李 夢，劉申友*，姚 斌*，石曉龍，林 彬(.中國科學技術(shù)大學火災科學國家重點實驗室，合肥，006；.合肥科大立安安全技術(shù)股份有限公司，合肥，0088；.公安部上海消防研究所，上海，00000)

縱向風速對隧道中細水霧滅火效果的影響研究

李 夢1，劉申友1*，姚 斌1*，石曉龍2，林 彬3
(1.中國科學技術(shù)大學火災科學國家重點實驗室，合肥，230026；2.合肥科大立安安全技術(shù)股份有限公司，合肥，230088；3.公安部上海消防研究所，上海，200000)

隧道作為交通的咽喉要道，一旦發(fā)生火災，給人員逃生帶來很大的困難。利用隧道火災模擬平臺，分別對車頂和車底兩個位置進行了細水霧滅火的模擬實驗，研究不同風速對隧道火災的溫度、氣體組分濃度和熱輻射等參量的影響，據(jù)此研究細水霧滅火系統(tǒng)在隧道火災中抑制、撲滅火災，降低火場溫度、凈化火源附近空氣以及隔絕熱輻射的能力。結(jié)果表明：當風速增大時，火場煙氣平均溫度逐漸減小，CO濃度的峰值顯著降低，熱輻射強度也有效降低。在實驗條件下，隧道縱向通風作用有利于保障火場安全。

風速；隧道；細水霧滅火系統(tǒng)；油池火

0 引言

隧道屬于狹長型的交通聯(lián)絡通道，由于空間小、道路窄、通風條件差，一旦發(fā)生火災，產(chǎn)生的濃煙將迅速擴散充滿整個隧道并難以排出，對人員的生命造成威脅，同時也大大增加了施救工作的難度。隧道的消防安全近年來逐漸得到重視，傳統(tǒng)的隧道滅火技術(shù)有消火栓、水基型滅火器、水噴淋滅火系統(tǒng)、水噴霧滅火系統(tǒng)[1]。

近年來，細水霧滅火技術(shù)已引起了廣泛的關(guān)注和重視，其在隧道中的應用也得到了關(guān)注。世界各國相繼開展細水霧滅火系統(tǒng)在隧道內(nèi)的應用實驗，如法國East Tunnel隧道試驗、法國Mona-Lisa Tunnel隧道試驗、挪威和瑞典的海岸隧道試驗、國內(nèi)也進行了隧道內(nèi)細水霧滅火相關(guān)試驗。試驗結(jié)果均表明，細水霧滅火系統(tǒng)能夠迅速撲滅隧道火災，與常規(guī)水噴淋相比具有用水量少的特點，并能迅速凈化空氣和保護環(huán)境[2]。

國內(nèi)多見隧道火災時各種通風措施對隧道內(nèi)煙控效果的研究，而通風風速對隧道細水霧滅火效果的研究相對較少。本文利用隧道火災模擬實驗平臺，分別對地鐵列車車頂和車底兩個位置進行了細水霧滅火的模擬實驗，研究不同風速對隧道火災的溫度、氣體濃度和熱輻射等參量的影響，據(jù)此研究細水霧滅火系統(tǒng)在隧道火災中抑制、撲滅火災，降低火場溫度、凈化火源附近空氣以及隔絕熱輻射的能力。

1 實驗方案設計

1.1 隧道及列車實驗模型的建立

隧道模型示意圖如圖1所示。模擬隧道長30.0 m、寬7.6 m、高7.8 m，隧道采用鋼架結(jié)構(gòu)，模擬隧道內(nèi)壁采用防火板蒙上。其中10 m左右的燃燒、噴水、滅火試驗段。此段模擬隧道主要模擬實際特長隧道救援站大斷面情況下，火災發(fā)生時各火災參數(shù)特征及滅火系統(tǒng)的保護性能。

考慮到模擬隧道規(guī)模，試驗設計的車體模型長21.0 m、寬2.96 m、高2.26 m，車廂底部距離地面高度0.7 m。實際的列車包括多節(jié)車廂，而本模型只建造一節(jié)，在試驗研究中只考慮火災在一節(jié)車廂內(nèi)發(fā)展狀況。

