钟 委，马志欣，许少刚，梁天水，赵 军

(郑州大学 力学与安全工程学院，河南 郑州 450001)

地铁车站内是一种狭长空间，且净高较低，当发生火灾时，若火灾功率较大，容易形成沿顶棚下方发展的顶棚射流火焰，加之地铁站位于地下，有毒烟气和热量难以排出[1-5]。因此如何抑制火灾和烟气在地铁站内的蔓延成为了防火减灾研究的关键问题。

近年来，细水雾幕作为一种具有抑制火灾蔓延和阻隔热辐射效果的高效无污染的防火减灾措施，逐渐受到专家的青睐。对于细水雾幕用于防火分隔，专家通过多方面的研究，证明了其有效性[6-9]。WANG等[10]研究了雾幕条件下玻璃的破裂特性，表明细水雾幕可有效阻隔热辐射，延缓玻璃破裂；BLANCHARD E等[11]模拟了纵向通风隧道里细水雾幕对热烟气的抑制作用，发现细水雾幕可吸收火源释放热量的50%。AMANO R等[12]通过一系列的试验研究，发现细水雾幕可以有效抑制地下空间热辐射，阻挡CO蔓延。然而这些研究主要集中于热辐射阻隔及室内火灾规模抑制，并未涉及地铁内顶棚射流火焰的抑制。

对于细水雾幕挡烟的效果，梁强等[13]研究了狭长通道中细水雾幕的挡烟效果，证明了细水雾幕阻烟效果良好，可有效改善下游空间环境，为地铁空间细水雾幕挡烟提供了理论支撑；CONG等人[14]通过在站台屏蔽门设置细水雾幕，证明了高压细水雾系统的抑烟、防毒、降温的功效，以及提高能见度、氧浓度的能力；丰皓等[15]通过在屏蔽门上方布置喷头，研究了细水雾幕的挡烟效果，结果表明细水雾幕可以有效地降低屏蔽门后方的烟气浓度；周洋等[16]模拟研究了细水雾幕用于楼梯口的挡烟效果，发现细水雾幕可以阻止楼梯口处的烟气蔓延、有效降低烟气温度。这些研究说明细水雾幕可以用于地铁挡烟，但将细水雾幕应用于抑制地铁换乘通道烟气蔓延的有效性研究并未涉及。

烟气沉降会显著影响人员逃生和疏散，因此如何有效地抑制烟气沉降是细水雾幕推广中的一个关键课题。LI等[17]、ZHANG等[18]提出烟气是否发生沉降取决于雾幕液滴拖曳力和烟气热浮力的相互作用值； St-GEORGES M等[19]根据液滴的水平速度和竖向速度共同确定喷淋的包络线，得出的抛物线型包络线可以较好地描述喷淋；唐智等[20]、董晋良等[21]通过数值分析和理论分析，得出了水雾的冷却作用和拖拽作用会使烟气发生沉降。但这些仅研究了烟气沉降机理，并未涉及烟气沉降抑制问题。

本文首先针对施加竖向细水雾幕的缺陷，对水雾喷头进行改进，使之产生水平向的细水雾幕；以某地铁车站为原型设计试验台，通过室内试验研究水平雾幕对地铁车站火灾的挡烟、隔热及顶棚射流火焰抑制、烟气沉降抑制的有效性，从而为地铁车站火灾的防治提供新的思路。

1 喷头改良及试验设置

1.1 喷头改良

现有的垂直雾幕喷头主要用于熄灭喷头下方火灾，雾幕包络面是从上到下的锥形面，且相邻雾幕形成的包络面间存在火焰和烟气可以穿过的较大空隙，如图1所示。为了有效抑制水平蔓延的顶棚射流火焰，本文对喷嘴的布局进行了重新设计，如图2所示；改进后的喷头可形成水平细水雾幕，其包络面和效果如图3所示。

图1 既有喷头的效果图和包络面

图2 水平雾幕喷头

图3 水平雾幕喷头的包络面和效果图

针对竖向和水平雾幕喷头，采用文献[22]的集水法测得施加雾幕后保护区的雾通量(雾流密度)，在水压分别为1.0，1.6，2.0 MPa时雾通量分布如图4所示。由图4可知：施加竖向雾幕，雾幕主要集中于喷头下方，距离喷头越远，雾通量越小；而施加水平雾幕，雾通量在较大的范围内均匀分布。

图4 雾幕后方保护区雾幕密度分布

1.2 试验设计

以某地铁站为原型，设计如图5所示的试验台。试验台长6.5 m，宽2.0 m，高2.6 m，左侧为开口，其余3侧为1 m深的挡烟阻火垂壁。侧壁设置钢化玻璃观察窗以拍摄顶棚射流火焰形态。雾幕由如图5所示的2个相隔1 m安装在距顶棚0.1 m，距火源3 m，沿火焰中心线对称分的喷头产生。火源距地面1.6 m，距侧壁40 cm。火源燃料为正庚烷，油盘直径取2种，分别为40和60 cm。

