综合体高压细水雾特性参数的火灾动态模拟

王辉明， 王诗怡， 王祥林

(新疆大学建筑工程学院, 乌鲁木齐 830046)

当前随着科学技术的迅猛发展，人们对城市运作效率的要求日益增高，商业综合体应运而生，促进城市经济发展，达到互利共赢目的。基于综合体结构复杂化以及人类需求的提升，传统的消防技术及规范已不能完全满足现有新型综合体建筑要求。细水雾技术具有诸多突出优点，因此发达国家多采用细水雾性能化设计替代传统技术，以避免造成安装参数、喷雾参数在综合体设计中的不协调[1]。因此中外学者对细水雾的控火、灭火机理进行了广泛而细致的研究，Novohzliov等[2]使用了计算流体动力学(CFD)模拟方法，并对其进行了评述，将细水雾对固体火灾的过程进行了模拟，从而判断细水雾灭火的效果；Liu 等[3]针对不同的火灾类型，分析了细水雾的灭火效果，研究发现细水雾的灭火速率和效果与火灾的热释放率有一定的关系；Chen等[4]进行了细水雾灭商用厨房油火的全尺寸实验，表明细水雾灭火效率随着流量系数和工作压力的增大而增长；贺元骅等[5]进行低压环境对高压细水雾雾滴粒径的研究实验，拓宽了适用环境，并表明雾通量及粒径在低压环境将增大。潘登[6]利用(fire dynamics simulator,FDS) 软件模拟了受限空间脉冲细水雾灭火过程，研究不同开启、暂停时间和不同火源功率对各指标的影响，得出高压脉冲的高效节能及控火。汤慧等[7]对国家标准存在的不足及在细水雾系统中应用的利弊进行了实例研究，对参数设计进行细化。侯龙江[8]以杭州某大型商业综合体项目为研究背景，分析了其中存在的消防问题，并探析了相应的消防安全管理与防火策略，以期提高城市商业综合体建筑的安全性。

综上所述，细水雾的研究主要集中在受限空间的常压环境，高压细水雾在新型建筑的应用较少，设计顾虑突出，缺少对大空间综合体高压细水雾特性参数的探讨，因此，参考美国消防协会标准(NFPA)，利用BIM(building information modeling)技术在建筑全寿命周期集成和共享方面的优势，建立某商业综合体BIM 3D模型，并基于IFC标准分层转化为火灾动力学模拟(FDS)分析计算模型，研讨大空间火灾过程中单一喷头高压细水雾作用机理及Ⅱ级高压细水雾在不同喷射速度、雾化角以及水雾压力因素下与火焰相互作用过程，得到商业综合体最佳高压细水雾性能化参数，并与受限空间研究结果相对比，以期为同类型建筑的消防安全性能化设计提供参考。

1 流体动力学基本控制方程

火灾燃烧是化学反应的传热、传质和运动耦合过程，通过FDS着重研究火灾的热烟气流动和热量传递，求解描述低速、热驱动的方程组，其数值计算的理论基础是计算流体动力学，基本控制方程是流体力学的连续性方程、动量方程、能量方程和状态方程，同时结合大涡模拟(LES)湍流模型[9]。

(1)质量守恒：

(1)

式(1)中：∇为向量运算符号；ρ为流体密度；u为流体速度矢量；t为时间。

(2)动量守恒：

(2)

(3)

(4)

式中：p为压力；f为外部力矢量；τij为流体黏性应力张量；δij为克罗内克符号。

(3)能量守恒：

(5)

(6)

(4)状态方程：

(7)

(5)LES湍流模型：

(8)

(9)

(10)

式中:T为温度；R为理想气体常数；M为摩尔质量；μLES为湍流黏度；Cs为Smagorinsky常数；Δ为过滤尺度；KLES为湍流导热系数；Pr为普朗特数；Cp为质量定压热容；(ρD)LES为湍流的物质扩散系数；Sc为施密特数。

2 物理模型及火灾场景参数

2.1 物理模型

通过BIM技术建立1∶1的23层综合体模型，分为东塔、西塔楼和裙楼，单层建筑面积最大达2 800 m2，四层以上层高为3.8 m。综合体BIM 3D几何模型如图1所示。

