基于数值模拟的细水雾在汽车涂装车间喷漆室的应用研究

林　彬，姚　斌，祁鑫鑫

(1.公安部上海消防研究所，上海，200032; 2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026; 3.上海倍安实业有限公司，上海，200030)



基于数值模拟的细水雾在汽车涂装车间喷漆室的应用研究

林彬1，姚斌2*，祁鑫鑫3

(1.公安部上海消防研究所，上海，200032; 2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026; 3.上海倍安实业有限公司，上海，200030)

摘要:采用FDS软件对细水雾扑救汽车涂装车间喷漆室火灾的灭火效能进行数值模拟分析，着重探讨了喷漆室纵向通风、细水雾雾滴粒径、雾滴喷射速度、汽车障碍物等对扑灭油漆火的影响。模拟结果表明:在细水雾与油漆火的相互作用过程中，细水雾对火源的表面冷却和隔氧窒息作用显著;为了防止室内氧气得到补充，在开启细水雾灭火的同时应当联动控制关闭纵向通风系统;在模拟工况条件下雾滴粒径为100 μm～300 μm的细水雾灭火效果优于粒径为400 μm、500 μm的细水雾;雾滴在一定喷射速度范围内速度越大灭火效果越好，喷射速度为10 m/s的雾滴灭火效果明显优于3 m/s和5 m/s的雾滴，但是为了防止火焰横向蔓延，喷射速度不宜过高;在汽车障碍物火灾中部分微小的细水雾雾滴受到火焰的卷吸作用，可以绕过障碍物进入火区发挥冷却作用，细水雾灭火系统能够有效控制障碍物火灾，可以应用于汽车涂装车间喷漆室。

关键词:汽车涂装车间喷漆室;细水雾;数值模拟;灭火效能

0　引言

随着政府对汽车产业扶持力度的不断加大，中国汽车产销开始进入井喷式增长阶段，涌现出各种汽车制造厂［1］。涂装作为汽车制造过程中的四大生产工艺之一，由于生产工艺布局复杂、用电设备众多，大量使用可燃液体，危险性很高，尤其是涂装车间喷漆室，使用的挥发性涂料、溶剂多为甲、乙类可燃液体，一旦发生火灾，损失很大［2］。细水雾灭火系统由于安全环保、灭火高效、用水量少、安装维护方便，且可以扑灭遮挡火、电气火等特点，广泛应用于各类喷漆作业场所［3］。

为了保障喷漆作业的消防安全，研究人员做了大量的分析探讨。刘［4］介绍了汽车喷漆作业的消防常识，提出了喷漆作业防火、防爆的操作规范;谢等［5］结合实际案例，对涂装车间的消防等级、消防设施的配备进行了介绍;戴［6］对涂装车间的火灾危险性进行了研究分析。针对细水雾的灭火效能，研究人员进行了实验研究。Kim等［7］研究了空间下喷式细水雾与小尺度汽油池火的相互作用，指出细水雾流量在灭火过程中起着关键作用;姚等［8］利用锥形量热仪研究了受限空间内细水雾与油池火的相互作用，研究认为氧气稀释、蒸发吸热与热辐射衰减占主导灭火作用。

而如何将细水雾灭火系统应用于具体场所，如汽车涂装车间喷漆室，则缺乏相应的研究。汽车涂装车间喷漆室工艺特殊，与细水雾灭火系统应用的一般场所区别很大。比如由于需要排除残留漆雾，喷漆室存在着由上至下的纵向通风;待喷漆的汽车在灭火时会成为障碍物等。

本文以某品牌汽车生产厂涂装车间喷漆室为研究对象，采用FDS软件，建立汽车喷漆室模型，通过数值模拟分析研究不同参数的细水雾对扑灭各种工况火灾的效能。本文的研究成果可以为汽车涂装车间喷漆室灭火系统的设计提供参考。

