李 媛，趙恒澤，梁 磊

(1.太原科技大學(xué) 環(huán)境與安全學(xué)院，太原 030024；2.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

隨著全球能源的日益緊張，世界各國都爭先恐后的研發(fā)節(jié)能技術(shù)[1-2]，包括在建筑設(shè)計(jì)和施工時(shí)的新型建筑保溫材料的開發(fā)和應(yīng)用[3-4]。我國的節(jié)能工作起步比較晚，大概是在二十世紀(jì)九十年代初才啟動(dòng)，在隨后這些年中，我國在建筑中采用了大量的新型建材材料，比如，實(shí)心磚很多情況下被空心砌塊以及多孔磚所取代，在建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，一般采用的典型的保溫材料包括聚苯乙烯(EPS和XPS)和聚氨酯泡沫(PU)[5]。其中聚苯乙烯是熱塑性泡沫保溫材料，在遇到火源時(shí)，會(huì)熔融滴落。也就是說，一旦外墻保溫材料在某因素引發(fā)的火災(zāi)中發(fā)生熱解燃燒，火勢(shì)蔓延方向不僅會(huì)向上蔓延，而且還會(huì)向下蔓延，形成全方位的立體火。此時(shí)，光靠救援人員來進(jìn)行火災(zāi)搶險(xiǎn)救援是不夠的，需要建筑自身設(shè)防，比如聯(lián)動(dòng)水噴淋等。而PU則是熱固性保溫材料。它的表面過火現(xiàn)象嚴(yán)重，向上蔓延速度極快，能點(diǎn)燃周圍的可燃物[6-7]。目前科學(xué)界普遍的觀點(diǎn)是，要解決像央視大樓火災(zāi)這種情況的最好方法是，外墻采用不燃材料或者是難燃材料。但是由于知識(shí)水平以及科學(xué)技術(shù)達(dá)不到要求以及成本太高等原因，建筑物外立面保溫材料并未完全使用不燃或難燃材料，因此必要的水噴淋也必不可少。

外墻在噴淋的時(shí)候，不免會(huì)涉及到水噴淋的施加問題，包括在何處施加水噴淋、施加多少個(gè)噴頭、噴頭的施加角度等。本文僅討論水噴淋的施加角度問題，包括水平噴淋角度和豎直噴淋角度兩種情況，并采用火災(zāi)模擬軟件FDS模擬各個(gè)工況的具體情況。

1 理論分析與模型建立

本文采用的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件——FDS軟件是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院開發(fā)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件，是專門進(jìn)行模擬火災(zāi)發(fā)展變化過程的軟件。該軟件通過數(shù)值方法求解N-S方程來分析火災(zāi)發(fā)展過程中的煙氣蔓延和熱量傳遞過程。其燃燒模型采用的是混合分?jǐn)?shù)模型[8]。

一般情況下，在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，首先考慮的是網(wǎng)格計(jì)算的獨(dú)立性。一般解決網(wǎng)格獨(dú)立性最好的方法是網(wǎng)格劃分要小，但是網(wǎng)格過小會(huì)受到計(jì)算機(jī)條件的限制，因此網(wǎng)格過小是不實(shí)際的。在FDS中，網(wǎng)格的獨(dú)立性可采用下面的經(jīng)驗(yàn)公式來表示[9]。對(duì)于涉及到羽流動(dòng)力學(xué)的數(shù)值模擬來說，無量綱表達(dá)式D*/δx的范圍在4～16之間就是比較合理的，

對(duì)于火源熱釋放速率為300 kW/m2的火源來說，經(jīng)過計(jì)算可以得到D*為0.58 m，此時(shí)D*/δx=0.58/0.1=5.8∈(4，16)，因而設(shè)置10 cm*10 cm*10 cm的網(wǎng)格符合要求。

圖1顯示的是噴淋角度對(duì)外立面火蔓延抑制作用研究的模型圖。圖中設(shè)有從a～f 7個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)，具體測(cè)定位置如表1所示。噴淋處用Nozzle表示，其距離地面7 m，距離外立面0.5 m.外立面用foam來代替。火源處采用的熱釋放速率為300 kW/m2.

圖1 噴淋角度對(duì)外立面火蔓延抑制作用研究的模型圖Fig.1 Model of spray angle on fire spread inhibition of building facade

高度/m3456789編號(hào)abcdefg

本文采用的噴淋角度變化情況包括當(dāng)水平噴淋角度為-30°～30°時(shí)，豎直噴淋角度變化為0°～165°、15°～165°、30°～165°、45°～165°、60°～165°、75°～165°、90°～165°、105°～165°、120°～165°、135°～165°和150°～165°十一種情況。當(dāng)豎直噴淋角度為90°～165°時(shí)，水平噴淋角度變化為-10°～10°、-20°～20°、-30°～30°、-40°～40°、-50°～50°、-60°～60°、-70°～70°七種情況。水平噴淋角度和豎直噴淋角度具體的表示含義如圖2所示。