图5 试验台示意图(单位：m)

温度采用热电偶串测量，热电偶串的布置位置如图6所示：其中纵向布置、距离顶棚0.05 m的热电偶串用于测量顶棚的温度，其余7个用于测量试验台内的空间温度。燃料质量采用CPA3202S型电子天平测量，风速采用KA12型风速仪测量。通过预试验发现雾幕作用下出口处烟气层高度在2.2 m以上，因此，选取2.4 m高度处作为烟气出口速度测点位置。雾幕后方的烟气层高度由人工测量和热电偶串温度确定，试验录像和图片对其进行修正。

为了研究施加水平雾幕挡烟阻火的有效性，雾幕设置3种，即未施加、水平施加和竖向施加；油盘设置2种，即直径为40和60 cm，使用正庚烷燃料体积分别为2和3 L；每种雾幕对应2种直径油盘，则共有6种工况。各工况的雾幕喷头流量均为6 L·min-1。

图6 试验台剖面图(单位：m)

2 试验结果

2.1 质量损失速率

图7给出了6种工况下稳定燃烧阶段60～100 s[23]燃料质量变化时程曲线，燃料的质量损失速率可由时程曲线的斜率求得[24]，结果也见图7中。由图7可知：对于40 cm油盘，施加水平、竖向雾幕的质量损失速率与无水雾幕工况质量损失速率的相对差值分别为和5.3%和2.4%；而对于60 cm油盘，两者的相对差值分别为5.2%和1.9%；这说明细水雾幕的施加会影响火源的燃烧，但影响有限。

2.2 顶棚射流火焰形态

油盘直径为40 cm时与60 cm时顶棚射流火焰形态的变化趋势相似，并且在稳定燃烧阶段，火焰形态变化较小，因此，选取图8所示的40 cm油盘3种工况下稳定燃烧阶段90 s处的火焰形态进行分析。由图8可知：当没有施加水幕时，顶棚射流火焰水平蔓延长度为5.85 m；施加竖向雾幕时，顶棚射流火焰长度有明显减小，长度为4.15 m；施加水平细水雾幕后，顶棚射流火焰长度进一步减小至3.45 m，此时顶棚射流火焰表现为未穿过雾幕。这表明施加水平雾幕，可有效抑制顶棚射流火焰蔓延，且其效果优于施加竖向雾幕。

图7 雾幕施加后燃料质量损失速率

图8 40 cm油盘下不同工况90 s火焰形态

雾幕覆盖区域的局部火焰形态如图9所示。由图可知：施加竖向雾幕时，受雾幕包络面缺陷的影响，顶棚射流火焰会穿过雾幕继续蔓延，而施加水平雾幕则不存在这样的现象。这说明竖向雾幕在抑制顶棚射流火焰方面存在缺陷，而水平雾幕可以弥补这种缺陷。

图9 施加雾幕后火焰形态

2.3 顶棚平均温度分布

油盘直径为40 cm时与60 cm时各测温点顶棚平均温度变化趋势具有相似性，因此仍以40 cm油盘为例对顶棚火焰温度进行分析。图10给出了3种雾幕时相对稳定燃烧阶段的顶棚平均温度变化曲线。由图可以看出：未施加雾幕时顶棚平均温度沿纵向不断衰减，这是顶棚射流火焰与外界环境间的热交换造成的；施加竖向雾幕时顶棚平均温度存在小幅度的下降，这是由于此时顶棚射流火焰除与环境热交换外还存在与竖向雾幕间的热交换，说明竖向雾幕的施加对顶棚射流存在抑制作用，但效果不明显；施加水平雾幕时，雾幕附近顶棚平均温度线出现明显的“凹陷”，雾幕后方的顶棚平均温度最大值仅为200 ℃，与未施加雾幕火焰熄灭时顶棚平均温度基本相同，即雾幕后方不存在火焰，这表明对比于竖向雾幕，水平雾幕对顶棚射流火焰的抑制效果更优。

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图10 40 cm油盘各工况稳定燃烧阶段顶棚平均温度

2.4 雾幕隔热性能

雾幕后方的温度取热电偶串最高温度与最低温度的差值。因雾幕后方不同距离处的温度随时间的变化规律具有相似性，因此选取如图11所示的雾幕后方1 m处的温度进行分析。由图11可以看出，60 s雾幕开启后，雾幕后方的温度整体表现出下降趋势。

图11 雾幕后方1 m处温差

评价雾幕的隔热效率有2种方法，一种是热通量法，另一种是通过被保护区域的温度上升程度来衡量[25]。后者的测量易实现且能直观的反映隔热效率变化，因此，本文选择后者表征雾幕隔热效率。根据傅里叶定律和雾幕隔热效率的热通量表达式[25]，推导出温度上升程度表征的雾幕隔热效率的表达式为