1　研究对象概况

某品牌汽车生产厂涂装车间喷漆室采用钢架结构，墙面为1.2 mm厚304不锈钢面板。图1为该喷漆室的结构示意图，喷漆室长9 m，宽6 m，高4.5 m;顶棚设有边长2.25 m的正方形进风口，地面为栅格出风口，用以排除多余油漆，风速为0.5 m/s;顶棚安装有6只细水雾喷头，间距为3 m，均匀布置;室内正中间停放待喷漆汽车，长4 m，宽1.69 m，高1.5 m。

该品牌汽车的主要涂装工艺流程如图2所示，其中喷涂工序均采用静电喷涂，静电喷涂使用的高压电在6万伏以上。研究表明当电压超过1万伏时，如果喷枪与汽车距离在1 cm以内，就会放电产生打火花，引燃残留在地板栅格上的漆渣，发生油漆火火灾。

2　模拟实验设计

2.1建立模拟模型

本文以某汽车生产厂涂装车间喷漆室为研究对象，采用FDS软件，建立数值模型。如图3所示，喷漆室内的可燃物主要是油漆，油漆的主要成分是脂类、二甲苯等成膜物质和有机溶剂［9］。由于油漆属于混合物，关于油漆燃烧的资料较为匮乏，因此难以确定其燃烧参数。本文将与油漆单位面积质量损失率和平均热值接近的乙醇的相应参数写入火源模型［10］。

式中，Q为热释放速率，kW; rsp为单位面积上的质量损失率，kg/(m2.s) ; Hu为可燃物平均热值，kJ/kg; Af为火源燃烧面积，m2;χ为可燃物燃烧效率。取燃烧面积为1 m×1 m，因此可得出油漆火的火源功率为: Q=0.022×26780×1000×1×0.8=471.33 KW。

火源位于距汽车左侧0.5 m处，燃烧过程采用混合分数模型，火源与细水雾雾滴之间的相互作用采用欧拉-拉格朗日模型。

图1　某品牌汽车涂装车间喷漆室的Fig.1 The view of a car coating workshop’s spray paint room

图2　汽车涂装工艺流程图Fig.2 The flow chart of car coating process

细水雾喷头共6只，分两排均匀布置于顶棚，喷头间隔3 m。模型中共设置2个热电偶测点，分别设置在火源正上方距顶棚0.5 m处和火源表面，用以检测环境温度和火源表面温度。辐射热流计设置于火源正上方顶棚处，用以检测火焰对喷漆室钢制框架的辐射热通量。氧气浓度检测仪设置在距火源水平距离1 m处，用以检测室内氧气浓度。喷漆室内环境温度为20℃，环境压力为标准大气压。

模型中设定网格尺寸为0.2 m×0.2 m×0.2 m，火源附近网格加密，其尺寸为0.05 m×0.05 m×0.05 m，共104625个网格，模拟时间设为600 s，时间步长由软件自动控制。

2.2模拟工况设计

本文着重探讨喷漆室纵向通风、细水雾雾滴粒径、雾滴喷射速度、汽车障碍物等对扑灭油漆火的影响。为此设计表1所示模拟工况。

图3　模拟模型Fig.3 Simulation model

表1　模拟实验工况统计表Table 1 Statistics of the simulation experiment conditions

其中工况A1、A2对比纵向通风对灭火的影响，B1～B5对比细水雾粒径对灭火的影响，C1～C3对比液滴喷射速度对灭火的影响，D1～D4对比火源位置对灭火的影响。

3　模拟结果及分析

模拟开始，油漆迅速开始燃烧并产生大量浓烟。60 s时开启细水雾，受雾滴向下的拖曳力的影响，火羽流发生明显扰动，该阶段大约持续3 s～4 s，在该阶段细水雾对火源燃烧有一定的强化作用［11］，使得火源表面温度突然升高，此后由于大量雾滴穿透至火源表面，火源温度持续下降。

