通透性吊頂鏤空率對消防噴頭控火性能影響的數(shù)值模擬研究

鄒 超 袁中原 雷 波

（西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，大量地鐵站臺、購物商場等建筑如雨后春筍般出現(xiàn)。此類建筑通常采用通透性吊頂對建筑頂部進行裝修，對建筑頂部的各類管道和線路起到一定遮擋和裝飾的作用。通常消防噴頭會安裝在通透性吊頂上方，通透性吊頂可能對消防噴頭啟動以及控火性能造成不利影響。

李寧寧[1]等通過實驗對安裝在格柵上下方的火災探測器響應情況與格柵鏤空比（即鏤空率）間的關系進行了研究。結(jié)果表明：鏤空比小于15%時格柵吊頂下方的探測器先報警，鏤空比為15%～30%是格柵吊頂上下方探測器出現(xiàn)交叉報警，鏤空比大于30%時格柵上方探測器先報警。李厚強[2]通過數(shù)值模擬的方式對通透性吊頂內(nèi)上下噴式噴頭的設計有效性進行研究，結(jié)果表明：安裝通透性吊頂后噴頭啟動將變慢，且會啟動更多的噴頭當噴頭啟動后，因為通透性吊頂對噴頭水量的阻擋、分隔等影響，勢必將嚴重削弱噴頭的控火性能。張凱[3]通過實驗對安裝通透性吊頂后噴頭的水量分布進行研究，得出安裝通透性吊頂后，以噴頭為中心，半徑1m 內(nèi)的范圍內(nèi)，噴頭的噴水強度出現(xiàn)了不同程度的增大，而在半徑1.2m 之后的噴水強度則將小于無吊頂時的工況的結(jié)論；吳海燕[4]則通過實驗得到不同形式的通透性吊頂對噴頭水量分布影響程度也不同的結(jié)論；岳海玲[5]、吳海燕[6]等就安裝格柵吊頂后消防噴頭的滅火性能進行試驗研究，結(jié)果表明格柵吊頂對消防噴頭控火性能的削弱十分明顯。《自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》GB 50084-2017 規(guī)定：裝設通透性吊頂?shù)膱鏊到y(tǒng)噴水強度應按規(guī)范內(nèi)規(guī)定值的1.3 倍進行設計[7]。但高兵等[8,9]通過試驗得到結(jié)論：即使噴頭水量增大1.3 倍，消防噴頭的控火性能仍然難以達到未安裝吊頂時的控火性能。

目前，人們主要研究了通透性吊頂對消防噴頭保護范圍內(nèi)某一火源位置控火性能的影響，缺乏對噴頭整個保護范圍內(nèi)控火性能受通透性吊頂影響的相關研究。而實際上通透性吊頂會對噴頭保護范圍內(nèi)不同位置控火性能造成不同的影響。

為了得到通透性吊頂對消防噴頭保護范圍內(nèi)控火性能的影響，并總結(jié)噴頭保護范圍內(nèi)不同位置控火性能隨吊頂鏤空率的變化規(guī)律。本文采用FDS軟件，對采用通透性吊頂時，消防噴頭在其保護范圍內(nèi)控火性能隨吊頂鏤空率的變化進行數(shù)值模擬研究。

1 計算模型與工況

1.1 計算模型

《自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》GB 50084-2017 規(guī)定：對于中危險Ⅰ級場所，若噴頭按正方形布置，則噴頭間間距應在1.8-3.6m，噴水強度不低于6L/(min·m2)。通常采用通透性吊頂?shù)膱鏊话愣紝儆谥形ｋUⅠ級場所。本文研究噴頭正方形布置的情況，如圖1 所示。其中，abcd 為噴頭所在位置，R為單個噴頭保護半徑，L為噴頭安裝間距。

圖1 噴頭按正方形布置Fig.1 The sprinklers are arranged in square

一般來說，實際的場所的防火分區(qū)較大。為了簡化計算，取單個噴頭保護范圍建立數(shù)值計算模型，分別設置無吊頂和有吊頂兩種模型。本文研究的吊頂形式為鋁方管式通透性吊頂，吊頂自身寬100mm，厚度為50mm。在實際工程應用當中，通透性吊頂鏤空率ε一般在30～70%。因此分別設置吊頂間間距為50、100、150、250mm 的通透性吊頂，對應鏤空率分別為33%、50%、59%、70%。噴頭安裝在頂板下方100mm 處，距吊頂上表面的高度為600mm，模型生成情況如圖2 所示。

