梁強， 李炎鋒， 李俊梅

(1.北京工業(yè)大學 建筑工程學院，北京 100124； 2.中國人民武裝警察部隊學院 消防指揮系，河北 廊坊 065000)

狹長通道內(nèi)細水霧型水幕阻煙性能實驗研究

梁強1,2， 李炎鋒1， 李俊梅1

(1.北京工業(yè)大學 建筑工程學院，北京 100124； 2.中國人民武裝警察部隊學院 消防指揮系，河北 廊坊 065000)

針對阻止狹長通道內(nèi)火災煙氣水平蔓延的問題，本文提出利用細水霧型水幕防煙分隔方法，搭建實驗臺研究細水霧型水幕在狹長通道中阻煙的效果。通過分析煙氣蔓延過程，測量溫度分布，O2、CO2和CO濃度變化以及通道內(nèi)照度變化，討論狹長通道內(nèi)細水霧型水幕阻煙的有效性。實驗結果表明：細水霧開啟后，其下游空間環(huán)境得到改善，可以滿足安全疏散的環(huán)境要求，狹長空間內(nèi)細水霧型水幕的阻煙性能良好。實驗為狹長通道(隧道、長走廊)的防排煙設計提供了思路，對火場救援和人群疏散具有重要意義。

火災； 狹長通道； 細水霧； 細水霧型水幕； 煙氣擴散； 煙氣控制

據(jù)統(tǒng)計，火災中80%以上的死亡者是死于煙氣的影響[1]，煙氣控制是火災科學的重要研究內(nèi)容。不同形式的建筑空間內(nèi)煙氣蔓延過程和特點不同，狹長通道作為一種典型的建筑結構形式，既是建筑內(nèi)各類空間的聯(lián)絡紐帶，又是火場人群疏散的必經(jīng)之路，煙氣一旦涌入后果不堪設想。工程中常見的狹長通道包括公路和鐵路隧道、地鐵隧道、城市地下交通隧道以及建筑內(nèi)部的走廊等[2]?；馂难芯咳藛T針對狹長通道火災開展了大量科學研究，主要包括煙氣毒性成分遷移研究，煙氣輸運和控制研究以及細水霧滅火應用研究等?；魩r利用小尺寸模型實驗研究了有限長度矩形傾斜通道內(nèi)發(fā)生火災時，通道內(nèi)近上壁面區(qū)域內(nèi)的熱煙氣在自然對流作用下的運動特性[3]。Hu研究了空氣幕在狹長通道內(nèi)的煙氣控制效果[4]；袁建平利用1/20小尺寸模型實驗研究了城市隧道火災組合通風排煙方式的排煙特性[5]；董惠利用大尺度全尺寸實驗研究了水幕的防火分隔作用，結果表明水幕的隔熱性能良好，由于水幕屬于不連續(xù)水顆粒且水幕孔隙率較高防煙效果不佳[6]。Fernández等提出了一種在隧道內(nèi)利用煙氣和冷空氣聯(lián)合控制煙氣縱向蔓延的氣幕控制方法(double stream-twin jets)，該方法對空氣幕進行了改進[7-8]。方正利用10∶1 模型試驗和實體隧道火災實驗，通過溫度變化證明水噴霧可以有效降低隧道溫度，阻止煙氣及熱量向下游傳播[9]。細水霧作為一種高效、節(jié)水、環(huán)保的滅火方式被應用到隧道火災中[11-12]，其主要作用是撲救隧道內(nèi)車輛及其固體貨物火災。在對細水霧控火的研究中，學者們觀察到細水霧不但具有優(yōu)良的降溫效果還可以通過洗滌煙塵粒子提高火場能見度[9,12-13]。

潘李偉等的實驗結果表明細水霧作用后的煙氣團形態(tài)比未施加細水霧的大了約10倍[13-14]。顯然，細水霧的吸附作用對煙氣團的積累有重要作用。水霧消煙的基本機理包括氣溶膠動力學機理、云物理學機理和斯蒂芬流的輸運機理[12-14]。在云物理學機理、斯蒂芬流的輸運機理和顆粒團形態(tài)學機理的共同作用下，粒徑增加的煙塵顆粒團進而強化煙塵顆粒與霧滴之間的碰撞運動，加速煙塵顆粒的沉降過程，對煙氣起到有效地沖刷作用。