图1 综合体BIM 3D模型

2.2 火灾场景参数设计

通过建立火灾计算模型，利用FDS火灾模拟和Smokeview后处理软件，对此综合体进行高压细水雾性能分析。依据楼梯位置，火源及探测器位置如图2所示，为影响人员流动权值最大也是火灾危险最高的地段。依据美国消防协会标准NFPA 204M《排烟标准(standard of smoke and heat venting)》(2002年)中定义的4种t2非稳态火灾：慢速、中速、快速和超快速火[10]。结合大型商业综合体建筑中厅物质可燃性较大、易燃物品多的特点，选取以非稳态热释放速率发生“超快速火”进行计算，火源当量为10 MW，其4种t2非稳态火灾热释放速率对比如图3所示，细水雾喷头启动温度57 ℃,位于火源正上方，距离顶距离0.15 m。采取均匀网格划分形式，网格尺寸为1 m×1 m×1 m，共303 084个网格细胞[11]。

图2 火源及探测器位置

图3 4种非稳态火灾速率增长曲线

3 模拟结果对比分析

图4为无高压细水雾下火源上方温度变化，按距地面2 m高位置的温度不超过80 ℃指标，可知80 s左右就温度而言已经不利于逃生。

图4 无喷雾火源上方2 m温度变化

3.1 雾化角对综合体控火效率的影响

雾化角是细水雾的特征参数，如图5所示，单嘴雾化角影响喷雾方向、有效覆盖面积还间接影响细水雾的初始速度以及动量，进而决定了细水雾的穿透能力[12]，主要通过(雾通量)流量密度对控火起到关键性作用。现设定4种雾化角度，喷头参数如表1所示。

h为喷头到火源的距离；θ为喷雾角

表1 喷头参数

针对模拟中雾化角对雾通量影响，细水雾火焰区雾通量计算如式(11)所示：

(11)

式(11)中：q为喷头喷出流量，m3/s；h为喷头到火源的距离，m；θ为喷雾角，rad。

如图6(a)所示，在综合体建筑中，随4种雾化角度的增大，温度场峰值不断降低，火焰区呼吸高度处温度降低值随着雾化角度增大而减小，且温度峰值时间节点向前偏移，即一定量雾化角度增大有利于火焰区温度降低。因为随着一定量雾化角度增大，高压细水雾作用范围增大，雾滴分散，作用在火焰区的雾通量值就会趋于完全利用，促进与火焰的相互作用；一定量雾化角度增大加快了降温速率，再结合图6(b)，并考虑到综合体大空间、楼层高等特点，火灾蔓延更易多方向扩展，加快远处(楼梯处)温度的上升。对比文献[13]可知，综合体火源上方温度在高压细水雾施加初期，对火焰区冲切扰动造成的湍流更加剧烈，在细水雾作用初期火焰得到一定强化，施加初期温度有回升现象，且对温度而言雾化角越小强化幅值越大，并由图6(b)可知雾化角越小，回升速率越快，究其原因是雾化角越大，火焰紊流以及烟气湍流更容易破坏射流的稳定性，打破射流的表面张力，得到细小的雾滴，相对面积增大，得到二次气化，冷却作用明显。但当雾化角超过了临界值，随细水雾施加，有效雾通量减少，使超快速火表面温度震荡明显，当雾化角为120°时，火源上方温度震荡作用尤为显著，细水雾施加6 min后火源上方温度降至室温。对比文献[14]以及参考美国消防协会标准NFPA750《细水雾灭火系统标准》的受限空间雾化角基础上，综合而言，在大空间建筑里，雾化角要在60°基础上有所增加，可以看出60°～105°角度下，角度增大控火效果会有增强，角度为105°时已经达到很好的控火效果，所以考虑经济性，应该选择105°为最佳。

图6 温度变化曲线

3.2 喷射速度对综合体控火效率的影响

通过对细水雾雾化角控火效率的分析发现，在抑制火灾过程中，表面冷却作用效果显著。在雾化角105°基础上，为了保证特定细水雾粒径能顺利穿透火羽流，作用于火焰区，提高雾滴速度尤为关键。结合上述模拟现设定4种喷射速度，喷头参数如表2所示。

表2 喷头参数

雾滴在运动过程中符合牛顿第二定律和动量守恒定律如式(12)所示：

(12)