圖2 模型生成圖Fig.2 Diagrams of model generation

如圖3 所示，在噴頭的保護范圍內(nèi)分別設置A、B、C 三個不同位置的火源。中心火源位置A 位于噴頭正下方，邊緣火源位置C 靠近噴頭保護范圍邊緣，中間火源位置B 位于A 與C 中間。觀察噴頭在不同火源位置的控火性能。

圖3 火源位置設置情況Fig.3 Setting of fire source position

1.2 模型參數(shù)與計算工況

按照規(guī)范噴水強度不低于6L/(min·m2)，噴頭間距取3.6m，即圖1 中矩形abcd 的邊長L為3.6m。每個噴頭有1/4 的水量灑在abcd 范圍內(nèi)，噴頭流量可根據(jù)式（1）[10]計算得到噴頭流量q≥77.8L/min，取q=80L/min。

噴頭采用K=80 的標準流量噴頭，此時需要在FDS 中設置噴頭的工作壓力P，可按照式（2）計算得到：

式中：K為流量系數(shù)，L/(min·bar0.5)；P為噴頭工作壓力，MPa。

噴頭的工作壓力P=0.1MPa。而采用通透性吊頂后，噴頭流量q增加至104L/min，噴頭工作壓力P為0.17MPa。

根據(jù)《建筑給水排水工程》[11]中給出的噴頭最大保護半徑R計算公式（3）：

計算得到單個噴頭的最大保護半徑R=2.55m，模型尺寸則根據(jù)單個噴頭的最大保護半徑適當增大，長寬設置為5.4m×5.4m，高度設置為4.3m。

火源設置為油池火，采用復雜熱解模型，燃料為正庚烷，相關熱物性參數(shù)如表1 所示。根據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術標準》GB 51251-2017[12]：公共場所的火災熱釋放速率在噴淋有效啟動時設置不應小于2.5MW。取油池尺寸大小為1m×1m 時，火源熱釋放速率約為3MW，符合標準要求。

表1 正庚烷熱物理參數(shù)Table 1 Thermophysical parameters of n-heptane

模擬計算工況設置分為兩組，分別是無吊頂組和有吊頂組。無吊頂組設置4 個計算工況：分別為3 個火源位置有噴淋工況和1 個無噴淋油池自由燃燒工況。有吊頂組研究了4 種吊頂通透率、3 個火源位置、2 個噴頭流量（80L/min、104L/min）等情況下，共設置了24 個計算工況，工況參數(shù)設置如表2 所示。

表2 不同位置噴水強度Table 2 Water density at different fire source positions

表2 工況參數(shù)設置Table 2 Working condition parameter setting

模型采用多重網(wǎng)格，吊頂區(qū)域網(wǎng)格大小為0.05m×0.05m×0.05m，其他區(qū)域網(wǎng)格大小為0.1m×0.1m×0.1m，總網(wǎng)格數(shù)為166212。模型四周采用開放邊界，室內(nèi)初始壓力為大氣壓，初始風速0m/s，初始溫度為20℃。

噴頭采取手動開啟方式，于模擬開始150s 時開啟。

2 噴頭控火性能評價指標

噴頭對火災的影響主要體現(xiàn)在兩個方面：一是撲滅火災；二是抑制火災，延緩火災的發(fā)展。通常情況下，噴頭啟動后短時間內(nèi)很難將火災直接撲滅，更多的是抑制火災。本文將采用火源位置的噴水強度和火源熱釋放速率兩個指標來評價噴頭的控火性能。

（1）噴水強度

噴頭啟動后，當液滴與火焰接觸時，液滴能迅速與火焰進行熱交換并汽化吸熱，降低火焰的溫度。噴水強度是指單位時間內(nèi)到達火源表面單位面積上的平均水量，噴水強度越大，噴頭的控火性能越好。噴水強度可根據(jù)式（4）計算：

式中：I為噴水強度，L/(min·m2)；Δm為某一時間段內(nèi)水量增量，kg；Δt為時間增量，s；ρw為水的密度，取1kg/dm3；A為火源表面積，m2。

（2）熱釋放速率

熱釋放速率是指單位時間內(nèi)火源所釋放的熱量。熱釋放速率越大意味著火災危險程度越高，越容易引燃周圍可燃物。因此可以通過觀察噴頭啟動后火源熱釋放速率的變化來判斷此時噴頭的控火性能。

3 結(jié)果與討論

3.1 噴水強度

噴頭水量穩(wěn)定后的水量分布情況如圖4 所示，從圖4（a）可以看到，無吊頂時，噴頭水量分布比較均勻，覆蓋范圍較大；從圖4（b）則可以看出，安裝通透性吊頂后，吊頂對噴頭的水量產(chǎn)生了聚集效應，使得噴頭水量主要集中在噴頭的中心位置，噴頭的水量分布均勻性與覆蓋范圍明顯減小。