圖1 模擬隧道及車廂示意圖Fig.1 Simulation of tunnel and train carriages

1.2 數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)布置方案

本實驗的數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)包括K型熱電偶、氣體濃度分析儀、輻射熱流計和熱線風速儀。熱電偶具體安裝方式如圖2所示。本試驗分別在隧道縱向和豎向兩個方向選取典型點進行觀測。在隧道縱向5 m、10 m、15 m、20 m和25 m處分別設置了五個豎直向下的熱電偶串標號分別從T01～T05，豎向熱電偶間距為1.2 m；同時在隧道頂棚下方0.2 m處沿隧道縱向設置了一條熱電偶串，每個熱電偶間距為1.0 m。

圖2 熱電偶布置豎向示意圖Fig.2 Thermocouple layout diagram

煙氣濃度分析儀和輻射熱流計的布置方案如圖3所示。在車廂中部和端部兩個位置分別設置煙氣濃度分析儀A和B。其中A設置在離地面4.14 m處，B設置在距離頂棚0.5 m處。

圖3 煙氣濃度分析儀布置示意圖Fig.3 Concentration of flue gas analyzer layout diagram

如圖4所示，輻射熱流計也設置了兩支，設置在距離車廂4.4 m處高3 m和高4 m的位置，分別記為探測點C和D。

圖4 輻射熱流計布置示意圖Fig.4 Radiative heat flow meter layout diagram

1.3 火源類型及實驗工況設計

隧道內(nèi)發(fā)生火災時，敞開式貨物車廂火源一般在車廂頂部，此外隨火勢發(fā)展，熱羽流具有向上蔓延的特點，因此熱對流可能引燃車廂頂部電纜等其他設備。列車車輛上的電器(如：主變阻器、電動機)多安裝在列車車廂下部，當電器發(fā)生故障時，容易引起短路而造成火災。調(diào)研國內(nèi)外資料，電力機車底部著火從而導致列車火災的案例占國內(nèi)外火災案例的一半以上[4]。此外當列車車底著火時，火容易由底部向上燃燒吞沒列車，造成嚴重的后果?？紤]到車廂內(nèi)部均配備消防安全裝備，本文著重研究細水霧對車廂頂部和底部油池火的撲滅效果。

表1 隧道細水霧滅火實驗工況設計

1.4 細水霧噴頭布置方案

根據(jù)本實驗研究對象的特殊性，同時在車輛上下兩側(cè)布置兩層噴頭，如圖5所示，每層噴頭分為左右兩列。上層噴頭每列布置5個并且呈45°角傾斜向下噴射用于保護車頂火災。下層噴頭每列布置4個并且呈45°角傾斜向下噴射用于保護車底火災。

圖5 細水霧噴頭布置示意圖Fig.5 Water mist nozzle layout diagram

考慮到兩種滅火工況的相對獨立性以及減小試驗規(guī)模的需要，在設計試驗方案時，車頂火災試驗和車底火災試驗將分別進行。車頂火災試驗中，油盤擺放于車頂中間位置，兩側(cè)10個細水霧噴頭同時開啟，底層細水霧噴頭關(guān)閉。車底火災試驗時，油盤擺放于車廂底部中間位置，底層8個細水霧噴頭同時開啟，上層細水霧噴頭僅在邊緣處開啟2個，其余細水霧噴頭全部關(guān)閉。噴頭啟動時間為點火后210 s。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 隧道細水霧滅火實驗過程及結(jié)果

在風速為0 m/s的條件下，細水霧施加前汽油靜態(tài)燃燒，火羽流結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，持續(xù)火焰區(qū)火羽流較高[4]。當風速為6 m/s時，由于環(huán)境風速的增大，火羽流發(fā)生極大傾斜，被壓低幾乎貼近地面，但燃燒得更為劇烈。細水霧施加后，水霧呈圓錐形向下沖擊火焰，細水霧的沖擊擾動作用使得水霧與火焰間的相互接觸面積變大，水霧吸收熱量后起到加快火場冷卻和降低燃燒強度的作用。

圖6 滅火實驗過程Fig.6 The process of fire suppression experiment

車頂火災工況中滅火時間較長，這是因為列車頂部空間較大，隧道頂部未設置垂直向下的細水霧噴頭。表2中滅火結(jié)果統(tǒng)計顯示，風速較小時的滅火均較為迅速，風速越大滅火時間越久。這是因為受風速的影響水霧的形態(tài)產(chǎn)生變化，一方面細水霧霧滴整體運動偏向與火焰的另一側(cè)，另一方面，氣流的運動作用帶走了一部分水霧使得火源周圍的水霧通量減小，因而使得滅火時間變長。

