郭旭峰

摘要：本文以實際火災(zāi)案例為參照，利用數(shù)值模擬實驗對側(cè)噴細水霧控制羅布麻倉庫火災(zāi)的有效性進行了分析。文章從模型建立、網(wǎng)格選取、工況設(shè)置等方面進行了模式實驗，對噴頭高度在3m、3.5m及4m三種工況進行了數(shù)值模擬，并對模擬結(jié)果進行了對比分析，得出在設(shè)定工況下隨著噴頭高度的增加對火源的控制效果越明顯，火焰形態(tài)得到明顯抑制，火源上方溫度降低幅度越大，臨近堆垛表面溫度下降也越加明顯。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬;羅布麻倉庫;噴頭高度

一、羅布麻倉庫簡介

本數(shù)值模擬實驗以新疆巴音郭楞蒙古自治州某羅布麻倉庫火災(zāi)案例為基礎(chǔ)而建立。倉庫為丙類鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑，由彩鋼板搭建而成，建筑長83m寬25m高9m，共有四個大門一個常開其余三個常閉。倉庫外圍共兩層窗戶，單個窗戶長3m相鄰窗戶間隔3m，下層窗戶高1.6m下邊緣距地面1.2m，上層窗戶高1m上邊緣距頂棚1.5m，日常使用過程中窗戶處于常閉狀態(tài)。羅布麻經(jīng)打包機打包成堆垛的形式堆放，每個羅布麻堆垛長1m寬0.8m高0.5m，三到四個堆在一起堆放在靠墻位置，相鄰堆垛之間間隔在1.4m左右，倉庫內(nèi)日常擺放900多個羅布麻包。根據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GB51251-2017》，對于高度超過6m的工業(yè)用房防煙分區(qū)控制在2000m2以內(nèi)，因此對于本文研究的羅布麻倉庫可看作一個防煙分區(qū)。

二、物理模型搭建

FDS數(shù)值模型按照羅布麻倉庫尺寸1：1建立物理模型。羅布麻堆垛四個堆成一堆，單個堆垛尺寸為1m×0.8m×0.5m，相鄰堆垛之間間隔1.4m，靠墻位置五個一堆，靠窗位置兩個一堆，倉庫場邊一側(cè)堆放三排短邊一側(cè)堆放四排其余位置不堆放，模型中共放有917個羅布麻包。模型搭建如圖1所示。

（一）火源設(shè)置

該數(shù)值模擬實驗?zāi)M倉庫內(nèi)電線老化短路后引發(fā)相鄰羅布麻堆垛起火的情形。結(jié)合倉庫電線分布實際情況，將火源設(shè)置為大門左側(cè)靠墻的第四個堆垛，模擬電線短路引燃下方堆垛的火災(zāi)場景。一個羅布麻包重約65千克，參考美國消防工程師手冊煙絲的燃燒熱約為15MJ/kg，一個羅布麻包燃燒殆盡需近15min，因此將火源功率設(shè)置為1MW，火源在模擬開始后1s達到最大值。

（二）網(wǎng)格劃分

根據(jù)NIST提供的FDS技術(shù)參考，網(wǎng)格大小與火源特征直徑存在密切聯(lián)系，特征直徑可由下式計算：

當(dāng)網(wǎng)格δχ尺寸滿足D*/δχ在4至16之間時，可以達到比較好的模擬效果。根據(jù)上式計算，1MW熱釋放速率對應(yīng)的網(wǎng)格尺寸應(yīng)在0.06～0.25m之間取值。為確保數(shù)值模擬結(jié)果可靠性，降低網(wǎng)格尺寸對結(jié)果造成的誤差，選取0.1m3、0.15m3、0.2m3、0.25m3四種網(wǎng)格尺寸對模型進行網(wǎng)格獨立性檢驗。將熱電偶布置在與火源中心間距2.4m的位置，通過檢測溫度變化判斷網(wǎng)格尺寸對溫度數(shù)據(jù)的影響，模擬時間5min。

由圖2的模擬結(jié)果得出，此次研究網(wǎng)格大小取為0.1m3。同時，為了優(yōu)化模擬資源將模型劃分為多個網(wǎng)格，火源附近20m×6.4m的區(qū)域網(wǎng)格大小為0.1m3，其余網(wǎng)格大小設(shè)置為0.4m3。

（三）其他參數(shù)設(shè)置

為了達到比較好的控制效果，羅布麻倉庫內(nèi)部細水霧滅火系統(tǒng)設(shè)計為高壓系統(tǒng)，工作壓力10MPa。采用的單個細水霧噴頭流量系數(shù)k為0.89，對應(yīng)流量為8.9L/min，噴頭霧錐角120°。噴頭水平安裝在倉庫側(cè)壁，相鄰噴頭間隔3m。燃燒反應(yīng)采用正庚烷燃燒，模擬時間設(shè)為300s，其余參數(shù)設(shè)為默認值。

三、細水霧作用下倉庫火災(zāi)的控制效果

本章節(jié)中為了研究側(cè)噴細水霧對羅布麻堆垛倉庫火災(zāi)的控制效果，將細水霧噴頭水平安裝在4m高度處，在模擬進行60s后開啟細水霧噴頭釋放水霧。此時倉庫內(nèi)部溫度場基本穩(wěn)定，煙氣層也初步形成，火災(zāi)已經(jīng)發(fā)展到一定規(guī)模，此時開始釋放細水霧可以研究在較為危險的火災(zāi)場景下的控火能力。

