綜合體高壓細水霧特性參數的火災動態模擬

王輝明， 王詩怡， 王祥林

(新疆大學建筑工程學院, 烏魯木齊 830046)

當前隨著科學技術的迅猛發展，人們對城市運作效率的要求日益增高，商業綜合體應運而生，促進城市經濟發展，達到互利共贏目的。基于綜合體結構復雜化以及人類需求的提升，傳統的消防技術及規范已不能完全滿足現有新型綜合體建筑要求。細水霧技術具有諸多突出優點，因此發達國家多采用細水霧性能化設計替代傳統技術，以避免造成安裝參數、噴霧參數在綜合體設計中的不協調[1]。因此中外學者對細水霧的控火、滅火機理進行了廣泛而細致的研究，Novohzliov等[2]使用了計算流體動力學(CFD)模擬方法，并對其進行了評述，將細水霧對固體火災的過程進行了模擬，從而判斷細水霧滅火的效果；Liu 等[3]針對不同的火災類型，分析了細水霧的滅火效果，研究發現細水霧的滅火速率和效果與火災的熱釋放率有一定的關系；Chen等[4]進行了細水霧滅商用廚房油火的全尺寸實驗，表明細水霧滅火效率隨著流量系數和工作壓力的增大而增長；賀元驊等[5]進行低壓環境對高壓細水霧霧滴粒徑的研究實驗，拓寬了適用環境，并表明霧通量及粒徑在低壓環境將增大。潘登[6]利用(fire dynamics simulator,FDS) 軟件模擬了受限空間脈沖細水霧滅火過程，研究不同開啟、暫停時間和不同火源功率對各指標的影響，得出高壓脈沖的高效節能及控火。湯慧等[7]對國家標準存在的不足及在細水霧系統中應用的利弊進行了實例研究，對參數設計進行細化。侯龍江[8]以杭州某大型商業綜合體項目為研究背景，分析了其中存在的消防問題，并探析了相應的消防安全管理與防火策略，以期提高城市商業綜合體建筑的安全性。

綜上所述，細水霧的研究主要集中在受限空間的常壓環境，高壓細水霧在新型建筑的應用較少，設計顧慮突出，缺少對大空間綜合體高壓細水霧特性參數的探討，因此，參考美國消防協會標準(NFPA)，利用BIM(building information modeling)技術在建筑全壽命周期集成和共享方面的優勢，建立某商業綜合體BIM 3D模型，并基于IFC標準分層轉化為火災動力學模擬(FDS)分析計算模型，研討大空間火災過程中單一噴頭高壓細水霧作用機理及Ⅱ級高壓細水霧在不同噴射速度、霧化角以及水霧壓力因素下與火焰相互作用過程，得到商業綜合體最佳高壓細水霧性能化參數，并與受限空間研究結果相對比，以期為同類型建筑的消防安全性能化設計提供參考。

1 流體動力學基本控制方程

火災燃燒是化學反應的傳熱、傳質和運動耦合過程，通過FDS著重研究火災的熱煙氣流動和熱量傳遞，求解描述低速、熱驅動的方程組，其數值計算的理論基礎是計算流體動力學，基本控制方程是流體力學的連續性方程、動量方程、能量方程和狀態方程，同時結合大渦模擬(LES)湍流模型[9]。

(1)質量守恒：

(1)

式(1)中：?為向量運算符號；ρ為流體密度；u為流體速度矢量；t為時間。

(2)動量守恒：

(2)

(3)

(4)

式中：p為壓力；f為外部力矢量；τij為流體黏性應力張量；δij為克羅內克符號。

(3)能量守恒：

(5)

(6)

(4)狀態方程：

(7)

(5)LES湍流模型：

(8)

(9)

(10)

式中:T為溫度；R為理想氣體常數；M為摩爾質量；μLES為湍流黏度；Cs為Smagorinsky常數；Δ為過濾尺度；KLES為湍流導熱系數；Pr為普朗特數；Cp為質量定壓熱容；(ρD)LES為湍流的物質擴散系數；Sc為施密特數。

2 物理模型及火災場景參數

2.1 物理模型

通過BIM技術建立1∶1的23層綜合體模型，分為東塔、西塔樓和裙樓，單層建筑面積最大達2 800 m2，四層以上層高為3.8 m。綜合體BIM 3D幾何模型如圖1所示。

圖1 綜合體BIM 3D模型

2.2 火災場景參數設計

通過建立火災計算模型，利用FDS火災模擬和Smokeview后處理軟件，對此綜合體進行高壓細水霧性能分析。依據樓梯位置，火源及探測器位置如圖2所示，為影響人員流動權值最大也是火災危險最高的地段。依據美國消防協會標準NFPA 204M《排煙標準(standard of smoke and heat venting)》(2002年)中定義的4種t2非穩態火災：慢速、中速、快速和超快速火[10]。結合大型商業綜合體建筑中廳物質可燃性較大、易燃物品多的特點，選取以非穩態熱釋放速率發生“超快速火”進行計算，火源當量為10 MW，其4種t2非穩態火災熱釋放速率對比如圖3所示，細水霧噴頭啟動溫度57 ℃,位于火源正上方，距離頂距離0.15 m。采取均勻網格劃分形式，網格尺寸為1 m×1 m×1 m，共303 084個網格細胞[11]。