圖4 無、有吊頂情況下噴頭水量分布Fig.4 Water distribution of sprinkler without and with gird ceiling

表2 是不同火源位置處噴水強度的計算結(jié)果。從表2 可見，無論有、無吊頂，噴水強度分布均是中心位置A 最大、中間位置B 次之、邊緣位置C最小。在噴頭流量為80L/min 的情況下，與無吊頂工況相比，安裝通透性吊頂后位置A 處噴水強度顯著增加，位置B 處變化不大，而位置C 明顯減小。這表明通透性吊頂對噴頭的水量分布產(chǎn)生了從邊緣向中心的“聚集效應”。隨著吊頂鏤空率的增大，這種聚集效應的程度相應減弱。水量分布的聚集效應將削弱噴頭在邊緣位置的控火性能。從表2的計算結(jié)果也可以看出，按規(guī)范將噴頭水量增大1.3 倍后，各種鏤空率下不同火源位置處的噴水強度也相應增加，但鏤空率小于70%時，邊緣位置C處的噴水強度仍小于無吊頂時的工況；吊頂鏤空率為70%時，I=2.8L/(min·m2)，大于無吊頂工況的2.6L/(min·m2)。

3.2 熱釋放速率

圖5 是無吊頂時不同火源位置熱釋放速率隨時間變化曲線圖。從圖可以看到無噴淋時火源在大概70s 時熱釋放速率達到最大值接近3MW，以3MW 穩(wěn)定燃燒近200s 后，于350s 燃料燃燒殆盡，火源熱釋放速率下降達到最低值。而有噴淋（q=80L/min）的工況，噴頭于150s 啟動后，三個位置處火源的熱釋放速率均迅速下降，噴頭控火性能良好。但可以看到位置C 處火源熱釋放速率達到最低值的時間要略長于A、B 兩處。

圖5 無吊頂時不同火源位置熱釋放速率變化Fig.5 Heat release rate changes at different fire source positions without gird ceiling

當噴頭流量q分別為80 和104L/min 時，計算得到不同吊頂鏤空率下邊緣位置C 處的火源熱釋放速率變化曲線，如圖6 所示。從圖6（a）可見，當噴頭流量為80L/min 時，與無吊頂工況相比，各個吊頂鏤空率下噴頭啟動后火源熱釋放速率下降速度均有所減慢。吊頂鏤空率為33%和50%時，火源熱釋放速率將分別保持在2400kW 和360kW 穩(wěn)定燃燒；吊頂鏤空率為59%和70%時，火源熱釋放速率降至最低值的時間也明顯延長。從圖6（b）可見，噴頭流量增大至104L/min 后，各個吊頂鏤空率下，火源熱釋放速率下降速度有所加快。吊頂鏤空率為33%、50%和59%時，火源熱釋放速率均不同程度地比無吊頂工況要慢，表明噴頭控火性能受到削弱；吊頂鏤空率為70%時，火源熱釋放速率曲線變化情況與無吊頂工況基本一致，表明控火性能基本相同。

圖6 邊緣位置C 處火源熱釋放速率變化曲線Fig.6 Change curves of heat release rate of fire source at position C

4 結(jié)論

本文針對一種通透性吊頂采用正方形布置時，噴頭在其保護范圍內(nèi)的水量分布和控火性能進行數(shù)值模擬研究，得到以下結(jié)論：

（1）與無吊頂工況相比，通透性吊頂會對噴頭的水量產(chǎn)生向噴頭中心聚集的聚集效應，使得噴頭保護范圍中心位置噴水強度增大，而其保護范圍中間和邊緣位置噴水強度減小。聚集效應的程度會隨著吊頂鏤空率的增大而減弱，即噴頭保護范圍中心位置噴水強度隨吊頂鏤空率的增大而減小、邊緣位置噴水強度則隨吊頂鏤空率的增大而增大。

（2）增大1.3 倍噴頭水量后，噴頭保護范圍內(nèi)的噴水強度均相應增大。在噴頭保護范圍的邊緣位置，當?shù)蹴旂U空率小于70%時，噴水強度和火源熱釋放速率下降速度仍小于無吊頂工況，噴頭控火性能較無吊頂時要差；吊頂鏤空率達到70%后，邊緣位置噴水強度大于無吊頂工況，控火性能與無吊頂工況基本相同，控火性能隨吊頂鏤空率的增大而增強。