（工程热物理专业论文）细水雾与障碍物稳定火焰相互作用的研究.pdf

摘要 摘要 p 3 5 0 8 d 伯于对臭氧层的破坏，哈龙系列灭火剂的使用受到了限制。在众多的可能的 替代产品中，细水雾由于灭火有效、无毒、价格低廉和对环境友好等优良特性， 在全球范围内受到普遍地重视并得到广泛研究。 障碍物的存在无论对预混火焰还是非预混火焰都有稳定作用，这一原理被应 用于多种燃烧装置中。在火灾环境中，障碍物则使灭火更加困难。广y 一 本文着重研究障碍物存在时细水雾的灭火特性。首先通过模拟实验研究了哈 龙1 2 1 l 以及细水雾在有障碍物时的灭火特性。通过对比发现，存在障碍物且细 水雾水平施加时，1 2 1 1 的灭火有效性优于细水雾。数值模垫部分研究了几个重 要参数( 例如障碍物高度，风速，燃料池宽度等) 对回流区的影响以及细水雾的 灭火有效性，解释了模拟实验中细水雾不能扑灭火焰的原因。本文认为使用细水 雾灭火，如果火灾环境中存在障碍物时，应充分考虑障碍物的影响，并尽量避丌 障碍物。 关键字：障碍物稳定火焰，细水雾，火焰抑制，模拟研芬 垒! ! ! 避! 一一 a b s t r a c t at o t a lb a no nh a l o np r o d u c t i o nh a sc r e a t e dav a c u u mi n t h ef i r ep r o t e c t i o n i n d u s t r yw h i c hi sl i k e l y t ob ef i l l e d b ym o r et h a n o n es u i t a b l er e p l a c e m e n t a w a t e v b a s e ds y s t e mi sa na t t r a c t i v er e p l a c e m e n tc a n d i d a t eb e c a u s ew a t e r ，i na d d i t i o n t o b e i n ga ne f f e c t i v e f i r e s u p p r e s s a n t ，i sn o n t o x i c ，e n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l y a n d c o m p e t i t i v e l yp r i c e d ， a no b s t r u c t i o nc a ne n h a n c et h es t a b i l i t yo fb o t hp r e m i x e da n dd i f f u s i o nf l a m e s s oi t sd i f f i c u l tt oe x t i n g u i s ht h i sk i n do f f l a m e ，e s p e c i a l l yi nf i r ec o n d i t i o n i nt h i sa r t i c l e t h ef i r es u p p r e s s i o ne 腩c to fw a t e rm i s tw h e na no b s t a c l ee x i s t si s s t u d i e d f i r s t l y , s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e dt o t e s tb o t hh a l o n121 1a n d w a t e rm i s tf i r es u p p r e s s i o ne f f e c to nt h ef l a m e ss t a b i l i z e db ya no b s t a c l e i ti sf o u n d t h a th a l o nl21 1i sb e t t e rt h a nw a t e rm i s tw h e nt