侧喷细水雾控制罗布麻仓库火灾的有效性分析

一、罗布麻仓库简介

本数值模拟实验以新疆巴音郭楞蒙古自治州某罗布麻仓库火灾案例为基础而建立。仓库为丙类钢结构工业建筑，由彩钢板搭建而成，建筑长83m 宽25m 高9m，共有四个大门一个常开其余三个常闭。仓库外围共两层窗户，单个窗户长3m 相邻窗户间隔3m，下层窗户高1.6m 下边缘距地面1.2m，上层窗户高1m 上边缘距顶棚1.5m，日常使用过程中窗户处于常闭状态。罗布麻经打包机打包成堆垛的形式堆放，每个罗布麻堆垛长1m 宽0.8m 高0.5m，三到四个堆在一起堆放在靠墙位置，相邻堆垛之间间隔在1.4m 左右，仓库内日常摆放900多个罗布麻包。根据《建筑防烟排烟系统技术标准GB51251-2017》，对于高度超过6m的工业用房防烟分区控制在2000m2以内，因此对于本文研究的罗布麻仓库可看作一个防烟分区。

二、物理模型搭建

FDS 数值模型按照罗布麻仓库尺寸1：1 建立物理模型。罗布麻堆垛四个堆成一堆，单个堆垛尺寸为1m×0.8m×0.5m，相邻堆垛之间间隔1.4m，靠墙位置五个一堆，靠窗位置两个一堆，仓库场边一侧堆放三排短边一侧堆放四排其余位置不堆放，模型中共放有917个罗布麻包。模型搭建如图1所示。

图1 罗布麻仓库FDS模型

（一）火源设置

该数值模拟实验模拟仓库内电线老化短路后引发相邻罗布麻堆垛起火的情形。结合仓库电线分布实际情况，将火源设置为大门左侧靠墙的第四个堆垛，模拟电线短路引燃下方堆垛的火灾场景。一个罗布麻包重约65 千克，参考美国消防工程师手册烟丝的燃烧热约为15MJ/kg，一个罗布麻包燃烧殆尽需近15min，因此将火源功率设置为1MW，火源在模拟开始后1s 达到最大值。

（二）网格划分

根据NIST 提供的FDS技术参考，网格大小与火源特征直径存在密切联系，特征直径可由下式计算：

式中，D*——为火灾特征直径；

Q——为火源热释放速率（单位：kW）；

ρ0——为环境空气密度，通常取值1.2kg/m3；

T0——为环境空气温度，通常取值293K；

CP——为环境空气比热，通常取值1kJ/kg·K；

g——为重力加速度，通常取值9.8m/s2；

当网格δχ尺寸满足D*/δχ在4至16之间时，可以达到比较好的模拟效果。根据上式计算，1MW 热释放速率对应的网格尺寸应在0.06～0.25m之间取值。为确保数值模拟结果可靠性，降低网格尺寸对结果造成的误差，选取0.1m3、0.15m3、0.2m3、0.25m3四种网格尺寸对模型进行网格独立性检验。将热电偶布置在与火源中心间距2.4m的位置，通过检测温度变化判断网格尺寸对温度数据的影响，模拟时间5min。

图2 网格独立性检验

由图2的模拟结果得出，此次研究网格大小取为0.1m3。同时，为了优化模拟资源将模型划分为多个网格，火源附近20m×6.4m的区域网格大小为0.1m3，其余网格大小设置为0.4m3。

（三）其他参数设置

为了达到比较好的控制效果，罗布麻仓库内部细水雾灭火系统设计为高压系统，工作压力10MPa。采用的单个细水雾喷头流量系数k为0.89，对应流量为8.9L/min，喷头雾锥角120°。喷头水平安装在仓库侧壁，相邻喷头间隔3m。燃烧反应采用正庚烷燃烧，模拟时间设为300s，其余参数设为默认值。

三、细水雾作用下仓库火灾的控制效果

本章节中为了研究侧喷细水雾对罗布麻堆垛仓库火灾的控制效果，将细水雾喷头水平安装在4m高度处，在模拟进行60s 后开启细水雾喷头释放水雾。此时仓库内部温度场基本稳定，烟气层也初步形成，火灾已经发展到一定规模，此时开始释放细水雾可以研究在较为危险的火灾场景下的控火能力。

（一）火焰形态变化

图3是火源中心X轴方向在不同时刻的温度场切片。从模拟结果来看前60s 火焰在湍流的影响下有所波动但整体形态较为一致。60s时细水雾开始施加，水滴进入火场之后迅速吸热蒸发产生大量水蒸气对火焰区形成冲击，使得火焰不断波动。120s时在细水雾的作用下火焰高度有所降低，火焰强度得到一定控制。随着环境中雾滴密度不断上升对火焰的控制效果更加明显，从图中可以看出在200s和300s时火焰高度进一步降低，火源强度得到有效控制。

