邓　琦，武红梅，霍　岩

(1.海装舰船办，北京 100071； 2.中国舰船研究设计中心，武汉 430064；

3.哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院 哈尔滨 150001)



受限开口小房间内火灾受水雾作用的数值模拟

邓琦1，武红梅2，霍岩3

(1.海装舰船办，北京 100071； 2.中国舰船研究设计中心，武汉 430064；

3.哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院 哈尔滨 150001)

摘要：为了掌握水雾在受限制开口房间内对火灾的作用情况，利用数值模拟方法对有限宽度开口小房间内的水雾粒径范围为200～1 400 μm时对液体火灾的作用进行数值计算分析，比较房间内的流场影响，房间如果开口过大则水雾起不到灭火作用，若开口较小使火灾转变为通风控制燃烧时，水雾的灭火效能随着水雾平均粒径增大而降低，水雾粒径为200 μm可以起到有效的灭火作用，而且开缝宽度较小时的灭火速度更快；对于粒径大于400 μm的水雾来说，灭火效能并非是随着房间门打开宽度的减小而增大，同样的水雾在开口宽度为0.15 m时对火灾的抑制作用效果较门开口宽度为0.25 m时差；靠近门开口中下部分的附近区域是易发生回燃的危险区域。

关键词：受限开口房间；火灾；水雾；数值模拟

建筑中的房间、船舶舱室等有开口的房间内一旦发生火灾，若不能迅速地实施灭火则可能会造成巨大的损失。自动灭火系统中的水雾灭火系统作为一种清洁灭火剂受到了广泛的关注，并且已成为船舶卤代烷灭火系统被淘汰后[1]的主要替代品之一。水雾在建筑和船舶机舱等空间内的灭火降温的有效性已通过实验和数值模拟验证[2-7]。然而，水雾灭火机理还没有被深入理解，尤其是对于船舶来说是一种新型灭火系统，其在船舶舱室环境中的适用性和相关参数在船舶舱室环境中的优化设计都是亟需解决的问题，尤其是舱室门未能及时关闭或存在一定的开缝条件下的水雾灭火效能还不能被准确判定。为此，以一有限制宽度开口的房间为研究对象，对其在不同的门开口宽度条件下发生火灾时的固定式水雾系统灭火情况进行数值模拟，确定不同水雾粒径对房间内火灾的作用情况。所得结果可为固定式水雾系统在船舶舱室等新应用水雾系统的场所消防设计提供一定的参考依据。

1模型条件设置

假设模拟房间的内部空间尺寸为长3.9 m、宽2.5 m、高2.6 m，舱室结构见图1。

图1　舱室结构示意

房间有一房间门开口可与外界相通，门开口高度为2 m，假设发生火灾后房间内通风被关闭，因此在模拟过程中不考虑通风口的影响，认为房间的门开口是与外界相通的唯一开口。模拟过程中，分别用门开口宽度d=1.20、0.25、0.15 m来表示实际门开口开放不同程度时所留的开缝。

假设燃料为电气润滑油类所形成的液体，由高温部件或电火花等不慎引燃形成0.3 m×1 m的燃烧面积，燃料燃烧时放热量为42 800 kJ/kg。由于水雾灭油类等液体火时主要依靠对空间的降温和隔氧作用，因此为了重点考察这2种作用对火源的影响，将火源位置设于房间靠近房间里端的墙壁附近，此位置并非水雾喷头的正下方，以防止水雾喷头开启瞬间的冲击对火源的影响。

在房间上部设置2个属性相同的水雾喷头，每个水雾喷头的作用压力10 MPa，K系数0.6，模拟过程中分别考虑平均水雾粒径为200、400、600、800、1 000、1 200和1 400 μm 7种情况。两水雾喷头在燃料被点燃后60 s同时启动。假设仅房间内有水雾灭火系统作用，房间门开口外环境与大气环境相同。模拟软件采用美国国家标准与技术研究院(NIST)开发的火灾模拟软件FDS(Fire Dynamics Simulator, version4.07)，使用基于Smagorinsky亚格子模型的大涡模拟技术，整个计算空间采用结构化网格划分，网格尺寸为0.05，网格数为78×50×52=202 800。