图4所示数值模拟结果为细水雾作用下油漆火中心截面的温度场变化情况。可以看出，在细水雾作用下油漆火火焰高度逐渐降低，直至熄灭，喷漆室顶棚温度显著降低。

3.1纵向通风对细水雾灭火的影响

在喷漆作业时，为了排除多余的漆雾，往往设置由上至下的纵向通风。为了研究纵向风对细水雾灭火的影响，本文设置工况A1、A2，各工况均在60 s时开启细水雾进行灭火。

图5～图7分别为不同通风条件下室内氧气浓度、火源表面温度和火源正上方顶棚温度随时间变化的曲线图。

由图5可知，60 s之前两个工况通风条件一致，曲线几乎重合。当喷漆室60 s关闭通风后，氧气含量持续降低，在400 s时已经低于乙醇、汽油等可燃物燃烧所需的最低氧气浓度(乙醇为15%、汽油为14.4%)，这是因为细水雾雾滴汽化生成了大量水蒸气，使室内氧气浓度降低。如果持续通风，氧气得到补充，截止到模拟结束(600 s)时，氧气浓度依然可以达到16%左右，细水雾灭火的窒息作用被大大削弱了。

图4　细水雾作用下喷漆室油漆火火焰中心截面温度场变化情况Fig.4 The flame center temperature distribution in the spray paint roomwith the use of water mist system (a) burning starts; (b) beginning of using water mist; (c) flame extinction

分析图6，若60 s后停止通风，火源表面温度迅速降低，直至100℃以下;若继续通风，火源表面温度降低幅度较小，模拟时间内一直维持在500℃以上，细水雾冷却的效果被弱化了。

如图7所示，若60 s关闭通风，顶棚温度快速下降，100 s后维持在50℃左右。若持续通风，温度始终保持上升趋势，直至上升至500℃左右。

综合分析图5～图7，在一直通风的条件下，细水雾灭火的隔氧窒息作用和表面冷却作用被削弱，顶棚钢结构构件温度达400℃以上且持续较长时间。而钢材在400℃时屈服强度下降一半，不足以支撑建筑结构［12］。可以得出结论:在一直存在纵向通风的条件下细水雾灭火系统效果欠佳。

因此如果发生喷漆室火灾，在启动细水雾灭火系统的同时，应当联动控制关闭纵向通风系统，阻断纵向通风。

图5　不同通风条件下喷漆室氧气浓度变化曲线Fig.5 Spray room oxygen concentration curves under different ventilation conditions

图6　不同通风条件下火源表面温度变化曲线Fig.6 Fire source surface temperatures under different ventilation conditions

图7　不同通风条件下火源正上方顶棚温度变化曲线Fig.7 The ceiling temperature change curve above fire source under different ventilation conditions

3.2细水雾粒径对灭火的影响

不同的细水雾粒径有不同的灭火效果，现有的细水雾系统尚无法设置单一粒径。而通过数值模拟方式可以更加深入地研究粒径对灭火的影响。

本文设置细水雾粒径为100 μm、200 μm、300 μm、400 μm、500 μm的五种工况进行模拟，即工况B1～B5。各工况均在60 s时关闭通风系统，开启细水雾进行灭火。

图8～图10分别为火源表面温度、火源正上方顶棚温度和火源正上方顶棚辐射热通量随时间变化的曲线。

图8　不同粒径细水雾条件下火源表面温度变化曲线Fig.8 Fire source surface temperatures under different particle sizes of water mist

图9　不同粒径细水雾条件下火源正上方顶棚温度变化曲线Fig.9 The ceiling temperature above fire source

分析图8～图10，五种粒径的细水雾均能成功灭火。但当雾滴以400 μm、500 μm喷洒时，100 s～450 s之间温度曲线、辐射热通量曲线均有明显波动，且温度和辐射热通量均明显高于其他三种粒径的细水雾。这是因为粒径越小，蒸发越快，小粒径雾滴降到火源表面迅速蒸发汽化，使得火源表面温度迅速降低。当粒径较大时，汽化作用有所减弱，而施加的细水雾使得燃料表面的热反馈增大，温度有一定的上升并产生震荡。综合图8、图9、图10，细水雾灭火的表面冷却作用和辐射热阻隔作用明显，且当粒径为100 μm～300 μm时，灭火效果更好。