圖2 火源及探測器位置

圖3 4種非穩態火災速率增長曲線

3 模擬結果對比分析

圖4為無高壓細水霧下火源上方溫度變化，按距地面2 m高位置的溫度不超過80 ℃指標，可知80 s左右就溫度而言已經不利于逃生。

圖4 無噴霧火源上方2 m溫度變化

3.1 霧化角對綜合體控火效率的影響

霧化角是細水霧的特征參數，如圖5所示，單嘴霧化角影響噴霧方向、有效覆蓋面積還間接影響細水霧的初始速度以及動量，進而決定了細水霧的穿透能力[12]，主要通過(霧通量)流量密度對控火起到關鍵性作用?，F設定4種霧化角度，噴頭參數如表1所示。

h為噴頭到火源的距離；θ為噴霧角

表1 噴頭參數

針對模擬中霧化角對霧通量影響，細水霧火焰區霧通量計算如式(11)所示：

(11)

式(11)中：q為噴頭噴出流量，m3/s；h為噴頭到火源的距離，m；θ為噴霧角，rad。

如圖6(a)所示，在綜合體建筑中，隨4種霧化角度的增大，溫度場峰值不斷降低，火焰區呼吸高度處溫度降低值隨著霧化角度增大而減小，且溫度峰值時間節點向前偏移，即一定量霧化角度增大有利于火焰區溫度降低。因為隨著一定量霧化角度增大，高壓細水霧作用范圍增大，霧滴分散，作用在火焰區的霧通量值就會趨于完全利用，促進與火焰的相互作用；一定量霧化角度增大加快了降溫速率，再結合圖6(b)，并考慮到綜合體大空間、樓層高等特點，火災蔓延更易多方向擴展，加快遠處(樓梯處)溫度的上升。對比文獻[13]可知，綜合體火源上方溫度在高壓細水霧施加初期，對火焰區沖切擾動造成的湍流更加劇烈，在細水霧作用初期火焰得到一定強化，施加初期溫度有回升現象，且對溫度而言霧化角越小強化幅值越大，并由圖6(b)可知霧化角越小，回升速率越快，究其原因是霧化角越大，火焰紊流以及煙氣湍流更容易破壞射流的穩定性，打破射流的表面張力，得到細小的霧滴，相對面積增大，得到二次氣化，冷卻作用明顯。但當霧化角超過了臨界值，隨細水霧施加，有效霧通量減少，使超快速火表面溫度震蕩明顯，當霧化角為120°時，火源上方溫度震蕩作用尤為顯著，細水霧施加6 min后火源上方溫度降至室溫。對比文獻[14]以及參考美國消防協會標準NFPA750《細水霧滅火系統標準》的受限空間霧化角基礎上，綜合而言，在大空間建筑里，霧化角要在60°基礎上有所增加，可以看出60°～105°角度下，角度增大控火效果會有增強，角度為105°時已經達到很好的控火效果，所以考慮經濟性，應該選擇105°為最佳。

圖6 溫度變化曲線

3.2 噴射速度對綜合體控火效率的影響

通過對細水霧霧化角控火效率的分析發現，在抑制火災過程中，表面冷卻作用效果顯著。在霧化角105°基礎上，為了保證特定細水霧粒徑能順利穿透火羽流，作用于火焰區，提高霧滴速度尤為關鍵。結合上述模擬現設定4種噴射速度，噴頭參數如表2所示。

表2 噴頭參數

霧滴在運動過程中符合牛頓第二定律和動量守恒定律如式(12)所示：

(12)