2结果与分析

燃料被点燃后若水雾喷头未作用，即燃料在未受任何灭火手段干预时的燃烧热释放速率(HRR)结果见图2。

图2　水雾未作用时的热释放速率随时间变化

由图2可见，在3种门开口宽度条件下，燃料在被点燃后都可以迅速发展到约1.3 MW，房间门开口宽度d=1.2 m时，可以形成稳定的燃烧，热释放率保持在约1.3 MW附近波动。而在房间门开口宽度为0.25 m和0.15 m时，热释放率在达到1.3 MW后很快迅速下降，在50 s以后热释放率值分别下降到约400 kW和600 kW并在此值附近波动。造成此类差别的原因是由于房间门开口减小后，燃料燃烧迅速消耗掉了房间内的氧气，而较小的房间开口不足以充分补充燃烧所需氧气，因此燃烧在一定程度上受到通风条件的限制。

若房间内水雾喷头在燃料被点燃后60 s开始作用，当门开口宽度为0.25 m和0.15 m时，仅水雾粒径为200 μm时可以将火灾有效的彻底抑制，通过模拟得到的水雾灭火所需时间分别为259 s和100 s，此时开缝宽度较小时水雾灭火速度更快。水雾作用5 min后对于房间内的火灾抑制情况随着水雾粒径变化见图3。

图3　不同水雾粒径的灭火作用

图3中100%表示火焰被完全熄灭，0%表示未对燃烧起任何影响。由图3可见，当门开口宽度为1.20 m时，粒径为200～1 400 μm的水雾对燃烧都几乎没有影响；而在开口宽度为0.25 m和0.15 m时，粒径为200 μm的水雾可以将房间内的火焰完全熄灭，起到有效的灭火作用；而水雾粒径大于400 μm时的灭火能力就迅速下降；水雾粒径大于600 μm时，灭火效能下降至20%以下。

总体上讲，在相同门开口条件下，随着水雾平均粒径的增大，其灭火效能逐渐减弱。门开口宽度为0.15 m时，灭火效能下降的比门开口宽度为0.25 m时更快，说明对于粒径大于400 μm的水雾来说，灭火效能并非是随着房间宽度的减小而增大，同样的水雾在开口宽度为0.15 m时对火焰的抑制作用效果较门开口宽度为0.25 m时差。

粒径为400 μm的水雾作用5 min后，门开口宽度分别为0.25 m和0.15 m时的房门开口处的水平方向速度分布情况见图4。

图4　门开口处的速度分布

图4中速度为正表示气流由房间内流出，速度为负表示由外界气流进入房间内。由图4可见，房门开口中上部存在一个速度为零的中性面，中性面以上的门开口上部区域内，房间内气体流出，而中性面以下的门开口为外界空气流入房间区域，存在此现象是由于水雾并没有将火源的火焰完全彻底熄灭，因此房间内燃料要维持燃烧则需要从外界引射空气进入房间内，而外界空气主要由门开口的下部区域进入房间。

在门开口宽度d=0.25 m和0.15 m时，粒径为400 μm的水雾作用5 min后，由房间开口下部进入房间内的气体流线情况见图5。可以看出，由门开口下部进入房间内的外界气流有一部分会流至火源附近区域，这说明此时火焰未被完全熄灭，还具有引射空气来维持其燃烧的能力，此时的水雾未能起到彻底将火源隔绝氧气的作用。

图5　门开口处的速度分布

门开口宽度d=0.15 m时，200 μm粒径的水雾作用下的房间内氧气的质量分数分布见图6。

图6　200 μm粒径的水雾作用下的房间内氧气质量分数/%

可以看出，由于此时水雾粒径较小，可以更容易雾化从而起到有效的隔绝氧气的作用。房间内的氧气质量分数可被降低至10%以下，即使是门开口附近也仅在门口边界附近很小的区域内氧气质量分数达到12%～14%，这样，整个房间内均不具备燃烧条件，火焰可以被有效地彻底熄灭。

门开口宽度d=0.15 m时，400和1 400 μm粒径的水雾作用下的房间内温度和氧气质量分数分布情况分别见图7、8。

由图7、8结果可以看出，400 μm粒径的水雾比1 400 μm粒径的水雾降温效果好，房间内温度可以被降低至100 ℃以下；但是在门开口处的局部温度也可以达到90 ℃，而且在门开口附近区域受外界新鲜空气进入的影响可使氧气质量分数达到14%以上，此区域是具备燃烧条件的区域，一旦未燃尽的燃料运动到此区域，则可能会引起未燃燃料在此处发生回燃现象。而1 400 μm粒径的水雾作用下的房间内靠近地面附近的底部区域温度均可达到60 ℃以上，并且房间内的氧气质量分数结果也表明在靠近房门开口附近区域氧气质量分数值较高，因此相比400 μm水雾作用时的结果更适合于燃料燃烧和回燃现象的发生。

