0 引言

随着我国城市化进程的加快，地铁建设也进入了高速发展期，目前我国地铁已投入运营里程超过4000公里。地铁站净高较低，当火灾功率较大时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。因此如何抑制火灾和烟气在地铁站内的蔓延成为了关键问题。

近年来，细水雾幕作为一种高效无污染、具有抑制火灾蔓延和阻隔热辐射的效果的消防系统逐渐受到专家学者们的青睐。对于细水雾幕用于防火分隔，前人开展了多方面的研究，并证明了细水雾幕对作为防火分隔措施的有效性^[1-4]。钟茂华^[5-7]通过全尺寸实验对地铁换乘站站台、站厅、设备区火灾的参数进行了研究；王喜世^[8]通过改变细水雾幕工作压力和雾幕启动时间研究了细水雾幕对玻璃的保护作用，证明了细水雾幕可有效阻隔热辐射，延缓玻璃破裂;Blanchard E^[10]模拟了纵向通风隧道里细水雾对热烟气的抑制作用，结果表明细水雾可吸收火源释放热量的50%；然而前人研究成果主要集中于热辐射阻隔和地铁火灾温度等参数的研究，对于细水雾幕抑制换乘通道顶棚射流火焰的效果仍有待验证。

对于细水雾幕挡烟效果，梁强^[11]研究了狭长通道中细水雾幕型雾幕的挡烟效果，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；丛北华^[12]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，和提高能见度、氧浓度的能力；丰皓^[13]通过屏蔽门上方布置喷头研究了细水雾挡烟效果。他们的结果表明细水雾幕可以用于屏蔽门处挡烟降温；周洋^[14]等通过模拟研究了细水雾用于楼梯口的挡烟效果，结果表明细水雾幕可以阻止烟气蔓延、有效降低烟气温度。王喜世^[9]研究了细水雾幕对疏散通道的抑烟和防火分隔问题，证明了细水雾可有效阻挡烟气蔓延，降低烟气光学密度、提高能见度和抑制烟气温度。

目前相关研究均针对竖向施加细水雾幕，这种雾幕的喷头喷出的水雾为圆锥形，雾滴在竖直方向具有较大的动量。研究表明，竖向施加水雾会引发烟气沉降，对人员安全造成威胁。李开源^[15]认为烟气层失稳的内在驱动力是单位面积液滴拖拽力与浮力的差值，且喷头正下方的喷淋强度最大；李思成^[16]开展了一系列的说明了水喷淋可降低烟气浮力；M.St-Georges^[17]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，能较好地描述喷淋；唐智^[18]验证了水雾的冷却作用和拖拽作用；董晋良等^[19]根据他们结论得出了液滴的冷却和竖向分量的拖拽作用会使烟气发生沉降。

本文针对竖向施加细水雾幕的缺陷，对水雾喷头进行改进，开发了水平施加的细水雾幕，并通过实验研究了水平施加细水雾幕应用于地铁火灾的挡烟效果、隔热效率和对火焰的抑制作用，从而为地铁火灾的防治提供了新的思路。

1 喷头改良及实验设置

1.1 喷头改良

 现有雾幕喷头主要是用于熄灭喷头下方火灾，形成的时垂直雾幕，极易产生烟气沉降。图2(c)和2(d)是根据M.St-Georges的研究的得出的常规喷头和改良喷头的包络面，从图中可以看出包络面的是从上到下的锥形面，垂直雾幕包络面间存在火焰和烟气可以穿过的较大空穴且会导致烟气发生沉降。针对包络面空隙的缺陷，本文对喷嘴的布局进行了改进^[20]，改进后的喷头示意图如图1所示。改进后的喷头可形成水平雾幕，雾幕效果对比图2。

（1）正视图          （2）侧视图

图1 水平雾幕喷头

Fig.1.Horizontal fine mist curtain nozzle

(a)竖直雾幕包络面         (b)水平雾幕包络面

(c)竖直雾幕效果图           (d) 水平雾幕效果图

图2 竖直雾幕喷头与水平雾幕喷头对比图

Fig.2.Comparison of the vertical and horizontal fine mist curtain nozzle

1.2 实验台的设计

图3 实验台示意图(正视图)

Fig.3. Experimental setup(front view)

以某地铁站为例设计如图3所示的实验台。实验台长6.5 m，宽2.0 m，高2.6 m，左侧为开口，其余三侧为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3所示的两个相隔1m安装在距顶棚0.1m，距火源3m沿火焰中心线对称分的喷头产生。