h em i s ti sa d d e d p a r a l l e lt ot h et u n n e l 1 nt h ep a r to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ei m p a c to fs e v e r a lk e yp a r a m e t e r s ( e g t h e h e i g h to fo b s t a c l e ，w i n dv e l o c i t ya n dw i d t h o ft h ef u e lp 0 0 1 ) o nt h er e c i r c u l a t i o nz o n e a l o n gw i t ht h ef i r es u p p r e s s i o ne f f e c to f w a t e rm i s ti ss t u d i e d i ti sa l s oe x p l a i n e dw h y t h ef l a m ec o u l dn o tb ee x t i n g u i s h e di nt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s i ti sc o n c l u d e dt h a t t h eo b s t a c l es h o u l db ec a r e f u l l yc o n s i d e r e dw h e nw a t e rm i s ti su s e dt oe x t i n g u i s ht h e f i r ea n d ，i fc o u l d ，t h em i s tn o z z l es h e u l dk e e pa w a yf r o mt h eo b s t a c l e k e yw o r d s ：b a f f l e s t a b i l i z e df l a m e ，w a t e rm i s t ，f i r es u p p r e s s i o n ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 1 1 研究背景 第一章引言 火灾不仅会造成人员伤亡和经济损失，也会由于向周围环境排放浓烟以及有 害气体对环境造成污染。传统的灭火物质，虽然可以抑制和扑灭大火，但同时也 会对环境造成破坏。以传统的哈龙系列灭火剂为例，尽管该类物质有较高的灭火 效率，但由于在灭火过程中释放出卤素自由基( 其中特别是b r 自由基) 使大气 臭氧层遭到严重破坏，并引起臭氧层空洞面积的持续增加，威胁到了人类的生存。 由于哈龙灭火剂的破坏作用，发达国家已于1 9 9 4 年1 月1 日停止生产哈龙灭火 剂，而我国目前仍在生产和使用以1 2 1 1 ( c b r c l f 2 ) 为主的哈龙类灭火剂。作为 一个对世界事务负责任的大国，我国于1 9 8 9 年加入了保护臭氧层的维也纳公 约，并于1 9 9 1 年签署了关于臭氧层物质的蒙特利尔议定书伦敦修正案，成 为按议定书第五条第一款行事的签约国。因此，寻找一种清洁、高效、对环境友 好的灭火剂，从而在本世纪初全面取代哈龙系列产品的工作迫在眉睫。 目前，人们已开发研究了诸如细水雾、水喷淋、c 0 2 、干粉、惰性气体及泡 沫等灭火技术，但到目前为止还未找到完全合适的哈龙物质的替代产品。其中细 水雾灭火技术由于具有无环境污染( 不会损耗臭氧层或产生温室效应) 、耗水量 低、对防护对象破坏性小等特点，因此是一种很有希望的哈龙替代产品，目前正 在全球范围内得到广泛研究。对于一些特殊领域发生的火灾，诸如图书馆、档案 馆、博物馆、计算机房、航空与航天飞行器舱以及现代大型企业的电器火灾等等， 细水雾展示出广阔的应用前景。 在实际的火灾现场，环境通常是非常复杂的，其中障碍物将以各式各样的几 何形状的大量存在，这将对灭火效果和灭火过程产生重大影响。