水噴淋作用下火災(zāi)煙氣層的穩(wěn)定特性研究.pdf

1、水噴淋系統(tǒng)是常見的建筑消防設(shè)施。火災(zāi)發(fā)生時(shí)，從噴頭噴出的液滴一方面能抑制燃燒，冷卻火場煙氣并防止火災(zāi)蔓延，另一方面卻能改變火場內(nèi)煙氣的流動(dòng)狀念，造成煙氣層失穩(wěn)，引起煙氣擁塞，使得上部煙氣迅速填充建筑下部空間，并對建筑內(nèi)其他消防系統(tǒng)特別是排煙系統(tǒng)的效果產(chǎn)生影響。針對此類問題，本文對火災(zāi)煙氣層在水噴淋及排煙系統(tǒng)作用下的行為特性規(guī)律進(jìn)行了研究，分析了水噴淋和煙氣層相互作用的力學(xué)機(jī)理，進(jìn)而對噴淋作用下采用的排煙模式及其有效性進(jìn)行了探討。

2、 首先從理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面，對水噴淋作用下煙氣層失穩(wěn)現(xiàn)象進(jìn)行了研究。通過對噴淋啟動(dòng)后，噴淋覆蓋區(qū)內(nèi)拖曳力分布進(jìn)行計(jì)算，在前人的基礎(chǔ)上，提出以噴淋覆蓋區(qū)內(nèi)最大單位面積拖曳力和最大單位面積浮力之比D<,0>/B<,0>作為煙氣層穩(wěn)定性判掘，并通過實(shí)驗(yàn)對此判據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與前人的結(jié)論(Bullen和Zhang)相比，D<,0>/B<,0>能更好的與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。當(dāng)D<,0>/B<,0>小于1時(shí)，煙氣層保持穩(wěn)定狀念，噴淋區(qū)內(nèi)

3、煙氣-空氣之間的交界面清晰，當(dāng)D<,0>>B<,0>時(shí)，煙氣層失去穩(wěn)定性，出現(xiàn)擁塞射流，其長度以噴頭正下方即噴淋覆蓋區(qū)中心最長，向外逐漸縮短，呈倒置的鐘型。 水噴淋有可能導(dǎo)致原先穩(wěn)定在建筑上部的煙氣層發(fā)生失穩(wěn)，使得上部煙氣發(fā)生向下運(yùn)動(dòng)，引起擁塞射流。噴淋作用下火災(zāi)煙氣層的擁塞射流長度與火源功率、煙氣層厚度及噴頭工作壓力等因素有關(guān)。本文在煙氣層穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，以動(dòng)能定理為理論依掘，建立了一種預(yù)測噴淋作用下?lián)砣淞鏖L度的數(shù)學(xué)模型，得

4、到了射流長度與噴淋壓力、煙氣層厚度和溫度的相互關(guān)系。而后通過全尺寸噴淋實(shí)驗(yàn)，將理論計(jì)算結(jié)果與與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對比，通過對比得到，失穩(wěn)后，噴淋覆蓋區(qū)擁塞射流長度隨噴淋壓力p<,d>的增加而增加，數(shù)學(xué)模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值符合得較好。p<,d>增加，噴淋對煙氣的降溫能力趨于不變，而煙氣擁塞射流的長度則隨p<,d>的增大近似線性增加，當(dāng)噴淋區(qū)煙氣失去穩(wěn)定性后，加大噴淋壓力儀能小幅降低煙氣溫度，卻顯著降低了噴淋覆蓋區(qū)的煙氣高度，增加了對火場人員的威脅。

5、 研究了水噴淋系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)共同作用時(shí)的相互影響，以及多系統(tǒng)共同作用時(shí)煙氣的流動(dòng)特性問題。針對噴頭近域水平自然排煙問題，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)伯努利定理，提出了預(yù)測自然排煙速度的概念模型。通過模型實(shí)驗(yàn)，研究了該模犁的適用性，同時(shí)，對水噴淋和排煙共同作用下煙氣層穩(wěn)定性問題進(jìn)行了研究。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，噴淋壓力p<,d>增加，排煙口的煙氣流速減小，當(dāng)壓力增至某一特定值時(shí)，排煙速度降為0，出現(xiàn)排煙失效。排煙速度模型計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)實(shí)測值吻合較好

6、，能夠反映實(shí)驗(yàn)規(guī)律。排煙和噴淋同時(shí)發(fā)揮作用時(shí)，排煙的影響主要體現(xiàn)在降低煙氣層的溫度上，在排煙未失效的情況下，適度的排煙可以將煙氣層高度控制在擋煙垂壁下邊緣以上，而過度排煙則可導(dǎo)致防煙分區(qū)內(nèi)煙氣溫度的急劇下降，使得煙氣層的整體穩(wěn)定性降低。在自然排煙的基礎(chǔ)上，對近域水平機(jī)械排煙在水噴淋作用下的排煙效果進(jìn)行了研究。通過實(shí)驗(yàn)分析了在噴頭近域進(jìn)行排煙的必要性，由于自然排煙的不可靠性，在噴頭近域必須采用機(jī)械排煙作為替代設(shè)備。在噴淋作用下，噴頭近域機(jī)

7、械排煙速度將減小，但并不會(huì)出現(xiàn)排煙失效。隨著工作壓力p<,d>的增加，平均排煙速度趨于一極值，這一速度值的大小為噴淋區(qū)無燃燒煙氣時(shí)排煙風(fēng)機(jī)在排煙口能產(chǎn)生的最大氣流速度。因而，在噴頭近域采用機(jī)械排煙系統(tǒng)是可靠的。 本文最后對利用數(shù)值模擬的方法對水噴淋與火源和煙氣共同發(fā)生作用時(shí)火源功率的變化以及此條件下煙氣層和噴淋的相互作用進(jìn)行了研究。以此為依據(jù)，驗(yàn)證了CFD方法研究火場內(nèi)水噴淋作用的可行性。結(jié)果表明，隨著噴淋流量(工作壓力)的增加