图10　不同粒径细水雾条件下火源正上方顶棚辐射热通量变化曲线Fig.10 The ceiling radiant heat flux above fire source under different particle sizes of water mist

3.3细水雾喷射速度对灭火的影响

细水雾扑灭油漆火的机理中，对火源表面的冷却效果显著。若要使细水雾雾滴能够克服烟气羽流的浮力作用，穿过火焰区到达火源表面，必须有足够的动量。在确定雾滴粒径后喷射速度决定了雾滴动量。本文设置3 m/s、5 m/s、10 m/s三种雾滴速度进行模拟，即工况C1～C3。雾滴粒径均为200 μm，60 s后关闭通风系统进行灭火。

图11显示了不同雾滴速度条件下的火源表面温度。模拟开始，火源表面温度迅速达到700℃左右，当施加细水雾后，温度首先有所上升，然后开始下降，且雾滴速度越大，下降幅度越大。当雾滴速度达到10 m/s时，火源表面温度在100 s～400 s时维持在200℃左右，而当雾滴速度为3 m/s时温度一直高于雾滴速度10 m/s时的火源表面温度，温差在100℃～200℃左右。雾滴速度的大小对火源表面冷却效果影响显著，速度越大冷却效果越好。这是因为要实现细水雾对火源的表面冷却作用，雾滴必须克服烟气羽流和空气卷吸浮力。在同等粒径条件下，速度越大雾滴动量越大，越容易穿透至火源表面，火源表面冷却作用也就越好。

同时分析图12中不同雾滴速度下火源正上方顶棚的温度变化曲线可以得出结论:雾滴速度越大，细水雾对顶棚的冷却作用也越好。模拟开始后烟气上升至顶棚，顶棚温度快速上升至160℃，细水雾的施加使顶棚温度下降。10 m/s的细水雾将顶棚温度迅速下降至50℃左右，而3 m/s的细水雾在400 s之内仅能使顶棚温度下降至80℃左右。综合图11、图12，细水雾雾滴速度越大，对火源表面的冷却降温作用越明显，灭火效果越好。同时也应当注意不可盲目提高雾滴速度，因为由于空气动力学作用，过高速度的雾滴可能会导致火羽流和烟气羽流紊乱，使得火焰横向蔓延［13］。

图11　不同雾滴速度下火源表面温度变化曲线Fig.11 Fire source surface temperature under different speed of droplets

图12　不同雾滴速度下火源正上方顶棚温度变化曲线Fig.12 The ceiling temperature above fire source under different speed of droplets

3.4障碍物对细水雾灭火的影响

汽车涂装车间喷漆室是专门用来给汽车喷涂液态涂料的场所，若在喷漆过程中发生油漆火灾，着火位置可能在汽车车底、汽车侧边等，这时汽车就成为了干扰灭火剂直接作用于火源表面的障碍物，影响了灭火剂的灭火效果。那么细水雾灭火系统能否扑灭汽车障碍物火灾，有待深入研究。本文设定四种不同火源位置的工况模拟细水雾灭火系统灭障碍物火灾的有效性。火源位置如图13所示，模拟工况为D1 ～D4。距离汽车最远火源位于汽车侧边0.5 m处。灭火系统参数根据前文的分析，采用粒径200 μm、速度10 m/s的细水雾。

图13　火源位置示意图Fig.13 Schematic diagram of location of fire source

图14显示了四种工况火源表面的温度，由图14可知，火源距离汽车越近，障碍物对雾滴的阻挡作用越大，细水雾对火源表面的冷却效果也就越差。当将火盆的一半置于车底时细水雾有较好的冷却效果，而当火盆全部位于车底时细水雾冷却效果明显减弱，这是细水雾雾滴受汽车的阻挡无法直接作用于火源表面所致。而火源表面温度依然存在一定的降低是因为火焰具有卷吸作用，部分微小的细水雾雾滴在卷吸作用下仍有一部分进入火区发挥冷却作用。

图14　不同火源位置的火源表面温度变化曲线Fig.14 Fire source surface temperature of different fire source locations