燃烧学知识告诉 我们，来流中的障碍板、钝体、台阶等都将提高预混火焰【1 1 和扩散火焰【2 】i3 】的稳 定性。该原理被广泛应用于各类工业燃烧器中以稳定火焰，其中高强度燃烧室中 v 型火焰稳定器就是一典型的应用1 4j 。正是由于障碍物对火焰的稳定作用，使得 火灾扑救变得更加困难。 障碍物的存在增加了流动、以及与流动相耦合的化学反应、传热传质等过程 的复杂性，但对障碍物稳定火焰灭火机理的研究，则更加逼近于火灾实景。因此 研究细水雾以及其他灭火剂对障碍物稳定火焰的灭火过程和机理，将会深化对火 灾抑制熄灭机理和过程的认识并有利于灭火技术的发展。因此，这是一项有意义 的研究课题。 1 2 前人工作 在上世纪五十年代中期，b r a i d e c h 等就研究并描述了用细水雾熄灭液体和固 体燃料火灾基本原则0 5 1 。进入9 0 年代后，则有更多的研究表明细水雾可作为一 种有效的哈龙系列灭火剂的替代物7 】【8 】【9 i 。与此同时，关于细水雾灭火机理的模 苎二空! ! 童 拟实验与数值模拟研究也广泛展开。 美、日、英、加拿大等工业发达国家对细 水雾灭火方法及技术的研究十分活跃。 细水雾的定义为：如果有质量超过9 9 的粒子其直径小于1 毫米( 表示为 d v 09 9 1 ，0 0 0 微米) 则这样的水雾叫做细水雾( n f p a 的定义，目前还有其他不 同的定义) 。细水雾表面积相对较大，吸收热量快，汽化迅速，气化后体积扩大 约1 6 0 0 倍，汽化潜热会降低燃烧反应区的温度，同时大量水蒸汽的存在也会降 低反应区的氧气体积分量。同时细水雾及其蒸汽会吸收部分热辐射并抑制烟颗粒 的形成、降低对燃料的热回馈，从而降低反应区可燃气的体积分量。另外，可燃 物表面被细水雾润湿后难以气化燃烧。以上这些作用都会抑制火焰的燃烧a 到目 前为止，一般认为细水雾的灭火机制为：气相冷却，氧气稀释、燃料表面冷却， 蒸发潜热吸热、热辐射隔离等。研究还发现在一定条件下，细水雾还能强化燃烧 过程。 在9 0 年代中早期，研究人员主要针对能不能灭火和在什么情况下可以灭火 进行实验。m a w w h i n n e yj r 研究了双流体喷头与液体燃料池火的相互作用i l 。 燃料在开口的盘状容器中燃烧，细水雾从顶部或下部两个不同的方向施加。发现 细水雾直接从上面作用到火焰面上更有效，然而从下部施加时可以强化燃烧。在 细水雾与火焰间放置障碍物，则会降低火焰的灭火效果。m a n i l l a “j 使用了两个 m a r i o f f h i - f o g 喷嘴产生细水雾去熄灭一个4 6 5 平方米( 非常大) 的油池火。油 池安簧在一个水平障碍物下，两个喷头垂直安装在障碍物之上。隐藏的火焰在 3 0 秒之内被熄灭，用水量小于l o 升，并且没有再点燃现象发生。c o u s i n s 建立 了一个模拟机舱乘客室，细水雾成功的降低了火焰温度，延缓了火焰的蔓延速率 并降低了有毒物质和颗粒的浓度i l ”。s p r i n g 等人又做了一个类似的实验【l ”，其 结论是细水雾可以降低空气温度，易于乘客逃生。同时细水雾也可以抑制机舱内 器具的燃烧，减少有毒气体和烟气的含量。然而细水雾在抑制大尺度的火焰传播 方面似乎并不成功i l ，该实验为了评价细水雾对船载集装箱的水平和垂直传播火 焰的冷却效果。u p f l o dr w 则在文献中说细水雾在抑制管道中以化学当量比配 比的甲烷、空气预混火焰的传播方面十分有效1 1 ”。这个实验既有全尺度的( 】o o 米长、直径两米的管道) ，也有实验室尺度的( 1 米长，直径0 1 5 米的管道) 。实 验中细水雾的面积加权平均直径为1 0 0 微米。其他的文献表明，在计算机机房、 展览馆、售票厅等场所使用细水雾系统也取得了成功。 9 0 年代中后期，研究人员的兴趣主要集中在细水雾的灭火机理的研究。理论 分析、模拟实验和数值模拟三管齐下。b a c kg g ，以及m a w h i n n e y1 1 6 】发现对于 密闭空间中的大火，氧气稀释起主要作用。在这种情况下，由于燃烧对氧气的消 耗以及水雾及蒸汽的补充替代，使得氧气浓度随时间迅速下降，从而导致火焰熄 灭。