側噴細水霧控制羅布麻倉庫火災的有效性分析

一、羅布麻倉庫簡介

本數值模擬實驗以新疆巴音郭楞蒙古自治州某羅布麻倉庫火災案例為基礎而建立。倉庫為丙類鋼結構工業建筑，由彩鋼板搭建而成，建筑長83m 寬25m 高9m，共有四個大門一個常開其余三個常閉。倉庫外圍共兩層窗戶，單個窗戶長3m 相鄰窗戶間隔3m，下層窗戶高1.6m 下邊緣距地面1.2m，上層窗戶高1m 上邊緣距頂棚1.5m，日常使用過程中窗戶處于常閉狀態。羅布麻經打包機打包成堆垛的形式堆放，每個羅布麻堆垛長1m 寬0.8m 高0.5m，三到四個堆在一起堆放在靠墻位置，相鄰堆垛之間間隔在1.4m 左右，倉庫內日常擺放900多個羅布麻包。根據《建筑防煙排煙系統技術標準GB51251-2017》，對于高度超過6m的工業用房防煙分區控制在2000m2以內，因此對于本文研究的羅布麻倉庫可看作一個防煙分區。

二、物理模型搭建

FDS 數值模型按照羅布麻倉庫尺寸1：1 建立物理模型。羅布麻堆垛四個堆成一堆，單個堆垛尺寸為1m×0.8m×0.5m，相鄰堆垛之間間隔1.4m，靠墻位置五個一堆，靠窗位置兩個一堆，倉庫場邊一側堆放三排短邊一側堆放四排其余位置不堆放，模型中共放有917個羅布麻包。模型搭建如圖1所示。

圖1 羅布麻倉庫FDS模型

（一）火源設置

該數值模擬實驗模擬倉庫內電線老化短路后引發相鄰羅布麻堆垛起火的情形。結合倉庫電線分布實際情況，將火源設置為大門左側靠墻的第四個堆垛，模擬電線短路引燃下方堆垛的火災場景。一個羅布麻包重約65 千克，參考美國消防工程師手冊煙絲的燃燒熱約為15MJ/kg，一個羅布麻包燃燒殆盡需近15min，因此將火源功率設置為1MW，火源在模擬開始后1s 達到最大值。

（二）網格劃分

根據NIST 提供的FDS技術參考，網格大小與火源特征直徑存在密切聯系，特征直徑可由下式計算：

式中，D*——為火災特征直徑；

Q——為火源熱釋放速率（單位：kW）；

ρ0——為環境空氣密度，通常取值1.2kg/m3；

T0——為環境空氣溫度，通常取值293K；

CP——為環境空氣比熱，通常取值1kJ/kg·K；

g——為重力加速度，通常取值9.8m/s2；

當網格δχ尺寸滿足D*/δχ在4至16之間時，可以達到比較好的模擬效果。根據上式計算，1MW 熱釋放速率對應的網格尺寸應在0.06～0.25m之間取值。為確保數值模擬結果可靠性，降低網格尺寸對結果造成的誤差，選取0.1m3、0.15m3、0.2m3、0.25m3四種網格尺寸對模型進行網格獨立性檢驗。將熱電偶布置在與火源中心間距2.4m的位置，通過檢測溫度變化判斷網格尺寸對溫度數據的影響，模擬時間5min。

圖2 網格獨立性檢驗

由圖2的模擬結果得出，此次研究網格大小取為0.1m3。同時，為了優化模擬資源將模型劃分為多個網格，火源附近20m×6.4m的區域網格大小為0.1m3，其余網格大小設置為0.4m3。

（三）其他參數設置

為了達到比較好的控制效果，羅布麻倉庫內部細水霧滅火系統設計為高壓系統，工作壓力10MPa。采用的單個細水霧噴頭流量系數k為0.89，對應流量為8.9L/min，噴頭霧錐角120°。噴頭水平安裝在倉庫側壁，相鄰噴頭間隔3m。燃燒反應采用正庚烷燃燒，模擬時間設為300s，其余參數設為默認值。

三、細水霧作用下倉庫火災的控制效果

本章節中為了研究側噴細水霧對羅布麻堆垛倉庫火災的控制效果，將細水霧噴頭水平安裝在4m高度處，在模擬進行60s 后開啟細水霧噴頭釋放水霧。此時倉庫內部溫度場基本穩定，煙氣層也初步形成，火災已經發展到一定規模，此時開始釋放細水霧可以研究在較為危險的火災場景下的控火能力。

（一）火焰形態變化

圖3是火源中心X軸方向在不同時刻的溫度場切片。從模擬結果來看前60s 火焰在湍流的影響下有所波動但整體形態較為一致。60s時細水霧開始施加，水滴進入火場之后迅速吸熱蒸發產生大量水蒸氣對火焰區形成沖擊，使得火焰不斷波動。120s時在細水霧的作用下火焰高度有所降低，火焰強度得到一定控制。隨著環境中霧滴密度不斷上升對火焰的控制效果更加明顯，從圖中可以看出在200s和300s時火焰高度進一步降低，火源強度得到有效控制。