 图4 实验台剖面图

Fig.4. Cross-section of experimental model

热电偶布置如图4所示。距离顶棚0.05m，，由20个间隔为0.3m的热电偶组成的热电偶串用于测量顶棚温度分布，其余7个热电偶串（由8个热电偶组成）用于测量实验台内的空间温度分布。实验所用燃料为正庚烷，油盘尺寸为40cm和60cm；火源距地面1.6m，距侧壁40 cm；燃料质量、风速分别使用CPA3202S精密电子、KA12型风速测量。通过预实验发现雾幕作用下出口处烟气层高度在2.2m以上，本文选取2.4 m高度作为烟气出口速度测点。雾幕后方的烟气层高度由人工测量和热电偶树温度确定，实验录像和图片对其进行修正。实验工况如表1所示，其中工况2，3，5，6的雾幕喷头流量为6 L/min。

表1 实验工况

Table1 Experimental conditions

2 结果与讨论

2.1 质量损失速率

图5给出了6种工况下燃料质量的瞬时变化图。如图5(a),5(b)所示，雾幕施加后，质量随时间呈线性减小。比较图5(a)中的图像，有无雾幕施加条件下质量损失相对误差最大值仅5.3%，影响有限；而图5(b)中则几乎无影响。此外，从图5可以看出在60s~100s内的质量损失速率基本相同，即在此段时间内火焰稳定燃烧，火焰形态稳定。

(a)40cm油盘

  (b)60cm油盘

   图5燃料瞬时质量

Fig.5. Instantaneous fuel mass  

2.2 顶棚射流火焰形态

40cm油盘和60cm油盘作为火源时顶棚射流火焰形态的变化趋势相似，本文选择40m油盘下的3种工况对顶棚射流火焰形态进行分析。图6为40cm油盘做为火源时3种不同工况90s的火焰形态对比图(由质量燃烧速率知此时间处于稳定燃烧时间段内)。当没有施加水幕时，顶棚射流火焰水平蔓延长度为5.85米，竖向施加细水雾幕时，顶棚射流火焰长度有明显减小，长度为4.15米，但在水幕喷头的间隙处发生了明显的火焰穿越现象。水平施加细水雾幕后，顶棚射流火焰得到了有效的抑制，雾幕保护侧没有观测到顶棚射流火焰。这表明水平施加细水雾幕可有效抑制顶棚射流火焰蔓延，且效果优于竖向施加雾幕如图6所示。

图7是竖直雾幕作用下火焰形态图。从图7可以看出，顶棚射流会穿过雾幕在淹没区外继续蔓延，而水平雾幕则不存在这样的现象；这说明竖直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7 40cm油盘下竖直施加雾幕下火焰特征（俯视图）

Fig.7.Flame characteristic of vertical fine mist curtain at 90s in the case

of pans size with 40cm×40cm(plan view)

2.3顶棚温度分布

图8 60cm油盘各工况70s~100s顶棚温度平均值

Fig.8.The mean ceiling temperature of different experimental condition  from 70s to 100s in the case of pans size with 60cm×60cm

60cm油盘系列和40cm油盘系列的平均顶棚温度变化趋势具有相似性，本文以60cm油盘为例对顶棚火焰温度进行研究。图8给出了不同工况下70 s~100s内的顶棚温度变化。无雾幕条件下，顶棚射流与顶棚和环境间的热交换使得顶棚温度沿纵向不断降低。

对比图8中的竖直施加雾幕工况与未施加工况，发现顶棚温度存在小幅度的下降，这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。而对于水平雾幕，雾幕附近的温度线出现明显的“凹陷”。雾幕后方的最高温度仅200℃，与未施加雾幕工况下火焰熄灭时温度基本相同，即雾幕后方不存在火焰。对比于竖直雾幕，水平雾幕对顶棚射流火焰温度的抑制效果更优。

2.4雾幕隔热性能分析

(a) 40cm油盘系列

 (b) 60cm油盘系列

图9 雾幕后方1m最高温度与最低温度差

Fig.9.The difference between the highest and lowest temperatures at 1m behind the fine mist curtain

   实验中雾幕后方热电偶树最高温度与最低温度差值随时间的变化具有相似性，本文以雾幕后方1m处为例。从图9可以看出60s雾幕开启后，温度整体表现出下降趋势。评价雾幕的隔热效率有两种方法，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。第二种方法更加直观，同时也可以作为火灾蔓延的依据^[21]。本文采用保护段温度上升程度来表征雾幕隔热效果。根据傅里叶定律和热通量表征隔热效率公式得出表达式如下：

