卻是間距0.5 m的1/5，如表1所示。即噴頭間距0.5 m甚至更小時細水霧滅火效果較好，但成本非常高；間距4 m甚至更大時經濟消耗較少，但滅火效果較差。此外，由式(1)～(4)計算得到區間極小值點的噴頭間距為2.5 m，則認為對于寬6 m、高5 m的城市交通隧道，細水霧滅火系統噴頭布置間距為2.5 m較合理。

表1 不同噴頭間距下的溫度、總耗水量數據Table 1 Temperature and total water volume under different sprinkler spacing

4 結論

1)實驗結果與數模結果基本吻合，細水霧能夠有效抑制城市隧道火災。噴頭間距增加，溫度、煙氣濃度并非呈線性關系增長。利用Origin軟件分別擬合了溫度、煙氣密度與噴頭間距的函數關系，為工程設計提供了經驗計算公式。

2)噴頭間距小于2.5 m時，單位體積細水霧質量對滅火效果的影響占主導地位，若進一步減小間距，成本花費將極增并造成資源浪費；噴頭間距大于2.5 m時，細水霧滅火效果受單位體積細水霧質量與動量綜合影響，間距越大，對滅火越不利。

3)在寬6 m、高5 m的城市隧道中，細水霧噴頭間距宜設置為2.5 m。