在前人研究的基礎上，基于細水霧冷卻降溫和洗滌炭黑粒子的作用，本文提出在長通道內(nèi)利用細水霧水幕作為防煙分隔控制煙氣水平蔓延的方法。通過開展細水霧水幕阻煙性能研究，觀測煙氣運動過程，溫度分布，O2、CO2和CO的濃度變化以及煙氣對通道內(nèi)照度的影響分析細水霧水幕防煙分隔的有效性。

1 實驗裝置及參數(shù)測點布置

本文重點關注細水霧型水幕對煙氣的分隔作用，因此不考慮基于實驗臺尺寸比例的火源熱釋放速率之間的相似性。實際工程中，當水幕與火源超過一定距離時，水幕對火源發(fā)展影響不大。本文主要考慮水幕對煙氣流動的阻擋，因此將火源設置在實驗通道外，避免狹小實驗空間內(nèi)細水霧直接影響火源而降低產(chǎn)煙量和放熱量，導致的阻煙效果測量偏差。實驗使用汽油火來保證煙氣的生成量、流動特性、氣體成分和炭黑粒子濃度。狹長通道細水霧阻煙實驗臺的實物圖及參數(shù)測點位置如圖1所示，實驗臺由集煙罩、狹長通道、排煙罩和水霧噴射區(qū)四部分組成。火源設置在通道之外，利用集煙罩收集煙氣并引入通道，在煙氣流動穩(wěn)定區(qū)域施加細水霧。狹長通道正面選用防火玻璃封擋，以便觀測煙氣的輸運過程，通道頂和背面用水泥板封擋，通道兩側用帶開孔的鍍鋅鐵皮封擋，開孔尺寸為250 mm×3 mm，共12組，每組10個，便于通廊內(nèi)補風。為防止高壓噴射水霧撞擊實驗臺地面造成氣流卷吸回流，在水霧噴頭正下方的地板上設置了0.6 m(長)×1.2 m(寬)的開孔。實驗在尺寸為9 m(長)×9 m(寬)×4 m(高)的實驗室內(nèi)開展，實驗室北墻上3.8 m高度處安裝有軸流風機用于實驗完成后通風排煙。實驗過程中所有門窗、風機關閉，以減小室外風對火羽及煙氣流動的影響。

圖1 狹長空間細水霧水幕阻煙實驗臺及測點布置圖Fig.1 Schematic and picture of the experimental rig and measuring locations

實驗采用Φ1 mm的K型鎧裝熱電偶測量狹長通廊內(nèi)的溫度，共設置80個熱電偶測量點記錄狹長通道內(nèi)的溫度分布，熱電偶分為10組，熱電偶串編號為TC01-TC10，每串8個熱電偶，從通廊頂棚向下依次編號為TC01-1～TC01-8，如圖1所示，數(shù)據(jù)采集時間步長為1 s，測量精度為0.1 ℃。采用德國約克公司MRU煙氣分析儀監(jiān)測通道內(nèi)的O2、CO2及CO的濃度變化。采用型號為TES-1339R的照度計和一個40 W的白熾燈泡監(jiān)測狹長通道內(nèi)照度的衰減表征火場煙氣減光性，照度計取樣率為5次/s，測量誤差為±3%。

2 細水霧裝置及其特性參數(shù)

細水霧噴射區(qū)設置在距離煙氣入口3 m處，高于通道頂棚20 cm，如圖1所示。細水霧噴頭選用K系數(shù)為0.092的高壓單流體離心噴頭，8個一組均勻安裝在1.2 m長的噴淋桿上，噴嘴間隔15 cm，細水霧型水幕冷噴霧場如圖2所示。利用丹麥DANTEC公司制造的激光多普勒動態(tài)顆粒分析儀(Dual PDA)對單個細水霧噴頭下游霧滴粒徑、速度進行測量，細水霧特性參數(shù)見表1。各種壓力工況下的細水霧粒徑均小于100 μm，按照現(xiàn)行規(guī)范要求屬于一級細水霧[15]。實驗時間設定為5 min，預燃1 min，通道內(nèi)形成穩(wěn)定熱煙氣層后開啟細水水幕，水幕開啟4 min后熄滅火源，停止水霧噴射。