式中：η为雾幕隔热效率，%；T0为雾幕施加后最低温度与环境温度的差值，T1为雾幕施加后最高温度与环境温度的差值，℃。

取环境温度为0 ℃点，雾幕隔热效率的变化趋势如图12所示。由图可知：雾幕的隔热效率呈先增加后保持稳定的趋势；且直径40和60 cm油盘水平雾幕和竖向雾幕的隔热效率均在50%以上，这说明雾幕可以有效减小火灾中的热害；水平雾幕的隔热效率要优于竖向雾幕，这是由于水平雾幕的包络面间隙较小，对高温火焰和烟气的抑制效果更佳。

图12 隔热效率

2.5 烟气层形态

2.5.1 烟气层高度

6种工况下的烟气层高度如图13所示。由图可知：雾幕施加后，受雾幕液滴拖拽力影响，雾幕覆盖区域烟气层会发生沉降；而当烟气穿过雾幕覆盖区域后，受热浮力的作用，烟气层高度有一定程度的回升；油盘尺寸一定时，施加竖向雾幕造成的烟气沉降幅度较大，这是由于竖向雾幕喷头主要用于熄灭喷头下方火焰，容易产生较大的方向向下的拖拽力；而施加水平雾幕造成的烟气沉降幅度较小，这是因为主体为水平雾幕，竖直向下的分量较小，且雾幕流量一定时，施加水平雾幕喷雾压力、雾动量均较小，而雾滴直径较大，水雾的分散性较差，使得烟气层能维持较好的层化结构。这说明与竖向雾幕相比，施加水平雾幕可有效抑制烟气沉降，提高人员的逃生效率。

图13 烟气层高度

对比相同雾幕类型下不同油盘尺寸的烟气层高度可知，60 cm油盘烟气层厚度变化较小，这是由于60 cm油盘烟气温度较高，热浮力较大，这说明烟气沉降的大小受热浮力及细水雾幕竖向分量产生的拖拽力的相对值影响。

2.5.2 试验台开口侧距地面不同高度处烟气层温度

油盘直径为40 cm时与60 cm时试验台开口侧不同距地面高度处烟气层温度的变化规律相似，因此以40 cm油盘为例进行分析，烟气温度变化规律如图14所示。由图可知：雾幕的施加，对2.3 m高度及其以下的烟气层影响较小；烟气温度在竖向方向存在温度梯度，上方温度较高，这表明雾幕施加后开口处的烟气仍存在分层现象；此外，由温度变化规律可以看出水平雾幕温度最高点出现在雾幕施加的瞬间，而竖向雾幕的最高点出现在雾幕施加一段时间后，且二者的温度最高点的出现时间均早于未施加雾幕。

对开口侧2.4 m高度处相对稳定燃烧阶段的温度取平均值，未施加、水平施加和竖向施加3种雾幕，油盘直径为40 cm时的温度分别为88.5，65.3，51.5 ℃；油盘直径为60 cm时的温度分别为123.3，77.4，61.5 ℃。可见：雾幕的施加，会使试验台开口侧的烟气温度大幅度下降；油盘尺寸相同时，水平雾幕时开口温度低于竖向雾幕时，说明水平雾幕可更好地发挥细水雾蒸发吸热作用。

2.5.3 试验台出口侧距地面2.4 m高度处烟气速度

6种工况下试验台出口侧距地面2.4 m高度处的烟气速度变化趋势如图15所示。由图15可知：细水雾幕流量一定，油盘直径为60 cm时出口侧烟气速度大于40 cm，这是因为火灾中烟气流动的驱动力来源于温度，而60 cm油盘产生的火焰温度较高；油盘直径一定时，施加雾幕后，出口侧烟气速度有一定程度的降低，且施加水平雾幕工况下出口烟气速度最低，这是雾幕与烟气间发生的热量和物质交换要大于无雾幕工况造成的；说明施加雾幕对出口侧烟气有明显的抑制，且施加水平雾幕对出口处烟气的抑制作用优于施加竖向雾幕。

图14 试验台开口不同距地面高度处烟气温度

图15 出口烟气速度

3 结 论

(1)针对现有施加竖向雾幕喷头的局限性，对喷头进行了改进，使其可以施加水平细水雾幕。测试结果表明，施加水平雾幕具有较大的水平动量，雾通量在0.5 m内均匀分布，而施加竖向雾幕其雾通量集中在喷头下方。

(2)施加竖向雾幕对顶棚射流火焰的蔓延有一定的抑制作用，然而试验中观察到火焰穿越竖向雾幕的现象。施加水平雾幕对顶棚射流火焰抑制效果更好，顶棚射流火焰长度减小了40%，雾幕后方不存在火焰。

(3)施加水平和竖向雾幕均具有较好的隔热作用，对于2种火源功率情况下，施加水平雾幕的隔热效率均比施加竖向雾幕高10%左右，且施加水平雾幕对烟气层的扰动更小，雾幕作用区烟气沉降幅度较小。

(4)施加水平和竖向2种雾幕，在雾幕后方均观察到了烟气分层现象，其中施加水平雾幕的烟气最高温度、烟气出口速度均小于施加竖向雾幕。