在密闭空间中，火越大，现象就越明显。很多研究者都发现，小火比大火更 难熄灭( 相对相同参数的水雾而言) 1 1 7 j 。b r a c ed o g i e 等人研究了细水雾与浮 力驱动扩散火焰( 燃料是甲烷) 的相互作用f 1 8 】，实验中使用的是空心锥水雾，雾 滴的直径在2 4 0 2 7 0 微米之间，喷头出口附近的速度为1 5 米秒。实验发现在羽 流的浮力与细水雾的穿透力之比比较大时( 5 1 0 倍) ，细水雾基本上不能穿透火 焰面到达火焰区。由于蒸发后的蒸汽隔绝辐射的作用，测得的辐射量减少，但火 焰区的温度以及火焰的高度都没有明显地变化。通过对气体采样，发现c 0 2 的 2 浓度降低，c o 的浓度升高，这表明对燃烧过程有了抑制作用。通过对小尺度2 维甲烷扩散火焰的研究，n d u b i z u 等人发现1 1 9 1 在雾滴直径为3 0 7 0 p m 时，水雾 通过蒸发潜热、显热吸热( 水蒸汽热容较高) 、以及氧气稀释三方面的作用抑制 火焰。其中蒸发潜热影响最大，其次是水蒸汽显热吸热，氧气稀释作用最末a 气 相冷却效果主要由前两方面决定。而迸一步的相应的数值模拟发现，在火焰底部 吸热占主导地位，在火焰上部，氧气稀释占主导地位。通过数值模拟还发现一个 重要现象 2 0 1 ：熄灭火焰存在一个临界的质量密度，低于该临界值，火焰不能熄灭a 在速度不变的情况下，粒径越大，临界质量密度则越大，而相应的数密度则是下 降的。文章还进一步研究了粒子直径和速度对火焰抑制过程的影响：粒径小的粒 子能迅速进入( 卷吸进入) 火焰面，而大粒径的粒子则较慢。对一给定的雾通量， 速度增加，灭火效果反而下降。实验中也发现，小火焰( 湍流度低) 比大火焰( 湍 流度高) 更难熄灭。 在细水雾与材料的相互作用方面也有一些研究。m d im a r z o 等人研究了细 水雾与半无限大固体表面的相互作用【2 ”。实验中用红外热像仪测量固体表面温 度，并发展了远区与近区耦合的模型公式，实验测量结果与公式符合的较好。 j u k k ah i e t a n i e m i 等人研究了细水雾对一些有机物( 尼龙、聚丙烯等) 燃烧时的 作用【2 2 1 。他们在锥形量热计中水平安置了雾喷头。实验中可以测量释热速率、样 品质量、以及燃烧产物的浓度。实验表明，对于不同的材料，细水雾施加后总可 以减少热释放速率，抑制燃烧过程；但对烟气的抑制要因材料而异，对不同有毒 物质的生成强化与弱化的作用也不同。 与实验研究相比，数值模拟要少一些。这是由问题的复杂性决定的。l s h u a n g 和s c y a o 数值模拟了细水雾在经过障碍物时的输运和沉降的过程1 2 ，以及细水 雾的收集率和透过率。这是研究细水雾输运过程受障碍物影响方面仅见的文献。 美国海军研究中心计算物理和计算流体实验室的k p r a s a d 等人针对改进的 w o l f h a r d p a r k e 燃烧器及实验参数进行了数值模拟。气相和液相的控制方程均用 欧拉形式的给出，化学反应使用一步化学反应式c h 4 + 2 0 2 = 2 h 2 0 + c 0 2 。文章中 研究了细水雾的速度，粒径和数密度对火焰的影响，并用雾滴的轨迹标记雾滴的 蒸发和吸热，最终以细水雾与燃料流率比的形式给出细水雾的需求量，同时他们 还研究了吸热致冷和氧气稀释两种作用的相对贡献。它们的计算结果与实验数据 符合得非常好。他们还进一步给出了细水雾的参数优化1 2 4 j 。在该研究中除对细水 雾的雾径大小、密度和速度量化外，还考虑了细水雾入射角度对火焰燃烧过程的 影响。对于对称和非对称细水雾入射模式，计算结果表明，如果细水雾从火焰底 部进入，小粒径的雾滴会好一些，从火焰侧面进入时，大粒径的灭火效果会好一 些。在细水雾与湍流燃烧相互作用的数值研究方面，悉尼大学研究人员 v n o v o z h i l o v 数值模拟了细水雾熄灭封闭空间内气体火焰的过程【2 5 i 。湍流模型采 用是k - 8 双方程模型。燃烧模型为e b u 模型。