图7　400 μm粒径的水雾作用下的房间内温度和氧气质量分数

图8　1 400 μm粒径的水雾作用下的房间内温度和氧气质量分数

3结论

1)房间门开口宽度为1.20 m时，舱室内氧气供给充足，可以形成稳定的燃烧，此时采用粒径为200～1 400 μm的水雾灭火没有作用。

2)房间门开口宽度为0.25 m和0.15 m时，燃料燃烧后的热释放率在达到最大后很快迅速下降，转变为通风控制的燃烧，此时仅水雾粒径为200 μm时可以将火灾有效地彻底抑制，通过模拟得到的水雾灭火所需时间分别为259 s和100 s，此时开缝宽度较小时的水雾灭火速度更快。

3)在门开口宽度d=0.25 m和0.15 m时，平均粒径分别为400～1 400 μm的水雾都不足以起到有效的降温和隔绝氧气的作用，房间内燃烧依然具有由外界向房间内引射空气至火源所在区域的能力；同时随着水雾平均粒径增大，灭火效能降低，当水雾粒径大于600 μm时，灭火效能可下降至20%以下。

4)对于粒径大于400 μm的水雾，随着水雾粒径增大，灭火效能并非是随着房间宽度的减小而增大，同样的水雾在开口宽度为0.15 m时对火焰的抑制效果较门开口宽度为0.25 m时差。

5)在房间内水雾灭火过程中，靠近门开口处的中下部分是火焰易发生回燃而使灭火失败的危险区域，因此应在消防设计中对此区域进行特殊处理。

参考文献

[1] 余明高,廖光煊,张和平,等.哈龙替代产品的研究现状及发展趋势[J].火灾科学,2002,11(2):108-112.

[2] 余明高,杨克,贾海林,等.超细水雾抑制受限空间木材燃烧的实验研究[J].热科学与技术,2009,8(2):156-163.

[3] 马鸿雁,余明高,安安.超细水雾抑制酒精火有效性实验研究[J].火灾科学,2011,20(1):21-28.

[4] 张笑男,王喜世,周洋,陶常法.不同排烟条件下细水雾扑灭油池火的实验研究[J].热科学与技术,2011,10(3):249-254.

[5] 周榕.低压细水雾灭火系统在船舶机舱中的应用研究[J].船海工程,2011,40(5):125-128.

[6] 李营,浦金云.船用细水雾灭火系统效能分析[J].舰船科学技术,2010,32(5):84-87.

[7] 张伟,夏云春.细水雾条件下小室火灾热烟气降温数值模拟[J].安全与环境学报,2010,10(4):137-141.

Numerical Simulation on the Suppression of Fire by Water Mist in a Cabin with Confined Opening

DENG Qi1, WU Hong-mei2, HUO Yan3

(1 Ship Office, Naval Armament Department of PLAN, Beijing 100071, China;2 China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China;3 College of Aerospace and Civil Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Abstract:To study the influence of the water mist on the fire in a confined opening compartment, some researches are carried out about the effect of the diameter between 200-1,400 μm of the water mist on the liquid fire. By numerical simulations, it is found that when the opening is large enough, water mist has no effect on the fire; when the opening is so small that the fire became wind-controlled, the efficiency of water mist becomes strong with the averaged diameter of water mist enlarged. And the diameter with 200 μm can extinguish fire effectively when the opening reduced. But when the diameter is larger than 400 μm, the efficiency is not increased with opening width less. With the same sized water mist, the effect of extinguishing fire with the opening width 0.15 m becomes less than that with the opening width 0.25 m. The region near the bottom of the door opening was easier to burn again.

Key words:confined opening; fire; water mist; numerical simulation

中图分类号：U698.43;X932

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)02-0074-04

第一作者简介：邓琦(1978-), 男, 硕士，工程师E-mail:zhaowuhongmei@163.com

基金项目：国家部委基金资助项目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.020

修回日期：2016-01-21

研究方向:电气自动化