据统计，火灾中80%以上的死亡者是死于烟气的影响^[1]，烟气控制是火灾科学的重要研究内容。不同形式的建筑空间内烟气蔓延过程和特点不同，狭长通道作为一种典型的建筑结构形式，既是建筑内各类空间的联络纽带，又是火场人群疏散的必经之路，烟气一旦涌入后果不堪设想。工程中常见的狭长通道包括公路和铁路隧道、地铁隧道、城市地下交通隧道以及建筑内部的走廊等^[2]。火灾研究人员针对狭长通道火灾开展了大量科学研究，主要包括烟气毒性成分迁移研究，烟气输运和控制研究以及细水雾灭火应用研究等。霍岩利用小尺寸模型实验研究了有限长度矩形倾斜通道内发生火灾时，通道内近上壁面区域内的热烟气在自然对流作用下的运动特性^[3]。Hu研究了空气幕在狭长通道内的烟气控制效果^[4]；袁建平利用1/20小尺寸模型实验研究了城市隧道火灾组合通风排烟方式的排烟特性^[5]；董惠利用大尺度全尺寸实验研究了水幕的防火分隔作用，结果表明水幕的隔热性能良好，由于水幕属于不连续水颗粒且水幕孔隙率较高防烟效果不佳^[6]。Fernández等提出了一种在隧道内利用烟气和冷空气联合控制烟气纵向蔓延的气幕控制方法(double stream-twin jets)，该方法对空气幕进行了改进^[7-8]。方正利用10:1模型试验和实体隧道火灾实验，通过温度变化证明水喷雾可以有效降低隧道温度，阻止烟气及热量向下游传播^[9]。细水雾作为一种高效、节水、环保的灭火方式被应用到隧道火灾中^[11-12]，其主要作用是扑救隧道内车辆及其固体货物火灾。在对细水雾控火的研究中，学者们观察到细水雾不但具有优良的降温效果还可以通过洗涤烟尘粒子提高火场能见度^{[9, 12-13]}。

潘李伟等的实验结果表明细水雾作用后的烟气团形态比未施加细水雾的大了约10倍^[13-14]。显然，细水雾的吸附作用对烟气团的积累有重要作用。水雾消烟的基本机理包括气溶胶动力学机理、云物理学机理和斯蒂芬流的输运机理^[12-14]。在云物理学机理、斯蒂芬流的输运机理和颗粒团形态学机理的共同作用下，粒径增加的烟尘颗粒团进而强化烟尘颗粒与雾滴之间的碰撞运动，加速烟尘颗粒的沉降过程，对烟气起到有效地冲刷作用。

在前人研究的基础上，基于细水雾冷却降温和洗涤炭黑粒子的作用，本文提出在长通道内利用细水雾水幕作为防烟分隔控制烟气水平蔓延的方法。通过开展细水雾水幕阻烟性能研究，观测烟气运动过程，温度分布，O₂、CO₂和CO的浓度变化以及烟气对通道内照度的影响分析细水雾水幕防烟分隔的有效性。

1 实验装置及参数测点布置

本文重点关注细水雾型水幕对烟气的分隔作用，因此不考虑基于实验台尺寸比例的火源热释放速率之间的相似性。实际工程中，当水幕与火源超过一定距离时，水幕对火源发展影响不大。本文主要考虑水幕对烟气流动的阻挡，因此将火源设置在实验通道外，避免狭小实验空间内细水雾直接影响火源而降低产烟量和放热量，导致的阻烟效果测量偏差。实验使用汽油火来保证烟气的生成量、流动特性、气体成分和炭黑粒子浓度。狭长通道细水雾阻烟实验台的实物图及参数测点位置如图 1所示，实验台由集烟罩、狭长通道、排烟罩和水雾喷射区四部分组成。火源设置在通道之外，利用集烟罩收集烟气并引入通道，在烟气流动稳定区域施加细水雾。狭长通道正面选用防火玻璃封挡，以便观测烟气的输运过程，通道顶和背面用水泥板封挡，通道两侧用带开孔的镀锌铁皮封挡，开孔尺寸为250 mm×3 mm，共12组，每组10个，便于通廊内补风。为防止高压喷射水雾撞击实验台地面造成气流卷吸回流，在水雾喷头正下方的地板上设置了0.6 m(长)×1.2 m(宽)的开孔。实验在尺寸为9 m(长)×9 m(宽)×4 m(高)的实验室内开展，实验室北墙上3.8 m高度处安装有轴流风机用于实验完成后通风排烟。实验过程中所有门窗、风机关闭，以减小室外风对火羽及烟气流动的影响。