图15显示了四种工况下喷漆室顶棚的温度变化，可以看出当火盆全部位于车底时喷漆室顶棚温升有所降低，最高仅达到100℃左右，施加细水雾后温度迅速降低，100 s之后维持在50℃左右。

图15　不同火源位置的顶棚温度变化曲线Fig.15 The ceiling temperature of different fire source locations

综上所述，在喷漆室不同位置发生火灾，由于汽车的存在导致灭火效率和灭火时间不同，但均能控制住火势，所设参数细水雾可以应用于汽车涂装车间喷漆室。

4　结论与展望

4.1结论

本文通过FDS数值模拟分析研究了细水雾灭火系统在汽车涂装车间喷漆室的具体应用方式，研究表明:

(1)细水雾与油漆火的相互作用过程中，细水雾对火源的表面冷却和隔氧窒息作用效果显著。当喷漆室着火启动细水雾灭火系统时，应当同时联动控制关闭纵向通风系统，阻断纵向通风。

(2)在模拟工况条件下雾滴粒径为100 μm～300 μm时，雾滴蒸发速度快、降温效果好，灭火效果优于粒径为400 μm、500 μm的细水雾。

(3)细水雾雾滴在一定喷射速度范围内速度越大，对火源表面的冷却作用越明显，灭火效果越好。喷射速度为10 m/s的雾滴灭火效果明显优于3 m/s 和5 m/s的雾滴。

(4)喷漆室发生火灾，汽车往往成为障碍物阻挡细水雾直接作用于火源表面。由于火焰具有卷吸作用，部分微小的细水雾雾滴在卷吸作用下仍有一部分可以进入火区发挥冷却作用。粒径100 μm～300 μm、喷射速度10 m/s的细水雾能够有效控制住障碍物火，可以应用于汽车涂装车间喷漆室。

4.2展望

本文通过数值模拟的方法分析了喷漆室纵向通风、细水雾雾滴粒径、雾滴喷射速度、汽车障碍物等对扑灭油漆火的影响。今后可以增加实体火灾实验部分，将数值模拟和实验数据进行对比，以验证数值模拟的可信度。

参考文献

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Application research of water mist system in the spray paint room of car coating workshop based on numerical simulation

LIN Bin1，YAO Bin2，QI Xinxin3
(1.Shanghai Fire Research Institute of Ministry of Public Security，Shanghai 200032，China;
2.State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China;
3.Shanghai Beian Industrial Co，Ltd，Shanghai 200030，China)

Abstract:Efficiency of fire extinguishing by water mist system in spray paint room of car coating workshop is investigated by FDS software，with focuses on the longitudinal ventilation，water mist particle diameter，the droplets injection speed and the influences of car obstacles.Simulation results show significant enhancement of water mist in cooling the surface of fire and isolating from oxygen during the interaction between water mist and the paint fire.When the water mist system is opened，longitudinal ventilation system must be closed by linkage control to prevent indoor oxygen from being replenished.Under the simulated conditions，the water mist particles with diameters of 100～300 microns have higher extinguishing efficiency compared to the particles with diameters of 400～500 microns.Within certain range of injection speed，greater speed will lead to higher extinguishing efficiency，and the injection speed of 10 m/s is apparently better than 3 m/s and 5 m/s.However，to prevent fire lateral spread，the injection speed should not be too high.Under the condition of car obstacles fire，some tiny water mist droplets can bypass obstacles into the fire area to play a role of cooling because of the flame entrainment effect.

Keyword: Spray paint room of car coating workshop; Water mist system; Numerical simulation; Extinguishing efficiency

通讯作者:姚斌，E-mail: binyao@ustc.edu.cn

作者简介:林彬(1990-)，男，山东梁山人，公安部上海消防研究所，主要从事细水雾灭火系统灭火性能方面的研究。

收稿日期:2015-04-13;修改日期: 2015-05-19

DOI:10.3969/j.issn.1004-5309.2015.03.06

文章编号:1004-5309(2015) -00159-08

中图分类号:X932

文献标识码:A