图3 细水雾作用下火源中心X轴方向温度切片

（二）细水雾的冷却效果

图4为细水雾喷头在4m高度处作用时火源上方不同高度温度随时间变化曲线。从图中可以看出火源位置处温度曲线基本保持在800℃左右，曲线在前期波动较为明显，后来逐渐区域平缓，这是由于细水雾在施加过程中汽化蒸发产生的大量气体对火源造成了一定冲击引发火源位置温度的波动，随着施加时间的持续液滴浓度逐渐增大，对火源的强度形成较好的抑制效果，此时吸热产生的气体量也随之降低对火源的冲击效果也有一定削弱，因此曲线变得平缓。火源上方6m高度处温度曲线与未施加细水雾的工况相比，温度有所降低但下降幅度并不明显，施加细水雾后温度开始下降曲线从150℃左右下降至100℃左右，并趋于平稳，这是由于细水雾喷头高度处在4m高度处不能对6m 处进行有效的降温，主要通过吸收高温烟气中一部分热量以及隔绝了部分热辐射从而使得该位置温度有所降低。火源上方3m和4m高度处温度曲线的走势较为相似，在细水雾施加之前曲线波动范围较大，与上述分析一致这是由于火源的湍流特性使得火焰高度不断上下波动，而3m高度处恰好处于间歇火焰区，受火焰高度的变化该处温度也会随之变化；随着细水雾的施加在模拟进行70s 之后整体温度开始下降，曲线仍有一定的波动性但波动的范围有所降低，说明火焰强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高度处不再受到直接加热；随着细水雾施加时间的延续，两条温度曲线不断下降且下降趋势逐渐变小，模拟进行200s 之后两条温度曲线区域平稳，均处在200℃以下，说明此时火焰高度得到有效控制，3m 及4m高度处已经不再受到火焰的直接影响，从图3 也可以看出，此时火焰高度明显降低火源得到有效抑制。

图4 喷头高度4 m时侧喷细水雾作用下火源上方不同位置温度变化

四、不同高度侧喷细水雾对控火效果的影响

《细水雾灭火系统技术规范》中对细水雾系统特定的一些应用场所给出了相应的设计要求，但是没有对侧喷细水雾的安装方式给出规定。对于一般细水雾系统，喷头安装高度在3至5m之间且安装在顶棚位置，位置过高水雾液滴难以到达着火区域进行有效灭火，位置过低细水雾不能充分雾化，因此安装高度对细水雾在实际灭火过程中显得十分重要。本节中通过分析不同安装高度下细水雾对罗布麻堆垛仓库火灾的控制效果来设计合理的喷头安装高度。

（一）不同安装高度下细水雾对火焰强度的控制效果

本节中将喷头分别布置在3m、3.5m 及4m 三种高度，细水雾开始施加时间仍设置为60s，总模拟时间300s。图5和图6为细水雾喷头分别在3m和3.5m高度作用时火焰的形态变化过程。结合图3 可以看出喷头在4m高度时在模拟进行120s时就表现出较为明显的控制效果，火源强度有所降低，说明此工况对应的控火效果更为理想。

图5 喷头在3 m高度处作用时X轴方向火焰形态变化

图6 喷头在3.5 m高度处作用时X轴方向火焰形态变化

（二）喷头不同安装高度对冷却效果的影响

图7和图8分别为侧喷细水雾喷头在3m、3.5m 两种不同高度作用下，火源上方不同位置温度变化曲线。从图中可以看出喷头安装在不同位置时，两图中各测点温度曲线变化趋势基本一致，火源处温度达到稳定状态后基本保持在800℃左右。

结合图3和图4，通过对比可以发现当喷头安装在4m高度处时火源在细水雾的作用下得到较好的抑制，火源上方温度曲线在细水雾的冷却效果下逐渐趋于平稳且处在相对较低的位置，说明在此高度下侧喷细水雾对火源的作用效果最为理想。

图7 喷头在3m高度处作用时火源上方不同位置温度变化

图8 喷头在3.5m高度处作用时火源上方不同位置温度变化

通过上述分析，三种设定工况随着喷头安装高度的上升细水雾对火源的控制效果越好。

五、结语

本章根据实际仓库建立了全尺寸模型，通过对仓库火灾场景的模拟发现火源位置温度达到了800℃左右很容易引燃同堆的罗布麻包，从而使得火灾规模成倍扩大，火焰对周围临近堆垛表面的加热作用也会随之增强诱发火蔓延的可能性上升。在施加细水雾模拟工况中，随着细水雾施加时间的延长对火源上方温度的控制效果也越发明显，模拟进行150s 后火源上方测点温度明显降低并处在较为稳定的状态。通过改变侧喷细水雾喷头高度研究对灭火效果的影响，结果发现在3m、3.5m 及4m 三种设定工况下随着喷头高度的增加细水雾对火焰形态的抑制效果也更加明显，对火源上方的冷区效果也更为出色。