式(12)中：ρ為霧滴密度；r為霧滴粒徑；u為霧滴速度；t為時間；G為霧滴重力；Ff霧滴所受的浮力；Fd為熱羽流對霧滴的卷吸作用力。

不同噴射速度情況下，火源上方2 m處細水霧控火數值模擬的溫度隨時間變化曲線如圖7所示。由圖7(a)可知，4種不同流速下的溫度變化趨勢也很相近，噴射速度為7 m/s時溫度下降耗時最長，10 m/s耗時與7 m/s相差不大，但高壓細水霧作用前期，10 m/s的降溫效果明顯，在火災充分發展階段之后平均溫度低于7 m/s工況；噴射速度為13 m/s和15 m/s時，溫度下降耗時時差基本在10 s之內，噴射速度13 m/s的工況在高壓細水霧作用前期降溫優于15 m/s工況，且在火災充分發展階段震蕩幅度及時間區域小，再結合圖7(b)中樓梯處溫度變化曲線，可知對遠離火源的位置，噴射速度為13 m/s和15 m/s的工況在300 s左右有溫度增長平穩段，但后期存在可忽略的負面影響。結合式(12)，分析其原因：噴射速度控制的控火機理主要是細水霧霧通量≥煙羽流動量，才能保證在同空氣的接觸中產生了極大的剪切力并以湍流的方式進入火焰區，高動能的細水霧對火焰蔓延產生湍流擾動重分布，控火效能大大提高；同時，根據狀態方程要避免細水霧高動能引起空氣動力學副作用，使室內形成壓力變動，氣體密度增加，導致霧滴的收縮，束縛了霧滴的發散。由圖8可知，此變動加快高溫煙氣中CO流動，超過臨界噴射速度火焰橫向擴展。綜上所述，13 m/s工況火源上方溫度峰值低于80 ℃，并考慮節能經濟性，綜合體建筑應該選擇13 m/s的噴射速度。

圖7 溫度變化曲線

圖8 不同噴射速度工況CO濃度及分布

3.3 水霧壓力對綜合體控火效率的影響

對于高壓細水霧系統，細水霧壓力是一個十分重要的安全設計參數。細水霧壓力不僅決定著噴霧流量，而且還決定著霧滴粒徑大小再分布、最大動能等一系列與火災抑制有緊密聯系的參數。在上述模擬基礎上現設定4種水霧壓力，噴頭參數如表3所示。

表3 噴頭參數

根據水霧壓力計算噴頭流量，計算公式為

(13)

式(13)中：K為流量系數；p為水霧壓力，MPa。

不同壓力情況下，通過細水霧抑制大空間超快速火，火源上方2 m處溫度隨時間的變化曲線如圖9所示。由圖9(a)可知，4種水霧壓力作用下，初期火源附近的平均溫度迅速下降，最終下降到了25 ℃左右，說明高壓細水霧起到了高效的冷卻效果。相同流量系數下，隨著壓力上升至臨界壓力，溫度波動減弱，結合圖9(b)可知，對火源控制效果越好，前期對遠離火源位置的控溫越有效，但后期存在負面影響；分析其原因：噴射高壓加快細水霧在空氣中的高速運動，產生極大的剪切力，且更易接近火源，霧滴分裂充分，霧滴粒徑下限變小，霧滴數目增多總表面積增大，氣化速率加快；但當其超越臨界值，壓力、速度組合作用下引起空氣動力學副作用，導致火羽流和火焰區的紊亂，由圖10可知，超越臨界噴霧壓力，造成火焰向橫向擴展以及加快高溫煙氣中CO流動?？v觀4種工況，溫度在150～300 s波動幅度大，此時屬于火燃燒的蔓延階段，側面說明高壓細水霧可以有效抑制火勢地蔓延。10 MPa的溫度隨時間曲線震蕩幅度小，此后壓力的增大對控火效果提高已無經濟性可言，所以噴霧壓力為10 MPa是合適的選擇。

圖9 溫度變化曲線

圖10 不同水霧壓力工況下CO濃度及分布

綜合上述過程，從霧化角最佳→噴射速度最佳→水霧壓力最佳，通過對三參數控制變量分析研究，初期火源附近降溫速率增大，最低溫度減小，幅值逐漸降低，各級溫差大概10 ℃。并對照圖8、圖10可知在較好噴射速度基礎上，噴霧壓力工況下又減弱了CO流動。

4 結論

通過對商業綜合體火災下高壓細水霧的數值模擬分析，探討了霧性參數對大空間綜合體溫度、CO流動的影響規律以及控火效能，得到以下結論。

(1)利用BIM技術結合FDS數值模擬能全尺寸詳細地研討大空間內高壓細水霧與火羽流作用過程中參數的變化，為商業綜合體內高壓細水霧性能化設計和控火機理提供理論基礎。

(2)霧化角反映的是細水霧對火場的覆蓋范圍，在綜合體中霧化角增大到一定程度時，火焰區霧通量趨于完全利用，提高了細水霧控火效能。大空間綜合體在不同霧化角高壓細水霧施加初期造成紊流擾動比受限空間更加劇烈且溫度有回升現象，火焰得到一定強化且霧化角大于受限空間霧化角。

(3)高壓細水霧不同噴射速度與火焰作用表明，在綜合體中噴射速度增大一定量值，降溫速率與幅值均增大，在火災充分發展階段震蕩幅度及時間區域小，最終火源表面實現明顯冷卻。

(4)隨著壓力上升至臨界壓力，溫度回升之后波動減小，對火源控制效果越好，當超越臨界值，壓力、速度組合作用下導致火羽流和火焰區的紊亂，造成火焰向橫向擴展以及加快高溫煙氣中CO流動。