式中：η 为雾幕隔热效率，T₀为未施加雾幕工况时某时刻温差，T₁为施加雾幕工况对应时刻温差，单位为℃。隔热效率的变化趋势如图10所示(0℃点为环境温度)。   

  (a) 40cm油盘

（b) 60 cm油盘

图10 隔热效率

Fig.10.Thermal insulation efficiency

两种雾幕隔热效率如图10所示。从图中可以看出雾幕的隔热效率随时间；40cm和60cm油盘系列改良水平雾幕和传统竖直雾幕的隔热效率稳定值均在50%以上，这说明水雾幕系统可以有效减小火灾中人员所受的热辐射等类型的热伤害；此外，从图中可以看出有水平雾幕的隔热效率要优于竖直雾幕，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更为有效。

2.5烟气层形态

2.5.1 烟气层高度

图11是6种工况下的烟气层高度(烟气层的高度依据人工标记并记录的方法获得)。从图中可以看出，施加雾幕会造成烟气沉降；且当烟气穿过雾幕后，在热浮力的作用下烟气会上浮，导致烟气层高度回升。

 (a) 40cm油盘

(b) 60 cm 油盘

图11 烟气层高度

Fig.11.Height of smoke layer

观察图11(a)可以发现，竖直雾幕造成的烟气沉降幅度较大，这是由于竖直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，导致烟气沉降的发生。改良喷头雾幕主体为水平雾幕，产生的竖直向下的分量较小，对烟气的拖拽力较小。此外，流量相同时，水平施加雾幕喷雾压力较小，雾动量较小，而雾滴直径较大，水雾的分散性较差，烟气层能维持较好的层化结构；这表明水平施加雾幕在提高人员的逃生效率方面的作用优于竖直施加雾幕。对比相同雾幕不同温度下的烟气层高度可以看出温度升高会抵消部分烟气沉降的效果，且竖直雾幕下温度升高对沉降效果的抵消比例要大于水平雾幕，即细水雾幕更适合于高温条件下的灭火。

2.52出口处烟气层温度

表2 出口处烟气层温升平均值

Table 2 The mean temperature rise in smoke layer at outlet

两种油盘系列雾幕出口处竖向温度变化具有相似性，本文以40cm油盘系列为例进行分析。图12为出口处烟气温度变化图像。如图12所示，雾幕施加后，2.3m以下的烟气温度基本保持稳定；温度在竖直方向存在温度梯度且上方温度较高，这表明出口处烟气层仍然存在；对出口处2.4 m高度90 s至110 s内的温升值取平均，结果如表2所示。如表2所示，雾幕使得实验台出口烟气温度大幅度下降；火源油盘尺寸相同时，水平雾幕工况出口平均温度比竖直雾幕低，说明水平雾幕可更好的发挥细水雾蒸发吸热作用。

(a) 无水雾幕

(b) 竖直施加雾幕

                     (c) 水平施加雾幕

图12 出口处烟气层温度

Fig.12.Temperature of smoke layer at outlet

2.5.3 出口处烟气速度

不同工况实验台出口烟气速度变化趋势如图13所示。对比相同条件下的40cm油盘和60cm油盘，发现60 cm油盘出口速度较大。60cm油盘产生的火焰温度较高，在相同条件下，经热量交换后到达出口处火焰温度高于40cm油盘，而火灾中烟气流动的驱动力来源于温度导致了此现象的产生；对比相同尺寸油盘下的不同工况，发现水平施加雾幕的出口速度最低，而速度的变化与温度相关，是雾幕与烟气热量和物质交换的结果。如图13所示，与同尺寸火源未施加雾幕工况相比，施加雾幕后，实验台出口烟气速度存在一定程度的降低，且水平雾幕工况烟气速度降低幅度要大于竖直施加雾幕。这表明水平施加雾幕对出口处烟气的抑制作用优于竖直施加雾幕。

(b) 40 cm油盘

(b) 60 cm油盘                             

图13 不同工况下出口烟气速度

Fig.13.The smoke rate under different experimental conditions at outlet

3 结论

本文提出了采用水平施加细水雾幕抑制换乘地铁火灾顶棚射流火焰的方法，并且针对现有竖向雾幕喷头的局限性，对喷头进行了改良和设计；展开了一系列的细水雾幕抑制地铁火灾顶棚射流火焰有效性实验来验证方法的正确性和改良喷头的有效性；结果表明水平施加雾幕可抑制顶棚射流火焰，且抑制作用优于传统竖直施加雾幕。具体结论如下： 

(1)实验中顶棚射流火焰形态及顶棚温度变化结果表明，顶棚射流火焰可以穿越竖向雾幕，而水平施加雾幕能够阻止火焰进入保护区。

(2)竖直施加雾幕和水平施加雾幕均存在一定隔热效果且水平施加雾幕的隔热效果要优于竖直施加雾幕。

(3)雾幕的施加会影响下游烟气流动。水平施加雾幕下游烟气的分层特性更好，烟气层温度更低，烟气出口速度较小，对人员安全疏散更为有利。

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