鐘 委，馬志欣，許少剛，梁天水，趙 軍

(鄭州大學(xué) 力學(xué)與安全工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

地鐵車站內(nèi)是一種狹長空間，且凈高較低，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，若火災(zāi)功率較大，容易形成沿頂棚下方發(fā)展的頂棚射流火焰，加之地鐵站位于地下，有毒煙氣和熱量難以排出[1-5]。因此如何抑制火災(zāi)和煙氣在地鐵站內(nèi)的蔓延成為了防火減災(zāi)研究的關(guān)鍵問題。

近年來，細(xì)水霧幕作為一種具有抑制火災(zāi)蔓延和阻隔熱輻射效果的高效無污染的防火減災(zāi)措施，逐漸受到專家的青睞。對于細(xì)水霧幕用于防火分隔，專家通過多方面的研究，證明了其有效性[6-9]。WANG等[10]研究了霧幕條件下玻璃的破裂特性，表明細(xì)水霧幕可有效阻隔熱輻射，延緩玻璃破裂；BLANCHARD E等[11]模擬了縱向通風(fēng)隧道里細(xì)水霧幕對熱煙氣的抑制作用，發(fā)現(xiàn)細(xì)水霧幕可吸收火源釋放熱量的50%。AMANO R等[12]通過一系列的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)細(xì)水霧幕可以有效抑制地下空間熱輻射，阻擋CO蔓延。然而這些研究主要集中于熱輻射阻隔及室內(nèi)火災(zāi)規(guī)模抑制，并未涉及地鐵內(nèi)頂棚射流火焰的抑制。

對于細(xì)水霧幕擋煙的效果，梁強(qiáng)等[13]研究了狹長通道中細(xì)水霧幕的擋煙效果，證明了細(xì)水霧幕阻煙效果良好，可有效改善下游空間環(huán)境，為地鐵空間細(xì)水霧幕擋煙提供了理論支撐；CONG等人[14]通過在站臺屏蔽門設(shè)置細(xì)水霧幕，證明了高壓細(xì)水霧系統(tǒng)的抑煙、防毒、降溫的功效，以及提高能見度、氧濃度的能力；豐皓等[15]通過在屏蔽門上方布置噴頭，研究了細(xì)水霧幕的擋煙效果，結(jié)果表明細(xì)水霧幕可以有效地降低屏蔽門后方的煙氣濃度；周洋等[16]模擬研究了細(xì)水霧幕用于樓梯口的擋煙效果，發(fā)現(xiàn)細(xì)水霧幕可以阻止樓梯口處的煙氣蔓延、有效降低煙氣溫度。這些研究說明細(xì)水霧幕可以用于地鐵擋煙，但將細(xì)水霧幕應(yīng)用于抑制地鐵換乘通道煙氣蔓延的有效性研究并未涉及。

煙氣沉降會顯著影響人員逃生和疏散，因此如何有效地抑制煙氣沉降是細(xì)水霧幕推廣中的一個(gè)關(guān)鍵課題。LI等[17]、ZHANG等[18]提出煙氣是否發(fā)生沉降取決于霧幕液滴拖曳力和煙氣熱浮力的相互作用值； St-GEORGES M等[19]根據(jù)液滴的水平速度和豎向速度共同確定噴淋的包絡(luò)線，得出的拋物線型包絡(luò)線可以較好地描述噴淋；唐智等[20]、董晉良等[21]通過數(shù)值分析和理論分析，得出了水霧的冷卻作用和拖拽作用會使煙氣發(fā)生沉降。但這些僅研究了煙氣沉降機(jī)理，并未涉及煙氣沉降抑制問題。

本文首先針對施加豎向細(xì)水霧幕的缺陷，對水霧噴頭進(jìn)行改進(jìn)，使之產(chǎn)生水平向的細(xì)水霧幕；以某地鐵車站為原型設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺，通過室內(nèi)試驗(yàn)研究水平霧幕對地鐵車站火災(zāi)的擋煙、隔熱及頂棚射流火焰抑制、煙氣沉降抑制的有效性，從而為地鐵車站火災(zāi)的防治提供新的思路。

1 噴頭改良及試驗(yàn)設(shè)置

1.1 噴頭改良

現(xiàn)有的垂直霧幕噴頭主要用于熄滅噴頭下方火災(zāi)，霧幕包絡(luò)面是從上到下的錐形面，且相鄰霧幕形成的包絡(luò)面間存在火焰和煙氣可以穿過的較大空隙，如圖1所示。為了有效抑制水平蔓延的頂棚射流火焰，本文對噴嘴的布局進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，如圖2所示；改進(jìn)后的噴頭可形成水平細(xì)水霧幕，其包絡(luò)面和效果如圖3所示。