圖2 水霧型水幕Fig.2 Water mist screens

壓力/MPa流量/(L·min-1)霧化錐角/(°)平均霧滴粒徑/μm平均噴霧速度/(m·s-1)40.5826071.2821.2660.7136064.2627.8680.8236266.6428.36100.926063.0230.45

3 火源及實驗工況設置

實驗采用93# 汽油作為燃料，汽油用量為1 L，圓形油盤直徑為25 cm。實驗采用失重法測量93#汽油質量損失速率，選用精度為0.001 g，采樣頻率為1 Hz的電子秤測量。熱釋放速率是決定火場溫度分布和煙氣生成量的基本參數(shù)，該參數(shù)的確定是火災實驗的基礎，在獲得燃料質量損失速率后，按照下式計算得到相應的熱釋放速率：

Q=ηmcΔHc

(1)

式中：Q為熱釋放速率，kW；η為燃燒效率0.7～0.8；mc為燃料的瞬時質量損失率，kg；ΔHc為燃燒熱值，kJ/kg。圖3為Φ25 cm油盤汽油質量損失曲線和熱釋放速率曲線。

圖3 熱釋放速率曲線Fig.3 The curves of heat release rate

影響細水霧特性參數(shù)的主要因素包括噴嘴結構、噴嘴尺寸和噴霧壓力。由于實驗中沒有更換噴頭，因此通過壓力變化反映不同噴霧速度、粒徑和霧通量下的阻煙效果，實驗工況設置見表2。

表2 實驗工況設置

4 實驗結果分析

4.1煙氣蔓延過程

圖4為通道內(nèi)細水霧水幕控制煙氣蔓延過程。點燃油盤后，燃燒產(chǎn)生的煙氣通過集煙罩進入通道，煙氣形成縱向擴散、分層下降的蔓延過程，在59 s時穩(wěn)定煙氣層形成，煙氣層距頂棚60 cm，如不采取煙氣控制措施，煙氣將充滿整個通道。水幕開啟后，煙氣流動發(fā)生了偏轉，并隨水霧快速下沉，水幕后的可視距離明顯改善如圖4(b)所示。造成煙氣偏轉下沉的原因為：1)細水霧垂直速度遠大于煙氣的水平流速；2)水霧在煙氣的高溫作用下蒸發(fā)吸熱降低了煙氣流的溫度，從而降低煙氣的熱浮力；3)水霧粒子和煙氣粒子間發(fā)生凝并，形成水滴和炭黑粒子團隨水霧下沉。同時由于通道的高度和地板開孔與地面距離的限制，水霧與煙氣混合后的流股在向下撞擊通道地面后流動方向發(fā)生改變，混合流股一部分沿通道底面橫向擴散，一部分由底部開口流出通道，如圖4(b)、(c)所示，由于無法及時排除，這股折返的水霧和煙氣混合流股從下向上逐漸填充，通道底部的環(huán)境逐漸惡化。因此，在實際應用中應根據(jù)狹長通道的高度調整細水霧水幕的噴射壓力，控制流動速度，在阻截煙氣的同時，防止反射回流。在整個噴霧過程中，由于煙氣不斷涌入，水幕上游環(huán)境惡化嚴重，實際中應結合機械排煙改善其環(huán)境條件。通道內(nèi)水幕下游環(huán)境優(yōu)于上游，下游環(huán)境條件滿足人員疏散要求，這也可以從溫度，O2、CO2和CO濃度變化以及照度變化得出。至301 s時水幕下游空間環(huán)境仍好于上游，可視距離保持良好，通道背板上的反光條清晰可見，可為疏散提供300 s的疏散時間。