圖2 FDS中水噴淋角度示意圖Fig.2 Schematic diagram of water spray angle in FDS

FDS中，水噴淋的噴射角度方向設(shè)置問題擬通過圖2表示?？梢钥闯鰜?，在水噴淋噴射角度豎向x-z平面上，豎直向下的方向?yàn)?°，豎直向上的方向?yàn)?80°，而x軸為90°的方向，角度的變化體現(xiàn)在a和b的變化上。在水平x-y平面上，x軸的反方向設(shè)置為0°，逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，y軸的負(fù)方向上為90°，x軸的正方向上位180°，y軸的正方向上為270°，角度的變化則體現(xiàn)在ε和χ上。

2 數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖3a-圖3g表示的是不同豎直噴淋角度對(duì)噴淋前后各個(gè)測(cè)定點(diǎn)溫度降低情況的影響。圖3a-圖3g中a、b、c、d、e、f、g處噴淋前后溫度降低情況采用極坐標(biāo)圖來表示。

圖3 水平噴淋角度為-30°～30°時(shí)，豎直噴淋角度對(duì)距地面不同高度處測(cè)點(diǎn)溫度變化的影響Fig.3 The influence of the vertical spray angle on the temperature change of different measuring point at -30°～30°horizontal spray angle

圖3a為距地面3 m處測(cè)點(diǎn)溫度隨豎直噴淋角度變換而變化的情況，從圖中可以看出當(dāng)豎直噴淋角度為90°～150°時(shí)，溫度的降低量最大，降溫可達(dá)到320 ℃.

圖3b為距離地面4 m處測(cè)點(diǎn)溫度隨豎直噴淋角度變換而變化的情況，從圖中可以看出豎直噴淋角度為15°～90°時(shí)測(cè)點(diǎn)溫度在增高與降低間交替波動(dòng)，甚至當(dāng)噴淋角度在75°～90°時(shí)溫度上升到最高值，此現(xiàn)象說明豎直噴淋角度為15°～90°時(shí)噴淋對(duì)溫度的降低基本不發(fā)揮作用，無法抑制外立面火災(zāi)。當(dāng)豎直噴淋角度為90°～150°時(shí)，才能使測(cè)點(diǎn)溫度連續(xù)下降，使溫度降低幅度達(dá)到220 ℃左右。

圖3a，3b顯示的測(cè)點(diǎn)溫度都是在豎直噴淋角度為90°～150°時(shí)降低幅度最大，而此時(shí)a，b測(cè)點(diǎn)位于外立面下部，故這種情況下噴淋角度對(duì)外立面下部的保護(hù)作用強(qiáng)。

從圖3c可看出豎直噴淋角度小于30°時(shí)，外立面c測(cè)點(diǎn)處溫度升高，豎直噴淋角度為30°～150°時(shí)，雖然在75°、90°處測(cè)點(diǎn)溫度有所升高，但并未超過30°時(shí)的溫度，說明即使溫度升高水噴淋也體現(xiàn)了抑火作用，當(dāng)豎直噴淋角度大于90°后，測(cè)點(diǎn)溫度呈連續(xù)降低，說明當(dāng)水噴淋位于30°～150°時(shí)，水噴淋對(duì)距離地面5 m處的保護(hù)作用強(qiáng)。

圖3d、3e、3f中溫度的測(cè)定點(diǎn)分別位于距離地面6 m、7 m和8 m處，從圖中可以看出這三個(gè)測(cè)點(diǎn)處溫度變化與豎直噴淋角度變換的規(guī)律基本一致：當(dāng)豎直噴淋角度小于15°時(shí)，測(cè)點(diǎn)溫度都有所增大，但當(dāng)豎直噴淋角度大于15°后，測(cè)點(diǎn)溫度基本呈連續(xù)降低趨勢(shì)(e測(cè)點(diǎn)在30°～45°時(shí)，溫度升高幅度不足5 ℃).說明對(duì)d、e、f三個(gè)測(cè)點(diǎn)均是豎直噴淋角度為15°～150°時(shí)，噴淋的降溫作用較其他豎直角度作用明顯。

圖3g顯示當(dāng)豎直噴淋角度變化時(shí)，外立面測(cè)點(diǎn)處溫度都在降低。但只有噴淋角度為60°～150°時(shí)，溫度降低幅度大，說明此時(shí)對(duì)距離地面9 m處的溫度降低作用明顯。

綜上可以看出，豎直噴淋角度在90°～150°對(duì)位于噴淋位置較低處的滅火作用明顯；噴淋角度15°～150°對(duì)位于噴淋位置附近的滅火作用明顯；而噴淋角度60°～150°則對(duì)位于噴淋位置較高處的滅火作用明顯。