表2 滅火實驗統(tǒng)計

2.2 風速對細水霧抑制隧道火災中各種數(shù)據(jù)參量影響的分析

2.2.1 風速對溫度參數(shù)的影響

因為縱向15 m處熱電偶串靠近火源，探測到的溫度最高，因此我們對比15 m處熱電偶串在不同風速情況下的溫度變化情況。由圖7可見，在210 s時施加細水霧之后，在不同風速條件下，煙氣溫度都能夠迅速降低，并且靠近火源位置的熱電偶溫度下降速度快,靠近頂棚位置熱電偶溫度下降曲線較為平緩。細水霧作用后熱電偶的變化過程可以分為兩個部分，快速降溫過程和緩慢降溫過程[5]?？焖俳禍刂饕l(fā)生在細水霧滅火初期，這是因為細水霧作用初期火場溫度較高，快速降溫過程后，煙氣層溫度與細水霧間的溫差較小，降溫過程變得緩慢。

圖7 車頂工況豎向15 m處熱電偶溫度曲線圖Fig.7 15 m vertical thermocouple temperature curve

當風速逐漸增加時,15 m處熱電偶串測得的平均溫度隨著風速增大而降低。當風速增大到3 m/s和6 m/時，煙氣層溫度在細水霧和通風的相互作用下快速降低接近環(huán)境溫度后又有了一個的波動起伏的過程，這是因為水霧微粒豎向的沖擊作用和水平通風的作用方向相垂直，對周圍煙氣流場有一定的擾動作用。

2.2.2 風速對氣體濃度參數(shù)的影響

隧道火災中燃料受通風的影響，燃燒狀況通常是非常不完全的，一般都會產(chǎn)生大量的濃煙，煙氣中不僅含有大量沒有完全燃燒的組分，還含有很多有毒、有害的組分，如CO、HCN、SO2等[6]。

針對隧道內(nèi)特殊的疏散情況，在隧道車廂附近和頂部煙氣層內(nèi)分別布置測點，并重點監(jiān)測環(huán)境空氣和煙氣產(chǎn)物中氧氣濃度和一氧化碳濃度，下面針對這兩種氣體成分進行分析。

1.氧氣濃度參數(shù)

圖8給出了汽油火時，不同風速下火源附近和煙氣層內(nèi)氧氣濃度變化。觀察曲線可發(fā)現(xiàn)，細水霧施加前燃燒消耗O2使得O2濃度隨時間下降,在風速為0 m/s時O2濃度下降過程最為明顯，在細水霧開啟70 s后下降到最低值19.9%，細水霧施加一段時間后,由于水霧顆粒對燃燒的抑制作用減少了氧氣的耗費量，使得車廂周圍的O2濃度有開始回升，當風速增加時，燃燒過程中O2濃度下降幅度開始減小，氧氣濃度更趨于平穩(wěn)，燃燒和滅火過程中O2濃度變化不大，在風速為3 m/s和6 m/s時基本維持在20.8%左右。這是因為隧道中通風作用使得火源周圍的氧氣得到補充。在不明顯影響細水霧抑制和撲滅火災的情況下,有利于人員的疏散。

圖8 車頂工況氧氣濃度變化曲線圖Fig.8 Oxygen concentration change curve

2.一氧化碳濃度參數(shù)

圖9表示了在四種不同風速情況下，細水霧滅火前后的CO濃度變化曲線。觀察曲線可以發(fā)現(xiàn)，火災發(fā)生初期火源附近CO濃度幾乎為0 ppm。在不同風速情況下探測到CO的時間也不同。無風情況下，煙氣層內(nèi)在汽油著火后60 s檢測到CO氣體，說明火災產(chǎn)生的煙氣在60 s后蔓延到檢測點。有風情況下，檢測點汽油著火后30 s均可檢測到CO氣體，這說明通風加速了煙氣向下游運動。下面對細水霧施加后，不同風速情況下兩個檢測點的CO濃度變化進行分析。

圖9 車頂工況一氧化碳濃度變化曲線圖Fig.9 Carbon monoxide concentration change curve

(1)風速0 m/s

從圖9(a)中可以看出，點火初期煙氣層中CO濃度開始出現(xiàn)緩慢上升，在細水霧施加前上升到40 ppm左右，煙氣層內(nèi)B點的CO濃度在細水霧施加前后的一段時間明顯高于火源附近A點的值。細水霧施加后，CO濃度迅速上升，并在細水霧開啟后100 s內(nèi)達到最高點140 ppm，這可能是因為細水霧作用初期火焰受到抑制，加之O2濃度的降低使得燃料不能充分燃燒而產(chǎn)生大量的CO。隨著細水霧的持續(xù)作用，CO濃度達到最高值后開始迅速降低，細水霧作用一段時間CO濃度降低速率有所減小，CO濃度降低至穩(wěn)定20 ppm。