圖1 既有噴頭的效果圖和包絡(luò)面

圖2 水平霧幕噴頭

圖3 水平霧幕噴頭的包絡(luò)面和效果圖

針對豎向和水平霧幕噴頭，采用文獻(xiàn)[22]的集水法測得施加霧幕后保護(hù)區(qū)的霧通量(霧流密度)，在水壓分別為1.0，1.6，2.0 MPa時(shí)霧通量分布如圖4所示。由圖4可知：施加豎向霧幕，霧幕主要集中于噴頭下方，距離噴頭越遠(yuǎn)，霧通量越??；而施加水平霧幕，霧通量在較大的范圍內(nèi)均勻分布。

圖4 霧幕后方保護(hù)區(qū)霧幕密度分布

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以某地鐵站為原型，設(shè)計(jì)如圖5所示的試驗(yàn)臺。試驗(yàn)臺長6.5 m，寬2.0 m，高2.6 m，左側(cè)為開口，其余3側(cè)為1 m深的擋煙阻火垂壁。側(cè)壁設(shè)置鋼化玻璃觀察窗以拍攝頂棚射流火焰形態(tài)。霧幕由如圖5所示的2個(gè)相隔1 m安裝在距頂棚0.1 m，距火源3 m，沿火焰中心線對稱分的噴頭產(chǎn)生。火源距地面1.6 m，距側(cè)壁40 cm?；鹪慈剂蠟檎?，油盤直徑取2種，分別為40和60 cm。

圖5 試驗(yàn)臺示意圖(單位：m)

溫度采用熱電偶串測量，熱電偶串的布置位置如圖6所示：其中縱向布置、距離頂棚0.05 m的熱電偶串用于測量頂棚的溫度，其余7個(gè)用于測量試驗(yàn)臺內(nèi)的空間溫度。燃料質(zhì)量采用CPA3202S型電子天平測量，風(fēng)速采用KA12型風(fēng)速儀測量。通過預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)霧幕作用下出口處煙氣層高度在2.2 m以上，因此，選取2.4 m高度處作為煙氣出口速度測點(diǎn)位置。霧幕后方的煙氣層高度由人工測量和熱電偶串溫度確定，試驗(yàn)錄像和圖片對其進(jìn)行修正。

為了研究施加水平霧幕擋煙阻火的有效性，霧幕設(shè)置3種，即未施加、水平施加和豎向施加；油盤設(shè)置2種，即直徑為40和60 cm，使用正庚烷燃料體積分別為2和3 L；每種霧幕對應(yīng)2種直徑油盤，則共有6種工況。各工況的霧幕噴頭流量均為6 L·min-1。

圖6 試驗(yàn)臺剖面圖(單位：m)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 質(zhì)量損失速率

圖7給出了6種工況下穩(wěn)定燃燒階段60～100 s[23]燃料質(zhì)量變化時(shí)程曲線，燃料的質(zhì)量損失速率可由時(shí)程曲線的斜率求得[24]，結(jié)果也見圖7中。由圖7可知：對于40 cm油盤，施加水平、豎向霧幕的質(zhì)量損失速率與無水霧幕工況質(zhì)量損失速率的相對差值分別為和5.3%和2.4%；而對于60 cm油盤，兩者的相對差值分別為5.2%和1.9%；這說明細(xì)水霧幕的施加會影響火源的燃燒，但影響有限。

2.2 頂棚射流火焰形態(tài)

油盤直徑為40 cm時(shí)與60 cm時(shí)頂棚射流火焰形態(tài)的變化趨勢相似，并且在穩(wěn)定燃燒階段，火焰形態(tài)變化較小，因此，選取圖8所示的40 cm油盤3種工況下穩(wěn)定燃燒階段90 s處的火焰形態(tài)進(jìn)行分析。由圖8可知：當(dāng)沒有施加水幕時(shí)，頂棚射流火焰水平蔓延長度為5.85 m；施加豎向霧幕時(shí)，頂棚射流火焰長度有明顯減小，長度為4.15 m；施加水平細(xì)水霧幕后，頂棚射流火焰長度進(jìn)一步減小至3.45 m，此時(shí)頂棚射流火焰表現(xiàn)為未穿過霧幕。這表明施加水平霧幕，可有效抑制頂棚射流火焰蔓延，且其效果優(yōu)于施加豎向霧幕。

圖7 霧幕施加后燃料質(zhì)量損失速率

圖8 40 cm油盤下不同工況90 s火焰形態(tài)