圖3 細水霧作用下火源中心X軸方向溫度切片

（二）細水霧的冷卻效果

圖4為細水霧噴頭在4m高度處作用時火源上方不同高度溫度隨時間變化曲線。從圖中可以看出火源位置處溫度曲線基本保持在800℃左右，曲線在前期波動較為明顯，后來逐漸區域平緩，這是由于細水霧在施加過程中汽化蒸發產生的大量氣體對火源造成了一定沖擊引發火源位置溫度的波動，隨著施加時間的持續液滴濃度逐漸增大，對火源的強度形成較好的抑制效果，此時吸熱產生的氣體量也隨之降低對火源的沖擊效果也有一定削弱，因此曲線變得平緩。火源上方6m高度處溫度曲線與未施加細水霧的工況相比，溫度有所降低但下降幅度并不明顯，施加細水霧后溫度開始下降曲線從150℃左右下降至100℃左右，并趨于平穩，這是由于細水霧噴頭高度處在4m高度處不能對6m 處進行有效的降溫，主要通過吸收高溫煙氣中一部分熱量以及隔絕了部分熱輻射從而使得該位置溫度有所降低。火源上方3m和4m高度處溫度曲線的走勢較為相似，在細水霧施加之前曲線波動范圍較大，與上述分析一致這是由于火源的湍流特性使得火焰高度不斷上下波動，而3m高度處恰好處于間歇火焰區，受火焰高度的變化該處溫度也會隨之變化；隨著細水霧的施加在模擬進行70s 之后整體溫度開始下降，曲線仍有一定的波動性但波動的范圍有所降低，說明火焰強度得到一定的抑制作用，火焰高度的降低使得火源上方3m 及4m高度處不再受到直接加熱；隨著細水霧施加時間的延續，兩條溫度曲線不斷下降且下降趨勢逐漸變小，模擬進行200s 之后兩條溫度曲線區域平穩，均處在200℃以下，說明此時火焰高度得到有效控制，3m 及4m高度處已經不再受到火焰的直接影響，從圖3 也可以看出，此時火焰高度明顯降低火源得到有效抑制。

圖4 噴頭高度4 m時側噴細水霧作用下火源上方不同位置溫度變化

四、不同高度側噴細水霧對控火效果的影響

《細水霧滅火系統技術規范》中對細水霧系統特定的一些應用場所給出了相應的設計要求，但是沒有對側噴細水霧的安裝方式給出規定。對于一般細水霧系統，噴頭安裝高度在3至5m之間且安裝在頂棚位置，位置過高水霧液滴難以到達著火區域進行有效滅火，位置過低細水霧不能充分霧化，因此安裝高度對細水霧在實際滅火過程中顯得十分重要。本節中通過分析不同安裝高度下細水霧對羅布麻堆垛倉庫火災的控制效果來設計合理的噴頭安裝高度。

（一）不同安裝高度下細水霧對火焰強度的控制效果

本節中將噴頭分別布置在3m、3.5m 及4m 三種高度，細水霧開始施加時間仍設置為60s，總模擬時間300s。圖5和圖6為細水霧噴頭分別在3m和3.5m高度作用時火焰的形態變化過程。結合圖3 可以看出噴頭在4m高度時在模擬進行120s時就表現出較為明顯的控制效果，火源強度有所降低，說明此工況對應的控火效果更為理想。

圖5 噴頭在3 m高度處作用時X軸方向火焰形態變化

圖6 噴頭在3.5 m高度處作用時X軸方向火焰形態變化

（二）噴頭不同安裝高度對冷卻效果的影響

圖7和圖8分別為側噴細水霧噴頭在3m、3.5m 兩種不同高度作用下，火源上方不同位置溫度變化曲線。從圖中可以看出噴頭安裝在不同位置時，兩圖中各測點溫度曲線變化趨勢基本一致，火源處溫度達到穩定狀態后基本保持在800℃左右。

結合圖3和圖4，通過對比可以發現當噴頭安裝在4m高度處時火源在細水霧的作用下得到較好的抑制，火源上方溫度曲線在細水霧的冷卻效果下逐漸趨于平穩且處在相對較低的位置，說明在此高度下側噴細水霧對火源的作用效果最為理想。

圖7 噴頭在3m高度處作用時火源上方不同位置溫度變化

圖8 噴頭在3.5m高度處作用時火源上方不同位置溫度變化

通過上述分析，三種設定工況隨著噴頭安裝高度的上升細水霧對火源的控制效果越好。

五、結語

本章根據實際倉庫建立了全尺寸模型，通過對倉庫火災場景的模擬發現火源位置溫度達到了800℃左右很容易引燃同堆的羅布麻包，從而使得火災規模成倍擴大，火焰對周圍臨近堆垛表面的加熱作用也會隨之增強誘發火蔓延的可能性上升。在施加細水霧模擬工況中，隨著細水霧施加時間的延長對火源上方溫度的控制效果也越發明顯，模擬進行150s 后火源上方測點溫度明顯降低并處在較為穩定的狀態。通過改變側噴細水霧噴頭高度研究對滅火效果的影響，結果發現在3m、3.5m 及4m 三種設定工況下隨著噴頭高度的增加細水霧對火焰形態的抑制效果也更加明顯，對火源上方的冷區效果也更為出色。