(2)風速1 m/s

當風速為1 m/s時，從圖9(b)中可觀察到，煙氣層內(nèi)B點的CO濃度在細水霧施加后短時間內(nèi)陡升至最大值125 ppm，之后出現(xiàn)明顯的下降，隨后出現(xiàn)少許波動，接著又緩慢下降并接近穩(wěn)定值20 ppm附近。細水霧施加后，隨著時間的推移，火源附近A點的CO濃度也出現(xiàn)了緩慢上升的現(xiàn)象，這是因為環(huán)境風速作用使得火源周圍的CO開始向下游運動。

(3)風速3 m/s

從圖9(c)中可以看出，煙氣層內(nèi)B點的CO濃度在細水霧開啟后快速增大至120 ppm，接著急劇下降至20 ppm以下。即隨著時間的推移，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。而A點的CO濃度受環(huán)境風速的影響也出現(xiàn)了緩慢上升的現(xiàn)象。

(4)風速6 m/s

當風速為6 m/s時，煙氣層內(nèi)B點的CO濃度在細水霧施加后快速上升到最大值80 ppm，之后一段時間出現(xiàn)較小的波動，隨后趨于穩(wěn)定值。火源附近A點的CO濃度在受6 m/s風速的影響，點火后呈緩慢上升趨勢，達到最大值后趨于穩(wěn)定。

在以上四種不同風速情況下，從火焰區(qū)的CO濃度變化情況分析中我們可以看出，在細水霧開啟前CO濃度上升不明顯，這是因為油池火燃燒初期，隧道內(nèi)氧氣含量高使得汽油燃燒比較充分。細水霧作用初期煙氣層內(nèi)B點的CO濃度普遍出現(xiàn)明顯上升，但當風速為0 m/s時的CO濃度的峰值為140 ppm而當風速為6 m/s時CO濃度峰值下降至80 ppm，由此可以看出，隨著風速的增大，CO濃度峰值出現(xiàn)了顯著降低。研究表明狹長空間內(nèi)的CO濃度會受到機械通風系統(tǒng)的影響，風速越大CO濃度的峰值越低，同時CO的生成量也會顯著降低，起到了消煙除塵的作用。因此，細水霧和通風系統(tǒng)共同配合作用,可以進一步為隧道中的人員安全提供保障。

2.2.3 風速對熱輻射強度參數(shù)的影響

輻射是熱量傳播的重要方式之一?；馂陌l(fā)生后，熱量向四周傳遞，如果鄰近的可燃物獲得的熱量達到某一臨界值，就可以點燃可燃物，引發(fā)火災蔓延[7]。由于熱煙氣具有向上蔓延的特點，因熱對流造成鄰近可燃物起火的可能性較小，引起隧道火災蔓延的主要途徑是火災產(chǎn)生的熱輻射，同時熱輻射對火災現(xiàn)場人員和消防救護隊員的安全也構(gòu)成威脅[8]。

圖10給出了汽油著火時火源附近熱輻射在細水霧施加前后的變化情況，可以看出汽油著火后，火源附近熱輻射值迅速增大，大約在200 s達到最大值，之后趨于穩(wěn)定。C探測點出處的熱輻射最大值在4 kW/m2～5.5 kW/m2，D探測點處的最大值在3.5 kW/m2～5 kW/m2，C點處的熱輻射值比D點處的熱輻射值大約高0.5 kW/m2。細水霧施加后，火源附近兩側(cè)點熱輻射通量迅速降低，在經(jīng)歷迅速下降后有一個明顯的波動過程，這是因為水霧與熱煙氣接觸帶走了大量的熱量，同時蒸發(fā)形成的蒸汽層對輻射具有衰減的作用[9]。

圖10 車頂工況熱輻射強度變化曲線圖Fig.10 Thermal radiation intensity change curve

從圖10中可以明顯看出，在不同風速條件下，細水霧的作用均能有效抑制汽油火的燃燒放熱，使火場周圍的熱輻射強度迅速降低[10]。隨著風速的增大，熱輻射強度峰值逐漸減小，說明通風作用加強了細水霧對火場熱輻射的屏蔽作用。這是因為機械通風作用把大量的高溫氣體帶到下游，降低了火場周圍的熱輻射強度，同時周圍空氣的擾動作用充分混合了高溫煙氣和細水霧，使細水霧抑制火焰的熱輻射作用增強[11]。