霧幕覆蓋區(qū)域的局部火焰形態(tài)如圖9所示。由圖可知：施加豎向霧幕時(shí)，受霧幕包絡(luò)面缺陷的影響，頂棚射流火焰會穿過霧幕繼續(xù)蔓延，而施加水平霧幕則不存在這樣的現(xiàn)象。這說明豎向霧幕在抑制頂棚射流火焰方面存在缺陷，而水平霧幕可以彌補(bǔ)這種缺陷。

圖9 施加霧幕后火焰形態(tài)

2.3 頂棚平均溫度分布

油盤直徑為40 cm時(shí)與60 cm時(shí)各測溫點(diǎn)頂棚平均溫度變化趨勢具有相似性，因此仍以40 cm油盤為例對頂棚火焰溫度進(jìn)行分析。圖10給出了3種霧幕時(shí)相對穩(wěn)定燃燒階段的頂棚平均溫度變化曲線。由圖可以看出：未施加霧幕時(shí)頂棚平均溫度沿縱向不斷衰減，這是頂棚射流火焰與外界環(huán)境間的熱交換造成的；施加豎向霧幕時(shí)頂棚平均溫度存在小幅度的下降，這是由于此時(shí)頂棚射流火焰除與環(huán)境熱交換外還存在與豎向霧幕間的熱交換，說明豎向霧幕的施加對頂棚射流存在抑制作用，但效果不明顯；施加水平霧幕時(shí)，霧幕附近頂棚平均溫度線出現(xiàn)明顯的“凹陷”，霧幕后方的頂棚平均溫度最大值僅為200 ℃，與未施加霧幕火焰熄滅時(shí)頂棚平均溫度基本相同，即霧幕后方不存在火焰，這表明對比于豎向霧幕，水平霧幕對頂棚射流火焰的抑制效果更優(yōu)。

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圖10 40 cm油盤各工況穩(wěn)定燃燒階段頂棚平均溫度

2.4 霧幕隔熱性能

霧幕后方的溫度取熱電偶串最高溫度與最低溫度的差值。因霧幕后方不同距離處的溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律具有相似性，因此選取如圖11所示的霧幕后方1 m處的溫度進(jìn)行分析。由圖11可以看出，60 s霧幕開啟后，霧幕后方的溫度整體表現(xiàn)出下降趨勢。

圖11 霧幕后方1 m處溫差

評價(jià)霧幕的隔熱效率有2種方法，一種是熱通量法，另一種是通過被保護(hù)區(qū)域的溫度上升程度來衡量[25]。后者的測量易實(shí)現(xiàn)且能直觀的反映隔熱效率變化，因此，本文選擇后者表征霧幕隔熱效率。根據(jù)傅里葉定律和霧幕隔熱效率的熱通量表達(dá)式[25]，推導(dǎo)出溫度上升程度表征的霧幕隔熱效率的表達(dá)式為

式中：η為霧幕隔熱效率，%；T0為霧幕施加后最低溫度與環(huán)境溫度的差值，T1為霧幕施加后最高溫度與環(huán)境溫度的差值，℃。

取環(huán)境溫度為0 ℃點(diǎn)，霧幕隔熱效率的變化趨勢如圖12所示。由圖可知：霧幕的隔熱效率呈先增加后保持穩(wěn)定的趨勢；且直徑40和60 cm油盤水平霧幕和豎向霧幕的隔熱效率均在50%以上，這說明霧幕可以有效減小火災(zāi)中的熱害；水平霧幕的隔熱效率要優(yōu)于豎向霧幕，這是由于水平霧幕的包絡(luò)面間隙較小，對高溫火焰和煙氣的抑制效果更佳。

圖12 隔熱效率

2.5 煙氣層形態(tài)

2.5.1 煙氣層高度

6種工況下的煙氣層高度如圖13所示。由圖可知：霧幕施加后，受霧幕液滴拖拽力影響，霧幕覆蓋區(qū)域煙氣層會發(fā)生沉降；而當(dāng)煙氣穿過霧幕覆蓋區(qū)域后，受熱浮力的作用，煙氣層高度有一定程度的回升；油盤尺寸一定時(shí)，施加豎向霧幕造成的煙氣沉降幅度較大，這是由于豎向霧幕噴頭主要用于熄滅噴頭下方火焰，容易產(chǎn)生較大的方向向下的拖拽力；而施加水平霧幕造成的煙氣沉降幅度較小，這是因?yàn)橹黧w為水平霧幕，豎直向下的分量較小，且霧幕流量一定時(shí)，施加水平霧幕噴霧壓力、霧動量均較小，而霧滴直徑較大，水霧的分散性較差，使得煙氣層能維持較好的層化結(jié)構(gòu)。這說明與豎向霧幕相比，施加水平霧幕可有效抑制煙氣沉降，提高人員的逃生效率。