4.2通道內(nèi)溫度場分布

圖5(a)、(b)為細水霧水幕作用下通道內(nèi)TC04和TC09處的溫度變化曲線圖。點火后隨著煙氣的蔓延擴散，通道內(nèi)上部空間的溫度迅速上升，距頂棚40 cm以上的空間溫升速率較大。從TC04處的垂直溫度分布曲線可以看出，點火60 s內(nèi)，距頂棚20 cm處的溫度最高上升到了78 ℃，距頂棚40 cm以上空間的溫度都在35 ℃以上，由上向下溫度逐漸減低，豎直方向的溫度變化反映了狹長通道內(nèi)煙氣分層的現(xiàn)象。點火60 s后細水霧水幕開啟，由于水霧的冷卻，距離頂棚20～40 cm范圍內(nèi)的溫度迅速下降至35 ℃以下。在TC09處通道上部空間溫度在水霧噴射前保持升高的狀態(tài)，而后隨著水霧的冷卻逐漸下降，整個過程溫度都沒有超過45 ℃，距頂棚10 cm以下空間溫度降至室溫。從溫度變化曲線可以看出，由于水霧的蒸發(fā)冷卻通道內(nèi)的溫度被有效控制，水霧和煙氣混合流在撞擊地面后的折射流動影響了溫度的分布。結合煙氣蔓延過程錄像可以看出，由于空間大小的限制，水霧和煙氣混合流出現(xiàn)了向水霧主流區(qū)回流的過程，而回流范圍在距頂棚10 cm以下的空間，因此頂棚處的溫度沒有出現(xiàn)急劇的下降，整個過程保持了緩慢上升的趨勢，但溫度沒有超過65 ℃。通過以上分析，水霧對狹長通道內(nèi)的冷卻作用明顯，這驗證了文獻[6,14]中得到的水幕對煙氣的溫度具有“洗滌”作用的結論。從溫度參數(shù)變化可見細水霧水幕對煙氣的擴散流動起到了很好的阻擋作用，通道內(nèi)溫度的降低可為火場逃生提供有利條件。

圖5 溫度變化曲線Fig.5 Temperature curves in long channel

4.3通道內(nèi)組份氣體的濃度變化

圖6為細水霧型水幕下游的O2、CO2和CO變化曲線。從圖中可以看出，在細水霧噴射之前，由于煙氣的填充O2濃度隨之下降，最低降至20.2%。由于燃燒消耗氧氣，生成CO2和CO，因此CO2濃度相應增加，最高達到0.5%，而CO濃度的升高速率比O2和CO2濃度的變化緩慢，在水霧開啟之前最高只達到了50×10-6。當水幕開啟后，O2和CO2濃度發(fā)生反轉，O2濃度隨之升高，并逐漸回升到點火前的初始濃度；CO2與O2相反，隨著水霧的作用逐漸下降至初始濃度。O2和CO2濃度的變化說明細水霧水幕的設置起到了阻擋煙氣擴散的作用，水霧的噴射一方面阻擋了煙氣的流動，另一方面水霧的噴射引入了新鮮空氣從而提高了水幕下游的氧氣濃度，CO2濃度的變化與氧濃度變化過程恰恰相反。CO濃度在整個過程中一直處于升高的趨勢，但升高速率相對緩慢，水幕下游的CO濃度遠低于500×10-6的疏散標準，CO的變化過程說明由于水幕寬度的限制并不能完全隔斷煙氣中的所有成分，像CO這樣不溶于水的氣體還是會透過水霧，在實際應用中可以通過增加細水霧水幕的寬度來提高控煙效果。通道內(nèi)氣體的濃度變化，可以驗證細水霧水幕阻煙的有效性。

圖6 O2、CO2、CO濃度變化曲線Fig.6 The curves of O2, CO2 and CO concentration

4.4通道內(nèi)照度的變化

可視距離(能見度)也是判斷火場安全性的重要參數(shù)之一，實驗中利用照度的變化體現(xiàn)通道內(nèi)可視距離的變化。在距離煙氣入口4.4 m，距離頂棚10 cm的通道側壁設置40 W白熾燈和照度計監(jiān)控火災過程中照度的變化，白熾燈和照度計距離1.2 m。圖7為不同壓力下細水霧下游照度變化曲線。在沒有煙氣的情況下，通道內(nèi)的照度為84.3 lx。當煙氣蔓延過來后照度迅速下降，通道內(nèi)的照度最低降至25 lx以下。細水霧水幕開啟后，由于煙氣流動路線發(fā)生偏轉，水幕下游空間的照度迅速回升。由于影響照度的主要因素是煙氣中的炭黑粒子，而水霧噴射后水滴粒子與炭黑粒子凝并，水霧有效的沖刷了煙氣中的炭黑粒子，因此照度得到有效提高。照度曲線的變化過程印證了文獻[9,12-13]中水霧沖刷煙塵粒子的結論，證明了細水霧水幕的阻煙效果。

