麻晓敏 赵 寿

(中国铁路太原局集团有限公司太原铁路地产置业有限公司 山西 太原 030000)

引言

2008年11月，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局联合中国国家标准化管理委员会，发布了最新版的GB/T 4968-2008《火灾分类》推荐性国家标准[1]，规范在前言部分明确指出根据ISO 3941：2007中的定义，增加了F类火灾，F类火灾明确与普通B类液体类火灾区别，定义为烹饪器具内的烹饪物火灾。Zhigang Liu[2]在商业厨房模型范围内做了一系列的全尺寸实验，证明了细水雾灭火系统能有效地扑灭食用油火，还能在很大程度上防止其复燃。

在火灾抑制过程中，细水雾自身雾特性对灭火有效性的影响还待进一步研究，为今后细水雾用于厨房环境中[3]食用油火的扑灭提供科学的依据和参考。本研究通过数值模拟改变细水雾喷雾压力，研究其对灭火效率影响，在有效性基础上寻找最经济的喷雾压力。

一、FDS数值模型和方法的实验验证

(一)建立数值模型

房玉东[4,5]等利用细水雾发生系统以及温度测量系统进行了细水雾扑灭食用油火的全尺寸模拟实验。借鉴房玉东全尺寸火灾模拟实验，利用FDS数值模拟软件建立模型，利用实验已经获得的热释放速率随时间的变化数据来验证FDS数值模型。在经验证的模型基础上，进一步基于FDS数值模型研究细水雾喷雾压力参数对扑灭食用油火的影响。

为了有利于确定计算区域和方便划分网格，模型的规模为3m×3m×3m。如图1为根据全尺寸实验建立的细水雾数值模拟模型。

图1 实体模型以及测点及切片的设置

数值模型中热电偶温度测点，以及细水雾喷头布置的位置和距离与房玉东实验完全一致，只是进行了一些必要简化，例如，外壁为惰性材料，传热系数很小且不会燃烧，空气流速为0。在燃料库中新建了菜籽油，本模拟中以菜籽油作为燃料。

(二)网格划分

釆用FDS对火灾进行数值模拟时，网格是最小计算单位，网格尺寸是决定计算准确性以及计算时间的关键因素，如果网格精细度不够，会导致模拟结果出现较大偏差，而网格划分较小，又会使得时间步长缩短，计算时间增长[6,7]。在FDS中通常采用无量纲量来评估求解区域网格的好坏，其中：

D*——火灾特征直径；

ρ0，T0——环境密度和环境温度；

Cp——定压比热；

g——重力加速度。

因此根据上面公式的计算结果然后综合评估电脑性能和计算速度，最后设定网格的尺度为0.075m×0.075m×0.075m，网格总数约为64000。如图2所示为网格划分分布图。

图2 网格划分分布图

(三)测点及温度切片的设置

根据所建模型以及细水雾喷头和热电偶的布置位置，选择以对称中心设置温度切片，用以观察火灾燃烧时该平面上的温度变化，由于对称性，此切片最能全面反应火焰的温度变化情况。

(四)火灾模拟验证结果对比

根据房玉东所做的实验所得到的热释放速率随时间变化的数值模拟结果，如图3所示。可以看出在实验过程中，其火源功率迅速上升，最大值约为250kW，随后，随着细水雾喷淋灭火的开启，对火灾产生抑制作用，其热释放速率逐渐下降。

图3 全尺寸实验中热释放速率随时间变化曲线

根据上述数值模型利用FDS数值模拟所得到的热释放速率随时间变化的结果，如图4所示。可以看出，模拟结果与实验数据的图形趋势吻合得很好，只是峰值大小有偏差，FDS数值模拟所得到的热释放速率最大值约为180kW。原因可能是由于在全尺寸实验当中有烟罩，烟罩的抽吸作用可以加强燃烧；在全尺寸实验中使用的是ISO 9705全尺寸多功能热释放速率测试仪，实验中必定有误差存在，FDS数值模拟的模拟结果的监测完全在理想环境中，进行了理想化的简化处理。

图4 FDS数值模拟热释放速率随时间的变化规律

二、细水雾自身雾特性对灭食用油火效率的影响

上述利用全尺寸实验对FDS计算模型和方法进行验证之后，确定了本数值模型模拟细水雾扑灭食用油火的可靠性。

接下来基于此数值模型，研究细水雾喷雾压力对灭食用油火有效性的影响[8-10]：

研究喷雾压力对细水雾灭食用油火的影响。选取三种不同的喷雾压力：1MPa、1.5MPa、2MPa。

(一)细水雾喷雾压力对灭食用油火效率的影响

如图5所示为不同压力情况下细水雾扑灭食用油火，热释放速率随时间的变化曲线。可以看出，三种情况下的火灾热释放速率均呈现瞬间增大，逐渐下降的过程，并且整体趋势相差不大。

图5 不同喷雾压力下热释放速率随时间变化曲线

在细水雾刚开始作用时，热释放速率都有一个明显的下降，而后趋于平缓。在前期40s时间内，三种喷射压力对热释放速率的影响基本重合，后期不同压力出现不同程度的振荡。喷淋压力为2.0mpa时，其热释放速率曲线震动幅度最大，说明火场最不稳定。火灾进行至大约100s，细水雾喷头压力为2.0mpa时的火灾热释放速率基本降为0kW，而细水雾喷头压力为1.0MPa、1.5MPa时的火灾热释放速率下降到约为40kW。说明压力越大，其对火源的热释放速率抑制效果越明显，压力越大，火场也越不稳定。

如图9和所示为不同压力情况下，细水雾扑灭食用油火灾模拟的温度随时间变化曲线。可以看出，三种情况下的温度变化趋势均呈现瞬间增大，逐渐下降的过程，并且整体趋势相差不大。同时，通过距火源高度0.2m温度变化趋势可以看出，随着压力的不断增大，温度下降时间逐渐靠前，说明随着细水雾喷头压力的增大，会在一定程度上缩短灭火时间。但是，1.5MPa和2.0MPa温度随时间曲线已经基本重合，而且1.5MPa时的时间曲线更加平稳，灭火效果的提高与压力的增大相比已无经济性可言，所以喷雾压力为1.5MPa是合适的选择。

图6 距火源0.2m温度随时间变化曲线

如图7、图8所示为不同压力情况下细水雾火灾模拟的温度随时间变化分布图。可以看出，在20s和40s时刻下，喷雾压力越大，对火灾的抑制越迅速。

图7 喷雾压力1.5MPa工况温度分布

图8 喷雾压力2.0MPa工况温度分布

对比两种喷雾压力下的温度云图，在60s和80s时刻，喷雾压力为1.5MPa和2.0MPa时的温度云图最高温度已经趋近，再一次说明喷雾压力为1.5MPa时，已经达到最经济的扑灭食用油火的工况。

三、结语

利用房玉东细水雾扑灭食用油火的全尺寸实验，基于FDS火灾动态模拟器对数值模型可行性进行了验证，然后在此经过验证的模型基础之上，模拟了喷雾压力对灭火效率的影响，得出最经济有效的喷雾压力，如下：

(1)细水雾作为一种经济环保的灭火剂可以用来扑灭食用油火，能达到完全灭火效果，对于厨房等食用油火易发区域且洁净度要求较高的场所是最佳选择之一，可发展简易细水雾灭火设备用来扑灭食用油火；

(2)喷雾压力增大，会提高灭火效率，使灭火时间缩短。但是增大到一定数值之后，对灭火效率的贡献率就会打折扣，在考虑经济性的条件下，从本模拟结果得出喷雾压力为1.5MPa时，灭火效率和经济性都达到很高的水平。