3 結(jié)論

在本文實驗條件下，通過對不同風速下細水霧滅火系統(tǒng)抑制隧道內(nèi)車頂和車底火災的八次模擬火災實驗研究，得出結(jié)論如下：

(1)細水霧施加后，煙氣層的溫度呈下降趨勢，且火源上方區(qū)域溫度變化最明顯，隨著風速的增大頂棚煙氣平均溫度逐漸降低。

(2)細水霧作用前，隨著風速的增大，O2濃度下降速率降低，CO濃度變化不明顯；細水霧作用后，隨著風速的增大，O2濃度快速回升至環(huán)境值，CO濃度峰值和總生成量出現(xiàn)了顯著降低。

(3)在不同風速條件下，細水霧的作用均能有效抑制汽油火的燃燒放熱，使火場周圍的熱輻射強度迅速降低。隨著風速的增大，熱輻射強度峰值逐漸減小，說明通風作用加強了細水霧對火場熱輻射的屏蔽作用。

(4)在本實驗條件下，隧道中通風作用不顯著影響細水霧控火效果，可有效降低火場溫度、CO濃度和熱輻射強度，更可以促進O2濃度回升，有利于保障火場人員安全。

[1] GB50898-2013細水霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范[S].北京：中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局、中國城鄉(xiāng)建設部，2013.

[2] 于愛濱. 隧道通風系統(tǒng)與細水霧耦合作用的滅火研究[D]. 東北大學, 2011.

[3] 張笑男, 等. 不同排煙條件下細水霧撲滅油池火的實驗研究[J]. 熱科學與技術(shù), 2011, 10(3):249-254.

[4] 李權(quán)威. 狹長空間縱向通風條件下細水霧抑制油池火的實驗研究[D]. 中國科學技術(shù)大學, 2010.

[5] 倪佳迪. 狹長空間內(nèi)航空煤油池火燃燒特性及細水霧抑制效果研究[D]. 中國科學技術(shù)大學, 2011.

[6] 趙道亮, 等. 含F(xiàn)-500的低壓細水霧抑制B類火災的實驗研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學技術(shù), 2010, 6(4):9-14.

[7] 游宇航, 等. 水噴淋與機械排煙作用下小室火災特性的實驗研究[J]. 火災科學, 2008, 17(3):178-185.

[8] 王慶生, 等. 鐵路隧道救援站火災模擬實驗平臺設計及細水霧系統(tǒng)抑制車廂火災的模擬實驗研究[J]. 火災科學, 2012, 21(1):6-12.

[9] 王琳, 等.水霧與頂棚射流火焰相互作用的數(shù)值模擬分析[J]. 西安科技大學學報. 2015(03): 325-330.

[10] 吳國華, 等. 高壓細水霧消火栓滅火系統(tǒng)在鐵路特長隧道消防中的應用[J]. 鐵道標準設計. 2009 (9): 85-87.

[11] Hu LH, et al. Full-scale experimental studies on mechanical smoke exhaust efficiency in an underground corridor[J]. Building and Environment, 2006, 41(12): 1622-1630.

Application of water mist fire extinguishing system in highway tunnel

LI Meng1， LIU Shenyou1，YAO Bin1， SHI Xiaolong2， LIN Bin3
(1.State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China；2.Hefei kdlian Safety Technology Co. Ltd. Hefei 230088, China;3. Shanghai Fire Research Institute of Ministry of Public Security, Shanghai 200000, China)

Because of the relatively closed environment, highway tunnel as traffic choke points, in the event of fire, will bring people great difficulties in escape. So a tunnel fire simulation platform is presented of in this paper, so as to make water mist fire extinguishing experiments. Under the condition of different wind speed, the influence of fire temperature, gas concentration, thermal radiation and other parameters is investigated. And then the water mist fire extinguishing system in tunnel fire suppression is examined to evaluate its ability of putting out fire, reducing fire temperature, purifying fire near the air and isolating heat radiation.

Tunnel; Water mist fire extinguishing system; Tunnel ventilation; Oil pool fire

2016-04-05；修改日期：2016-06-02

李夢，女，河南人，工學碩士研究生，主要從事建設工程消防安全方面的研究。

劉申友，E-mail：lsy@www.kdlian.com；姚斌，E-mail: binyao@ustc.edu.cn

1004-5309(2017)-0012-08

10.3969/j.issn.1004-5309.2017.01.02

TU998.1；X932

A