圖4顯示的是在水平噴淋角度不變的情況下，豎直噴淋角度變化對(duì)各個(gè)測(cè)定點(diǎn)溫度變化情況的影響。從圖中可以看出，隨著高度的增加，所有不同的豎直噴淋角度都呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，而且豎直噴淋角度為135°～165°和150°～165°時(shí)，在a、b、c處的溫度變化情況都處于最小，如在a處時(shí)，因?yàn)樘幱?50°～165°的豎直噴淋角度范圍內(nèi)有效噴淋面積[10]過小，溫度變化量僅100 ℃左右。而對(duì)于豎直噴淋角度為0°～165°時(shí)，雖溫度降低量為245 ℃左右，但由于角度變化大，需充分考慮實(shí)際噴淋角度轉(zhuǎn)動(dòng)技術(shù)條件，因此，極坐標(biāo)分析時(shí)不采用這兩個(gè)角度變化。當(dāng)豎直噴淋角度為15°～165°時(shí)，在d、e、f三處的溫度變化情況相對(duì)于其他角度變化來說較高，這與從極坐標(biāo)圖上看到的結(jié)果基本一致。

圖4 水平噴淋角度-30°～30°，豎直噴淋角度的變化對(duì)測(cè)定點(diǎn)溫度變化情況的影響Fig.4 The influence of the vertical spray angle on the temperature change of the measuring point at -30°～30° horizontal spray angle

圖5表示的是在豎直噴淋角度為90°～165°的不同水平噴淋角度對(duì)噴淋前后各個(gè)測(cè)定點(diǎn)溫度降低情況的影響。同樣，圖5a-g表示a、b、c、d、e、f、g測(cè)點(diǎn)處噴淋前后溫度降低情況的極坐標(biāo)圖。

圖5 水平噴淋角度的變化對(duì)各個(gè)測(cè)定點(diǎn)溫度變化情況的影響Fig.5 The influence of horizontal spray angle on temperature variation of each measuring point

從a、b、c、d圖中可以看出，當(dāng)水平噴淋角度為-30°～30°時(shí)，測(cè)點(diǎn)溫度相對(duì)與其他水平噴淋角度有明顯幅度的下降，說明在此角度范圍內(nèi)溫度的降低量最大。也就是說此時(shí)的水平噴淋角度對(duì)外立面噴淋位置處下部的保護(hù)作用強(qiáng)，可使外立面下部溫度降低最高達(dá)125 ℃.圖e、f、g在60°時(shí)出現(xiàn)溫度尖峰，表示當(dāng)水平噴淋位于-60°～60°時(shí)，這兩處的溫度降低量也比較大，即水平噴淋角度對(duì)噴淋位置及下部附近的保護(hù)作用強(qiáng)，但此時(shí)溫度降低最大值僅為55 ℃，這是因?yàn)閲姵龅乃谥亓ψ饔孟卵赝饬⒚嫦蛳铝鲃?dòng)，對(duì)下部的降溫作用明顯，而上部僅能接收到的噴淋量遠(yuǎn)不及下部。

圖6顯示的是豎直噴淋角度90°～165°，水平噴淋角度的變化對(duì)測(cè)定點(diǎn)a-f溫度變化情況的影響。可以明顯看出水平噴淋角度為-70°～70°時(shí)，此時(shí)各個(gè)測(cè)定點(diǎn)的溫度變化最小，這同樣是因?yàn)榇私嵌认峦饬⒚嬗行娏苊娣e很小，所以這個(gè)水平噴淋角度并不適用于滅火。當(dāng)水平噴淋角度為-30°～30°，在a、b、c三處測(cè)溫點(diǎn)處的溫度降低量最大，與極坐標(biāo)圖顯示的結(jié)果一樣。

圖6 豎直噴淋角度90°～165°，水平噴淋角度的變化對(duì)測(cè)定點(diǎn)溫度變化情況的影響Fig.6 The influence of the horizontal spray angle on temperature change of the measured point at 90°～165° Vertical spray angle

3 結(jié)論

本文采用FDS軟件針對(duì)噴淋角度對(duì)外立面火抑制作用的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)。從結(jié)果中可以看出，在水平噴淋角度為-30°～30°的情況下，當(dāng)豎直噴淋角度為90°～150°時(shí)，水噴淋對(duì)噴淋位置處下部降溫可達(dá)220 ℃～320 ℃，對(duì)外立面下部的保護(hù)作用強(qiáng)，當(dāng)豎直噴淋角度為15°～150°時(shí)，水噴淋對(duì)噴淋位置附近的保護(hù)作用強(qiáng)，降溫幅度在60 ℃左右；在豎直噴淋角度為90°～165°的情況下，當(dāng)水平噴淋角度為-30°～30°時(shí)，最高溫降在125 ℃左右，溫度的降低量最大，此時(shí)對(duì)外立面噴淋位置處下部的保護(hù)作用強(qiáng)。當(dāng)水平噴淋位于-60°～60°時(shí)，這噴淋位置附近及上部的溫度降低量比較大，在55 ℃左右。

本文在模擬中，僅僅針對(duì)水平噴淋角度-30°～30°時(shí)，豎直噴淋角度的11種變化來進(jìn)行模擬；豎直噴淋角度為90°～165°時(shí)，水平噴淋角度的7種變化來表現(xiàn)水噴淋的滅火過程，這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。在接下來的工作中，應(yīng)該更加全面的認(rèn)識(shí)水噴淋角度對(duì)外立面火的抑制作用。這對(duì)于實(shí)際的消防具有重要的意義。