圖13 煙氣層高度

對比相同霧幕類型下不同油盤尺寸的煙氣層高度可知，60 cm油盤煙氣層厚度變化較小，這是由于60 cm油盤煙氣溫度較高，熱浮力較大，這說明煙氣沉降的大小受熱浮力及細(xì)水霧幕豎向分量產(chǎn)生的拖拽力的相對值影響。

2.5.2 試驗(yàn)臺開口側(cè)距地面不同高度處煙氣層溫度

油盤直徑為40 cm時(shí)與60 cm時(shí)試驗(yàn)臺開口側(cè)不同距地面高度處煙氣層溫度的變化規(guī)律相似，因此以40 cm油盤為例進(jìn)行分析，煙氣溫度變化規(guī)律如圖14所示。由圖可知：霧幕的施加，對2.3 m高度及其以下的煙氣層影響較小；煙氣溫度在豎向方向存在溫度梯度，上方溫度較高，這表明霧幕施加后開口處的煙氣仍存在分層現(xiàn)象；此外，由溫度變化規(guī)律可以看出水平霧幕溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在霧幕施加的瞬間，而豎向霧幕的最高點(diǎn)出現(xiàn)在霧幕施加一段時(shí)間后，且二者的溫度最高點(diǎn)的出現(xiàn)時(shí)間均早于未施加霧幕。

對開口側(cè)2.4 m高度處相對穩(wěn)定燃燒階段的溫度取平均值，未施加、水平施加和豎向施加3種霧幕，油盤直徑為40 cm時(shí)的溫度分別為88.5，65.3，51.5 ℃；油盤直徑為60 cm時(shí)的溫度分別為123.3，77.4，61.5 ℃。可見：霧幕的施加，會使試驗(yàn)臺開口側(cè)的煙氣溫度大幅度下降；油盤尺寸相同時(shí)，水平霧幕時(shí)開口溫度低于豎向霧幕時(shí)，說明水平霧幕可更好地發(fā)揮細(xì)水霧蒸發(fā)吸熱作用。

2.5.3 試驗(yàn)臺出口側(cè)距地面2.4 m高度處煙氣速度

6種工況下試驗(yàn)臺出口側(cè)距地面2.4 m高度處的煙氣速度變化趨勢如圖15所示。由圖15可知：細(xì)水霧幕流量一定，油盤直徑為60 cm時(shí)出口側(cè)煙氣速度大于40 cm，這是因?yàn)榛馂?zāi)中煙氣流動的驅(qū)動力來源于溫度，而60 cm油盤產(chǎn)生的火焰溫度較高；油盤直徑一定時(shí)，施加霧幕后，出口側(cè)煙氣速度有一定程度的降低，且施加水平霧幕工況下出口煙氣速度最低，這是霧幕與煙氣間發(fā)生的熱量和物質(zhì)交換要大于無霧幕工況造成的；說明施加霧幕對出口側(cè)煙氣有明顯的抑制，且施加水平霧幕對出口處煙氣的抑制作用優(yōu)于施加豎向霧幕。

圖14 試驗(yàn)臺開口不同距地面高度處煙氣溫度

圖15 出口煙氣速度

3 結(jié) 論

(1)針對現(xiàn)有施加豎向霧幕噴頭的局限性，對噴頭進(jìn)行了改進(jìn)，使其可以施加水平細(xì)水霧幕。測試結(jié)果表明，施加水平霧幕具有較大的水平動量，霧通量在0.5 m內(nèi)均勻分布，而施加豎向霧幕其霧通量集中在噴頭下方。

(2)施加豎向霧幕對頂棚射流火焰的蔓延有一定的抑制作用，然而試驗(yàn)中觀察到火焰穿越豎向霧幕的現(xiàn)象。施加水平霧幕對頂棚射流火焰抑制效果更好，頂棚射流火焰長度減小了40%，霧幕后方不存在火焰。

(3)施加水平和豎向霧幕均具有較好的隔熱作用，對于2種火源功率情況下，施加水平霧幕的隔熱效率均比施加豎向霧幕高10%左右，且施加水平霧幕對煙氣層的擾動更小，霧幕作用區(qū)煙氣沉降幅度較小。

(4)施加水平和豎向2種霧幕，在霧幕后方均觀察到了煙氣分層現(xiàn)象，其中施加水平霧幕的煙氣最高溫度、煙氣出口速度均小于施加豎向霧幕。