（一）火焰形態(tài)變化

圖3是火源中心X軸方向在不同時刻的溫度場切片。從模擬結(jié)果來看前60s火焰在湍流的影響下有所波動但整體形態(tài)較為一致。60s時細水霧開始施加，水滴進入火場之后迅速吸熱蒸發(fā)產(chǎn)生大量水蒸氣對火焰區(qū)形成沖擊，使得火焰不斷波動。120s時在細水霧的作用下火焰高度有所降低，火焰強度得到一定控制。隨著環(huán)境中霧滴密度不斷上升對火焰的控制效果更加明顯，從圖中可以看出在200s和300s時火焰高度進一步降低，火源強度得到有效控制。

（二）細水霧的冷卻效果

圖4為細水霧噴頭在4m高度處作用時火源上方不同高度溫度隨時間變化曲線。從圖中可以看出火源位置處溫度曲線基本保持在800℃左右，曲線在前期波動較為明顯，后來逐漸區(qū)域平緩，這是由于細水霧在施加過程中汽化蒸發(fā)產(chǎn)生的大量氣體對火源造成了一定沖擊引發(fā)火源位置溫度的波動，隨著施加時間的持續(xù)液滴濃度逐漸增大，對火源的強度形成較好的抑制效果，此時吸熱產(chǎn)生的氣體量也隨之降低對火源的沖擊效果也有一定削弱，因此曲線變得平緩?；鹪瓷戏?m高度處溫度曲線與未施加細水霧的工況相比，溫度有所降低但下降幅度并不明顯，施加細水霧后溫度開始下降曲線從150℃左右下降至100℃左右，并趨于平穩(wěn)，這是由于細水霧噴頭高度處在4m高度處不能對6m處進行有效的降溫，主要通過吸收高溫?zé)煔庵幸徊糠譄崃恳约案艚^了部分熱輻射從而使得該位置溫度有所降低。火源上方3m和4m高度處溫度曲線的走勢較為相似，在細水霧施加之前曲線波動范圍較大，與上述分析一致這是由于火源的湍流特性使得火焰高度不斷上下波動，而3m高度處恰好處于間歇火焰區(qū)，受火焰高度的變化該處溫度也會隨之變化;隨著細水霧的施加在模擬進行70s之后整體溫度開始下降，曲線仍有一定的波動性但波動的范圍有所降低，說明火焰強度得到一定的抑制作用，火焰高度的降低使得火源上方3m及4m高度處不再受到直接加熱;隨著細水霧施加時間的延續(xù)，兩條溫度曲線不斷下降且下降趨勢逐漸變小，模擬進行200s之后兩條溫度曲線區(qū)域平穩(wěn)，均處在200℃以下，說明此時火焰高度得到有效控制，3m及4m高度處已經(jīng)不再受到火焰的直接影響，從圖3也可以看出，此時火焰高度明顯降低火源得到有效抑制。

四、不同高度側(cè)噴細水霧對控火效果的影響

《細水霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》中對細水霧系統(tǒng)特定的一些應(yīng)用場所給出了相應(yīng)的設(shè)計要求，但是沒有對側(cè)噴細水霧的安裝方式給出規(guī)定。對于一般細水霧系統(tǒng)，噴頭安裝高度在3至5m之間且安裝在頂棚位置，位置過高水霧液滴難以到達著火區(qū)域進行有效滅火，位置過低細水霧不能充分霧化，因此安裝高度對細水霧在實際滅火過程中顯得十分重要。本節(jié)中通過分析不同安裝高度下細水霧對羅布麻堆垛倉庫火災(zāi)的控制效果來設(shè)計合理的噴頭安裝高度。

（一）不同安裝高度下細水霧對火焰強度的控制效果

本節(jié)中將噴頭分別布置在3m、3.5m及4m三種高度，細水霧開始施加時間仍設(shè)置為60s，總模擬時間300s。圖5和圖6為細水霧噴頭分別在3m和3.5m高度作用時火焰的形態(tài)變化過程。結(jié)合圖3可以看出噴頭在4m高度時在模擬進行120s時就表現(xiàn)出較為明顯的控制效果，火源強度有所降低，說明此工況對應(yīng)的控火效果更為理想。

（二）噴頭不同安裝高度對冷卻效果的影響

圖7和圖8分別為側(cè)噴細水霧噴頭在3m、3.5m兩種不同高度作用下，火源上方不同位置溫度變化曲線。從圖中可以看出噴頭安裝在不同位置時，兩圖中各測點溫度曲線變化趨勢基本一致，火源處溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)后基本保持在800℃左右。

結(jié)合圖3和圖4，通過對比可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)噴頭安裝在4m高度處時火源在細水霧的作用下得到較好的抑制，火源上方溫度曲線在細水霧的冷卻效果下逐漸趨于平穩(wěn)且處在相對較低的位置，說明在此高度下側(cè)噴細水霧對火源的作用效果最為理想。

通過上述分析，三種設(shè)定工況隨著噴頭安裝高度的上升細水霧對火源的控制效果越好。

五、結(jié)語

本章根據(jù)實際倉庫建立了全尺寸模型，通過對倉庫火災(zāi)場景的模擬發(fā)現(xiàn)火源位置溫度達到了800℃左右很容易引燃同堆的羅布麻包，從而使得火災(zāi)規(guī)模成倍擴大，火焰對周圍臨近堆垛表面的加熱作用也會隨之增強誘發(fā)火蔓延的可能性上升。在施加細水霧模擬工況中，隨著細水霧施加時間的延長對火源上方溫度的控制效果也越發(fā)明顯，模擬進行150s后火源上方測點溫度明顯降低并處在較為穩(wěn)定的狀態(tài)。通過改變側(cè)噴細水霧噴頭高度研究對滅火效果的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在3m、3.5m及4m三種設(shè)定工況下隨著噴頭高度的增加細水霧對火焰形態(tài)的抑制效果也更加明顯，對火源上方的冷區(qū)效果也更為出色。