式(12)中：ρ为雾滴密度；r为雾滴粒径；u为雾滴速度；t为时间；G为雾滴重力；Ff雾滴所受的浮力；Fd为热羽流对雾滴的卷吸作用力。

不同喷射速度情况下，火源上方2 m处细水雾控火数值模拟的温度随时间变化曲线如图7所示。由图7(a)可知，4种不同流速下的温度变化趋势也很相近，喷射速度为7 m/s时温度下降耗时最长，10 m/s耗时与7 m/s相差不大，但高压细水雾作用前期，10 m/s的降温效果明显，在火灾充分发展阶段之后平均温度低于7 m/s工况；喷射速度为13 m/s和15 m/s时，温度下降耗时时差基本在10 s之内，喷射速度13 m/s的工况在高压细水雾作用前期降温优于15 m/s工况，且在火灾充分发展阶段震荡幅度及时间区域小，再结合图7(b)中楼梯处温度变化曲线，可知对远离火源的位置，喷射速度为13 m/s和15 m/s的工况在300 s左右有温度增长平稳段，但后期存在可忽略的负面影响。结合式(12)，分析其原因：喷射速度控制的控火机理主要是细水雾雾通量≥烟羽流动量，才能保证在同空气的接触中产生了极大的剪切力并以湍流的方式进入火焰区，高动能的细水雾对火焰蔓延产生湍流扰动重分布，控火效能大大提高；同时，根据状态方程要避免细水雾高动能引起空气动力学副作用，使室内形成压力变动，气体密度增加，导致雾滴的收缩，束缚了雾滴的发散。由图8可知，此变动加快高温烟气中CO流动，超过临界喷射速度火焰横向扩展。综上所述，13 m/s工况火源上方温度峰值低于80 ℃，并考虑节能经济性，综合体建筑应该选择13 m/s的喷射速度。

图7 温度变化曲线

图8 不同喷射速度工况CO浓度及分布

3.3 水雾压力对综合体控火效率的影响

对于高压细水雾系统，细水雾压力是一个十分重要的安全设计参数。细水雾压力不仅决定着喷雾流量，而且还决定着雾滴粒径大小再分布、最大动能等一系列与火灾抑制有紧密联系的参数。在上述模拟基础上现设定4种水雾压力，喷头参数如表3所示。

表3 喷头参数

根据水雾压力计算喷头流量，计算公式为

(13)

式(13)中：K为流量系数；p为水雾压力，MPa。

不同压力情况下，通过细水雾抑制大空间超快速火，火源上方2 m处温度随时间的变化曲线如图9所示。由图9(a)可知，4种水雾压力作用下，初期火源附近的平均温度迅速下降，最终下降到了25 ℃左右，说明高压细水雾起到了高效的冷却效果。相同流量系数下，随着压力上升至临界压力，温度波动减弱，结合图9(b)可知，对火源控制效果越好，前期对远离火源位置的控温越有效，但后期存在负面影响；分析其原因：喷射高压加快细水雾在空气中的高速运动，产生极大的剪切力，且更易接近火源，雾滴分裂充分，雾滴粒径下限变小，雾滴数目增多总表面积增大，气化速率加快；但当其超越临界值，压力、速度组合作用下引起空气动力学副作用，导致火羽流和火焰区的紊乱，由图10可知，超越临界喷雾压力，造成火焰向横向扩展以及加快高温烟气中CO流动。纵观4种工况，温度在150～300 s波动幅度大，此时属于火燃烧的蔓延阶段，侧面说明高压细水雾可以有效抑制火势地蔓延。10 MPa的温度随时间曲线震荡幅度小，此后压力的增大对控火效果提高已无经济性可言，所以喷雾压力为10 MPa是合适的选择。

图9 温度变化曲线

图10 不同水雾压力工况下CO浓度及分布

综合上述过程，从雾化角最佳→喷射速度最佳→水雾压力最佳，通过对三参数控制变量分析研究，初期火源附近降温速率增大，最低温度减小，幅值逐渐降低，各级温差大概10 ℃。并对照图8、图10可知在较好喷射速度基础上，喷雾压力工况下又减弱了CO流动。

4 结论

通过对商业综合体火灾下高压细水雾的数值模拟分析，探讨了雾性参数对大空间综合体温度、CO流动的影响规律以及控火效能，得到以下结论。

(1)利用BIM技术结合FDS数值模拟能全尺寸详细地研讨大空间内高压细水雾与火羽流作用过程中参数的变化，为商业综合体内高压细水雾性能化设计和控火机理提供理论基础。

(2)雾化角反映的是细水雾对火场的覆盖范围，在综合体中雾化角增大到一定程度时，火焰区雾通量趋于完全利用，提高了细水雾控火效能。大空间综合体在不同雾化角高压细水雾施加初期造成紊流扰动比受限空间更加剧烈且温度有回升现象，火焰得到一定强化且雾化角大于受限空间雾化角。

(3)高压细水雾不同喷射速度与火焰作用表明，在综合体中喷射速度增大一定量值，降温速率与幅值均增大，在火灾充分发展阶段震荡幅度及时间区域小，最终火源表面实现明显冷却。

(4)随着压力上升至临界压力，温度回升之后波动减小，对火源控制效果越好，当超越临界值，压力、速度组合作用下导致火羽流和火焰区的紊乱，造成火焰向横向扩展以及加快高温烟气中CO流动。