基于FDS 的高壓細水霧滅火系統對公路隧道火災的作用效果研究

李佳

（安徽理工大學 安全科學與工程學院，安徽 淮南 232001）

不同于其他建筑，隧道這種狹長且封閉的空間一旦發生火災，溫度可迅速升至上千攝氏度，會破壞隧道內部結構，甚至產生坍塌的后果。伴隨火災產生的大量有毒有害氣體因通風條件差而積聚在隧道內無法迅速排出。隧道火災對于人員的生命以及財產有著嚴重的危險，因此無論是國內還是國外，有大量學者進行大量實驗去研究隧道火災滅火系統的機理及應用。對于隧道內部的細水霧滅火系統，主要通過數值模擬、實驗室模型以及統計分析等方法去研究細水霧滅火的內在機理和應用研究。

大量研究表明[1]，相比于傳統滅火系統，高壓細水霧滅火系統具有降低用水量，減少水漬損失、綠色環保，對人體無害、能有效降低空氣中有毒氣體含量等特點，故高壓細水霧技術廣受人們的應用與研究。以往許多學者主要研究細水霧的布置方式、布置間距以及流量等參數來研究高壓細水霧對隧道火災的滅火效率。但很少有人會考慮細水霧噴頭的霧化角度對隧道火災滅火效率的影響，所以本文基于FDS 火災模擬軟件，建立1：1 隧道火災模型，布置高壓細水霧滅火系統，考慮不同噴頭霧化角度對隧道火災產生的影響。

1 模型建立

1.1 物理模型

根據表1，《公路隧道設計規范第一冊土建工程》（JTG 3370.1-2018）[2]對高速公路隧道橫斷面設計的建筑界限寬度作出了基本規定，公路隧道建筑界限圖如圖1 所示。

圖1 公路隧道建筑界限圖（單位：mm）

表1 兩車道高速公路、一級公路隧道建筑界限基本寬度（單位：m）

其中，對于高速公路和一級公路，隧道建筑界限高度H 取5m。因此選取總寬度11.5m，總高度8m，斷面面積79m2，設計速度120km/h 的二車道隧道作為研究對象，建立100m*11.5m*8m 的隧道模型，如圖2 所示。

圖2 隧道模型圖

1.2 初始條件和邊界條件

根據前人研究的不同種類車輛著火規模[3]，本文選取30MW（裝載一般貨物的大貨車）的火源功率，火源面積為1.5m*1.5m，位于隧道中心。在距離頂棚高度0.5m處設置一排間隔為1m 的熱電偶，用于頂棚溫度測量，4組熱輻射探測器分別布置于距火源邊緣1m、3m、5m、7m處，每組包含4 個，均勻布置于高度1m-4m 內，用于火災熱輻射通量的測量[4]。

在隧道中心線位置，距離頂棚1m 處布置單排細水霧噴頭，每個噴頭間隔2m，一共設置30°、60°、90°三種不同噴頭霧化角度，用以探究不同霧化角度對隧道頂棚溫度和熱輻射的影響，噴頭參數如表2 所示。以20m為一個細水霧保護區段，當發生火災時，火源所在保護區以及前后相鄰兩個保護區細水霧噴頭同時開啟，將開啟時間設置為火災開始后120s。

表2 細水霧噴頭參數

將隧道兩端的邊界條件設置為：“OPEN”，本文不考慮縱向風速對細水霧滅火系統影響。

2 模擬過程及分析

2.1 隧道頂棚溫度分析

如圖3 所示，這是在800s 下隧道縱向溫度云圖，通過在隧道縱向中心線處設置一溫度切片，查看隧道火災的溫度變化情況。

圖3 800s 隧道縱向溫度云圖

當隧道發生30MW 的火災時，火焰迅速向上發展，產生的煙氣向隧道兩側出口蔓延，在無細水霧作用下，800s 時隧道頂棚位置最高溫度達到1130℃，在距離火源中心9m 處的溫度也能達到500℃。當施加細水霧后，頂棚溫度能夠迅速下降，細水霧噴頭霧化角度越大，溫度的降低作用也越明顯。其中，當細水霧滅火系統的霧化角度為30°時，頂棚最大溫度相對于無細水霧時頂棚的最大溫度降低了580°；當細水霧滅火系統的霧化角度為60°時，頂棚最大溫度相對于無細水霧時頂棚的最大溫度降低了600°；然而當細水霧滅火系統的霧化角度角度為90°時，頂棚最大溫度降低至470℃，降溫效果最佳。

如圖4，這是在不同工況下，火源正上方頂棚處溫度曲線圖，由圖可以看出，當無細水霧下，與火源中心距離越遠則溫度越低，但溫度都大于550℃。而隨著加入高壓細水霧系統之后，火源正上方頂棚的最高溫度極度下降，能夠保證溫度在550℃以下，尤其是霧化角度為90°時，其對火源的滅火效率最高，使在該霧化角度下的溫度均低于500℃，由此也可以看出高壓細水霧系統對滅火效率有著極大的提高，并且霧化角度越高，滅火效率越高。

圖4 火源正上方頂棚處溫度曲線

2.2 火災熱輻射通量分析

由于熱輻射會隨水平距離的增加而逐漸減弱，為了更直觀的看出霧化角度對熱輻射的影響，因此選擇了變化情況最明顯的距火源邊緣1m 處，1m～4m 高度內熱輻射通量最大值。

當細水霧被噴射到火場之后，火羽流及煙氣均被汽化后的霧滴包裹，火災燃燒產生的熱輻射首先經過細水霧的吸熱冷卻作用，最后到達火焰以外的區域，因此減少了火場輻射熱的傳遞。細水霧能有效抑制火災產生的熱輻射[5]。

由圖5 可知，無細水霧時，火源邊緣熱輻射分 別 為17.427km/m2，32.860km/m2，59.620km/m2和68.746km/m2，隨著霧化角度的增大，熱輻射隨之減小，當霧化角度為90°時，細水霧的抑制效果尤為顯著，輻射值分別降低至5.56km/m2、13.24km/m2、16.53km/m2、19.355km/m2，其對最大熱輻射值的抑制率甚至可達到71%。

圖5 火源邊緣1m 處，1m～4m 高度內熱輻射通量分布

3 結論

通過建立1：1 的區間隧道火災模型，選取不同細水霧噴頭霧化角度，對30MW 隧道火災進行模擬試驗，得出以下結論：高壓細水霧滅火系統能夠有效降低隧道火災產生的高溫和熱輻射，在30°～90°范圍內，霧化角度越大，細水霧的作用效果也越突出。