s p r a ym o d e l 采用的是拉格朗日形 式给出的粒子轨迹方程。文中没有考虑粒子的尺寸分布。在本文的计算过程中， 也没有考虑细水雾的粒径分布的影响。 目前，国际火灾科学界对细水雾灭火方法和机理研究的特点与发展趋势是 【2 6 】：重视新技术开发，强调细水雾抑制熄灭火灾机理的研究；在重视模拟实验研 究的同时，强调计算机模拟：在实验方法上利用传统技术的同时，重视先进诊断 箜二童! ! 直 一 方法与技术的应用；灭火机理、方法和防治技术诸方面的研究相互沟通与促进。 尽管目前国际上对细水雾灭火技术的研究进展较快，并且揭示了一些简单情 况下细水雾的抑制熄灭火焰的机理，但对障碍物存在时，细水雾灭火效果的研究 仅有零星报道，并且也局限于定性地现象描述。本人在火灾科学实验室已有的细 水雾抑制熄灭火焰机理研究的基础之上，对障碍物存在时细水雾灭火效果作进一 步的研究。 1 3 本文研究目标 围绕障碍物存在时，细水雾对火焰的抑制效果这一研究课题，应用现有的实 验诊断仪器，以及自行设计的研究设备，深化认识细水雾抑制熄灭火焰的机理与 规律，争取对障碍物存在时细水雾对火焰抑制机理有一定的初步认识，为发展细 水雾灭火高新技术提供科学的原理和方法。 1 4 本文研究内容 本文利用模拟试验与数值模拟相结合的方法，从不同的途径研究障碍物存在 时细水雾的灭火效果。首先建立了小型风洞、水雾发生器、燃烧器等实验装置以 及相应的控制和测量系统。通过热电偶测量研究区域的温度场，三维l d v a p v 测量雾滴的大小和速度。随后研究了障碍物存在时传统的1 2 1 1 灭火剂灭火特性 以及细水雾的灭火特性，并把两者进行对比，同时给出了简要的分析。数值模拟 加深了对该物理过程的认识。 4 、 兰三皇堡型兰鉴至竺塑堡童 第二章模拟实验系统的建立 2 1 引言 赋予新现象一个明确的起因，一直是一项引人入胜的工作。一个实际的问 题，起作用的因素很多，我们充其量也只能发觉其中的几个而已。而这几个因 素也就是我们所认为的主要因素或者说决定因素。为抓住问题的主要矛盾，拨 开障目之叶，从而发现问题的主干，就必须舍弃一些“细节”，对问题进行简化。 火灾现象，进一步说是燃烧现象十分复杂，流动的、物理的( 包括传热的、传 质的) 、化学的等诸多参数都将影响到燃烧过程本身。面对如此复杂的现象，对 其进行适当合理简化是可能的，也是必要的。风洞，由于可以提供稳定的、可 测的、简单的速度场，进而可简化流动问题，因此成为热物理问题研究中的一 项基本设备，迄今为止的大部分气动力实验也都是在风洞中完成的。 所谓风洞，是指在一个按一定要求设计的管道系统内，使用动力装置驱动 一股可控制的气流，根据运动的相对性和相似性原理进行各种气动力实验的设 备。它的主要优点是风洞中的气流参数，加速度、压力、密度、温度等等，都 可以比较准确地控制，并随时可以改变。因而风洞实验可以方便可靠地满足各 种实验要求。当然在风洞中，气流是有边界的，不可避免地存在洞壁的影响， 称为洞壁干扰。只要洞壁足够光滑，不对流动产生很大扰动，可以认为在远离 壁面区域流场是均匀的。 2 2 主体风洞的设计 2 7 】 鉴于在火灾现象中，流动速度一般很小，因此本实验研究中设计了低速小 型压力风洞( 工作压力高于或低于环境大气压的风洞) 。提高风洞压力可增大雷 诺数。控制压力和速度的单独变化可改变马赫数和雷诺数。由于速度比较低， 马赫数很小( o 0 2 ) ，因此气体可看作不可压的。 2 2 1 风洞的设计指标 相似率 2 8 j 告诉我们，如果两个物理现象要相似，则描述它们的无量纲方程 组及其边界条件与初始条件要完全相同。在燃烧现象中，有许多相似准则数， 它们决定着几何相似、传热传质相似、流动相似以及化学反应相似。模拟实验 研究须满足一些主要的相似准则。在不可压范围内雷诺数是最主要的相似准则 数。除此之外，气体来流的湍流度对实验的影响也较大，因此风洞的湍流度不 能超过一定的限度。实验段的气流主要指标如下： ( 1 ) 气流的稳定性气流的稳定性是指气流的动压或速度随时问而脉动 的情况。这种脉动是低频的，可以用机械传感器( 如皮托管等) 测量。其周期大 约为秒的量级。