從圖7可以看出：噴霧壓力在6 MPa時，照度從最低24.5 lx回升至53.4 lx；4 MPa時，由22.5 lx回升至38.6 lx；8 MPa時，由20 lx回升至45 lx；10 MPa時，由15 lx回升至40 lx。整個過程中6 MPa工況下水霧下游照度最大，4 MPa的照度最低。由于4 MPa時的霧滴粒徑大、霧通量小，因此阻煙效果較差。其他工況，由于細水霧沖刷煙粒子的效率提高，阻煙效果明顯，但在壓力超過6 MPa時由于煙水混合流的動量增加，當撞擊地面后反彈作用明顯，反彈的氣流回升導致照度回升率降低。照度隨噴霧壓力的增加先增大后減小，6 MPa時回升率最大。這說明噴霧壓力并不是越大越好，隨著壓力的增加霧特性參數(shù)變化逐漸減小，同時針對阻煙來講也存在一個最佳值。就本實驗而言，6 MPa時的阻煙效果最佳。因此在實際應用時應根據(jù)通道的實際高度和人員疏散的要求合理選擇噴霧壓力，防止混合煙氣后的煙水混合氣流，在接近地面時仍保持較高的動量，從而撞擊地面反彈。

圖7 不同壓力工況下照度變化曲線Fig.7 The curves of illuminance with different pressure

5 結論

1)細水霧具有良好的冷卻降溫作用，水幕開啟后其上游溫度下降至45 ℃，下游距頂棚10 cm以下空間溫度降至室溫，通道內(nèi)溫度的降低為火場逃生提供了有利條件。

2)在細水霧水幕開啟前后，O2濃度經(jīng)歷了先降低后升高的過程，CO2濃度與之相反，CO濃度則處于緩慢升高狀態(tài)，無法完全阻斷其擴散，但水霧水幕下游各組分濃度滿足人員安全疏散要求。

3)細水霧水幕開啟后，其下游照度從25 lx迅速回升，表明細水霧對炭黑粒子有良好的沖刷作用，從光學角度證明了細水霧水幕的阻煙效果。對阻煙來講，噴霧壓力并不是越大越好，照度隨噴霧壓力的增加先增大后減小，噴霧壓力存在一個最佳值，就本實驗而言，6 MPa時的阻煙隔熱效果最佳。

綜上所述，實驗表明細水霧型水幕可以起到防煙分隔的作用，當水幕開啟后煙氣的縱向流動被阻斷，煙氣流動方向隨水霧發(fā)生偏轉，水幕下游環(huán)境得到改善。

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本文引用格式：

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LIANG Qiang, LI Yanfeng, LI Junmei. Experimental research on properties of smoke blocked by water mist screen in a long narrow channel[J]. Journal of Harbin Engineering University， 2017， 38(11): 1751-1756.

Experimentalresearchonpropertiesofsmokeblockedbywatermistscreeninalongnarrowchannel

LIANG Qiang1,2, LI Yanfeng1, LI Junmei1

(1.College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China; 2.Department of Fire Command, Chinese People′s Armed Police Forces Academy, Langfang 065000, China)

A new smoke control strategy using a water mist screen was developed to block horizontal smoke movement in a long narrow channel. Experiments were conducted to investigate the properties of smoke blockage realized by the water mist screen, and certain parameters were analyzed to confirm its effectiveness in blocking fire-induced smoke, such as the smoke movement process, distribution of temperature, concentrations of O2, CO2, and CO, and changes in visibility. Experimental results show that after the water mist is activated, the downstream space environment is improved and meets safe evacuation requirements. Additionally, the smoke-blocking effect of the water mist screen is excellent in the long narrow channel. This experiment provides a basis for designing smoke prevention and emission strategies in narrow and long channels (tunnels or long corridors), which is significantly important in enabling mass evacuation and fire rescue.

fire; long narrow channel; water mist; water mist screens; smoke spreading; smoke control

10.11990/jheu.201605034

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20171016.1546.002.html

X932，X913.4

A

1006-7043(2017)11-1751-06

2016-05-11.

網(wǎng)絡出版日期：2017-10-16.

國家自然科學基金項目(51278018);公安部滅火救援技術重點實驗室開放課題(KF201408).

梁強(1978-), 男, 副教授;

李炎鋒(1971-), 男, 教授.

李炎鋒，E-mail:liyanfeng@bjut.edu.cn.