实验采用Φ1 mm的K型铠装热电偶测量狭长通廊内的温度，共设置80个热电偶测量点记录狭长通道内的温度分布，热电偶分为10组，热电偶串编号为TC01-TC10，每串8个热电偶，从通廊顶棚向下依次编号为TC01-1~TC01-8，如图 1所示，数据采集时间步长为1 s，测量精度为0.1 ℃。采用德国约克公司MRU烟气分析仪监测通道内的O₂、CO₂及CO的浓度变化。采用型号为TES-1339R的照度计和一个40 W的白炽灯泡监测狭长通道内照度的衰减表征火场烟气减光性，照度计取样率为5次/s，测量误差为±3%。

2 细水雾装置及其特性参数

细水雾喷射区设置在距离烟气入口3 m处，高于通道顶棚20 cm，如图 1所示。细水雾喷头选用K系数为0.092的高压单流体离心喷头，8个一组均匀安装在1.2 m长的喷淋杆上，喷嘴间隔15 cm，细水雾型水幕冷喷雾场如图 2所示。利用丹麦DANTEC公司制造的激光多普勒动态颗粒分析仪(Dual PDA)对单个细水雾喷头下游雾滴粒径、速度进行测量，细水雾特性参数见表 1。各种压力工况下的细水雾粒径均小于100 μm，按照现行规范要求属于一级细水雾^[15]。实验时间设定为5 min，预燃1 min，通道内形成稳定热烟气层后开启细水水幕，水幕开启4 min后熄灭火源，停止水雾喷射。

3 火源及实验工况设置

实验采用93#汽油作为燃料，汽油用量为1 L，圆形油盘直径为25 cm。实验采用失重法测量93#汽油质量损失速率，选用精度为0.001 g，采样频率为1 Hz的电子秤测量。热释放速率是决定火场温度分布和烟气生成量的基本参数，该参数的确定是火灾实验的基础，在获得燃料质量损失速率后，按照下式计算得到相应的热释放速率：

$ Q = \eta {m_c}\Delta {H_c} $

(1)

式中：Q为热释放速率，kW；η为燃烧效率0.7~0.8；m_c为燃料的瞬时质量损失率，kg；ΔH_c为燃烧热值，kJ/kg。图 3为Φ25 cm油盘汽油质量损失曲线和热释放速率曲线。

影响细水雾特性参数的主要因素包括喷嘴结构、喷嘴尺寸和喷雾压力。由于实验中没有更换喷头，因此通过压力变化反映不同喷雾速度、粒径和雾通量下的阻烟效果，实验工况设置见表 2。

4 实验结果分析 4.1 烟气蔓延过程

图 4为通道内细水雾水幕控制烟气蔓延过程。点燃油盘后，燃烧产生的烟气通过集烟罩进入通道，烟气形成纵向扩散、分层下降的蔓延过程，在59 s时稳定烟气层形成，烟气层距顶棚60 cm，如不采取烟气控制措施，烟气将充满整个通道。水幕开启后，烟气流动发生了偏转，并随水雾快速下沉，水幕后的可视距离明显改善如图 4(b)所示。造成烟气偏转下沉的原因为：1)细水雾垂直速度远大于烟气的水平流速；2)水雾在烟气的高温作用下蒸发吸热降低了烟气流的温度，从而降低烟气的热浮力；3)水雾粒子和烟气粒子间发生凝并，形成水滴和炭黑粒子团随水雾下沉。同时由于通道的高度和地板开孔与地面距离的限制，水雾与烟气混合后的流股在向下撞击通道地面后流动方向发生改变，混合流股一部分沿通道底面横向扩散，一部分由底部开口流出通道，如图 4(b)、(c)所示，由于无法及时排除，这股折返的水雾和烟气混合流股从下向上逐渐填充，通道底部的环境逐渐恶化。因此，在实际应用中应根据狭长通道的高度调整细水雾水幕的喷射压力，控制流动速度，在阻截烟气的同时，防止反射回流。在整个喷雾过程中，由于烟气不断涌入，水幕上游环境恶化严重，实际中应结合机械排烟改善其环境条件。通道内水幕下游环境优于上游，下游环境条件满足人员疏散要求，这也可以从温度，O₂、CO₂和CO浓度变化以及照度变化得出。至301 s时水幕下游空间环境仍好于上游，可视距离保持良好，通道背板上的反光条清晰可见，可为疏散提供300 s的疏散时间。

4.2 通道内温度场分布

图 5(a)、(b)为细水雾水幕作用下通道内TC04和TC09处的温度变化曲线图。点火后随着烟气的蔓延扩散，通道内上部空间的温度迅速上升，距顶棚40 cm以上的空间温升速率较大。从TC04处的垂直温度分布曲线可以看出，点火60 s内，距顶棚20 cm处的温度最高上升到了78 ℃，距顶棚40 cm以上空间的温度都在35 ℃以上，由上向下温度逐渐减低，竖直方向的温度变化反映了狭长通道内烟气分层的现象。点火60 s后细水雾水幕开启，由于水雾的冷却，距离顶棚20~40 cm范围内的温度迅速下降至35 ℃以下。在TC09处通道上部空间温度在水雾喷射前保持升高的状态，而后随着水雾的冷却逐渐下降，整个过程温度都没有超过45 ℃，距顶棚10 cm以下空间温度降至室温。从温度变化曲线可以看出，由于水雾的蒸发冷却通道内的温度被有效控制，水雾和烟气混合流在撞击地面后的折射流动影响了温度的分布。结合烟气蔓延过程录像可以看出，由于空间大小的限制，水雾和烟气混合流出现了向水雾主流区回流的过程，而回流范围在距顶棚10 cm以下的空间，因此顶棚处的温度没有出现急剧的下降，整个过程保持了缓慢上升的趋势，但温度没有超过65 ℃。通过以上分析，水雾对狭长通道内的冷却作用明显，这验证了文献[6, 14]中得到的水幕对烟气的温度具有“洗涤”作用的结论。从温度参数变化可见细水雾水幕对烟气的扩散流动起到了很好的阻挡作用，通道内温度的降低可为火场逃生提供有利条件。

4.3 通道内组份气体的浓度变化

图 6为细水雾型水幕下游的O₂、CO₂和CO变化曲线。从图中可以看出，在细水雾喷射之前，由于烟气的填充O₂浓度随之下降，最低降至20.2%。由于燃烧消耗氧气，生成CO₂和CO，因此CO₂浓度相应增加，最高达到0.5%，而CO浓度的升高速率比O₂和CO₂浓度的变化缓慢，在水雾开启之前最高只达到了50×10^-6。当水幕开启后，O₂和CO₂浓度发生反转，O₂浓度随之升高，并逐渐回升到点火前的初始浓度；CO₂与O₂相反，随着水雾的作用逐渐下降至初始浓度。O₂和CO₂浓度的变化说明细水雾水幕的设置起到了阻挡烟气扩散的作用，水雾的喷射一方面阻挡了烟气的流动，另一方面水雾的喷射引入了新鲜空气从而提高了水幕下游的氧气浓度，CO₂浓度的变化与氧浓度变化过程恰恰相反。CO浓度在整个过程中一直处于升高的趋势，但升高速率相对缓慢，水幕下游的CO浓度远低于500×10^-6的疏散标准，CO的变化过程说明由于水幕宽度的限制并不能完全隔断烟气中的所有成分，像CO这样不溶于水的气体还是会透过水雾，在实际应用中可以通过增加细水雾水幕的宽度来提高控烟效果。通道内气体的浓度变化，可以验证细水雾水幕阻烟的有效性。

4.4 通道内照度的变化

可视距离(能见度)也是判断火场安全性的重要参数之一，实验中利用照度的变化体现通道内可视距离的变化。在距离烟气入口4.4 m，距离顶棚10 cm的通道侧壁设置40 W白炽灯和照度计监控火灾过程中照度的变化，白炽灯和照度计距离1.2 m。图 7为不同压力下细水雾下游照度变化曲线。在没有烟气的情况下，通道内的照度为84.3 lx。当烟气蔓延过来后照度迅速下降，通道内的照度最低降至25 lx以下。细水雾水幕开启后，由于烟气流动路线发生偏转，水幕下游空间的照度迅速回升。由于影响照度的主要因素是烟气中的炭黑粒子，而水雾喷射后水滴粒子与炭黑粒子凝并，水雾有效的冲刷了烟气中的炭黑粒子，因此照度得到有效提高。照度曲线的变化过程印证了文献^{[9, 12-13]}中水雾冲刷烟尘粒子的结论，证明了细水雾水幕的阻烟效果。

从图 7可以看出：喷雾压力在6 MPa时，照度从最低24.5 lx回升至53.4 lx；4 MPa时，由22.5 lx回升至38.6 lx；8 MPa时，由20 lx回升至45 lx；10 MPa时，由15 lx回升至40 lx。整个过程中6 MPa工况下水雾下游照度最大，4 MPa的照度最低。由于4 MPa时的雾滴粒径大、雾通量小，因此阻烟效果较差。其他工况，由于细水雾冲刷烟粒子的效率提高，阻烟效果明显，但在压力超过6 MPa时由于烟水混合流的动量增加，当撞击地面后反弹作用明显，反弹的气流回升导致照度回升率降低。照度随喷雾压力的增加先增大后减小，6 MPa时回升率最大。这说明喷雾压力并不是越大越好，随着压力的增加雾特性参数变化逐渐减小，同时针对阻烟来讲也存在一个最佳值。就本实验而言，6 MPa时的阻烟效果最佳。因此在实际应用时应根据通道的实际高度和人员疏散的要求合理选择喷雾压力，防止混合烟气后的烟水混合气流，在接近地面时仍保持较高的动量，从而撞击地面反弹。

5 结论

1) 细水雾具有良好的冷却降温作用，水幕开启后其上游温度下降至45 ℃，下游距顶棚10 cm以下空间温度降至室温，通道内温度的降低为火场逃生提供了有利条件。

2) 在细水雾水幕开启前后，O₂浓度经历了先降低后升高的过程，CO₂浓度与之相反，CO浓度则处于缓慢升高状态，无法完全阻断其扩散，但水雾水幕下游各组分浓度满足人员安全疏散要求。

3) 细水雾水幕开启后，其下游照度从25 lx迅速回升，表明细水雾对炭黑粒子有良好的冲刷作用，从光学角度证明了细水雾水幕的阻烟效果。对阻烟来讲，喷雾压力并不是越大越好，照度随喷雾压力的增加先增大后减小，喷雾压力存在一个最佳值，就本实验而言，6 MPa时的阻烟隔热效果最佳。

综上所述，实验表明细水雾型水幕可以起到防烟分隔的作用，当水幕开启后烟气的纵向流动被阻断，烟气流动方向随水雾发生偏转，水幕下游环境得到改善。