有时也可称为气流的脉动。气流的稳定性或脉动可以用动压脉 、 墨三童堡型壅墅墨竺盟堡生一 动量q 表示。n 表示在规定的时间问隔内，瞬时动压p 和平均动压f 之差的最 大值( 绝对值) 与平均动压之此，即： 。：m a x - f )( 1 ) p 一般要求t l o 5 。 ( 2 ) 速度的均匀性速度的均匀性是指气流速度在空间的分布情况。要 求实验段各点的速度完全一致是很困难的。一般要求风洞实验段模型区各个截 面内各点的气流速度与气流平均速度相对偏差的均方根值小于某一给定的值。 即： 仃u ： 式中：脚均为气体的平均速度a u ，= u ，一u f 均为第i 点的速度偏差。 通常要求盯。 o 2 5 。又动压p = 妻p u 2 ，故相应的动压偏差的均方根值应小于 o 5 。 ( 3 ) 方向均匀性要求实验段模型区各个截面内任何一点的气流方向与 风洞轴线之间的夹角满足以下要求： 俯仰方向偏差角： 0 5 0 偏航方向角： 1 0 ( 4 ) 湍流度要求气流中存在着微小的旋涡运动，因而实验段任何一点 的气流速度总存在着高频的微小脉动。其一点气流速度的瞬时值可见看作时均 位和脉动值之和。湍流度定义为：占：覃+oy+0z)，其中v是平均速度。 普通的风洞e 应小于1 。 此外，轴向静压梯度的变化以及气体温度的变化也时风洞性能的度量指标。 6 、 第二章模拟实验系统的建立 2 2 2 实验装置 实验主体装置示意图如图2 1 所示。整个风洞装置可分为四部分，即：动力 及输送段、稳定整流段、收缩段与实验段。 动力及输送段动力及输送段由离心风机和相连的管路构成。其中两个9 0 0 弯管将空气来流方向改变1 8 0 0 ，这样设计在结构上显得很紧凑，但弯管造成的 压力损失较大，在拐弯处，速度比较大时，容易导致气体脱离壁面从而形成旋 涡。在速度较低时，因气体脱离可能产生的影响不大。弯管后接的扩张段，气 体速度降低，静压增大，这样可以减少进一步的损失。 整流段主要由多层纱网组成的格栅组成。其作用是降低气流的湍流度。纱 网的网格都很细，它将较大的旋涡分割成小旋涡，有利于衰减。实验中使用的 是边长为1 毫米的细铁丝网。考虑到网后有一定距离的衰减旋涡，因此两层网 之间有4 0 厘米的距离。 艉烧匹域 燕电冉陴 图2 1 实验主体装置( 风洞) 示意图 、 笙三皇蔓型塞墅墨竺堕壁皇一 图22 实验主体装置实物照片 收缩段收缩段的作用是加速气流，使其达到实验所需要的速度。为保证气 流沿收缩段流动时，洞壁上不出现分离，需收缩面不要太剧烈。还要满足出口 的气流均匀、平面且稳定。由于在收缩过程中，主速度增加而脉动速度基本不 变，因此大的收缩比有利于降低湍流度。本实验装置中的收缩比为5 3 。收缩曲 线按相应公式给出。 实验段本实验段较长，有两个观测窗。靠近收缩段的观测窗有- - n 孑l ，可 通过该孔测量空气的来流速度。并且该段可换装水雾喷头。当然，喷头存在肯 定对已稳定的流场造成扰动，由于该段离燃烧区较远，可近似认为对流场影响 不大。离出口近的观测窗为主观测窗，在该窗口可观测火焰的燃烧状况。障碍 物( 凸台) 高3 厘米，长2 0 厘米，在空气来流端，凸台是1 4 圆弧，尽量呈流 线型。燃烧区域的上方布置了1 0 只镍铬一镍硅热电偶。可测量不同位置点的温 度。 2 3 水雾发生系统 2 3 1 双流体喷头水雾发生系统 细水雾发生装置示意图如图2 3 所示。该装置是为双流体( 水、气) 实芯 雾喷头。最大设计压力为8m p a ，最大水容量3 0 升，全套管线均为不锈钢制成， 并配有过滤器，以防堵塞喷头。高压空气从气瓶中经减压阀减压达到所需压力， 对储水装置中的水加压，为喷头提供水。高压氮气瓶为喷头提供压力。同时打 开截止阀后，通过雾化喷头，形成细水雾。通过针形调压阀可微调管线压力， 并有流量计和压力表监测；通过注水装置可以方便地向储水装置内重新灌水， 储水装置上装有压力表和安全阀以确保安全。由于实验所用喷头的流量都很小 在较长时间内压力可以保持稳定，得到平稳的细水雾流场。 图2 3 水雾发生装置 2 3 2 超声波细水雾发生系统 高压氰气 在实验中，采用了超声波细水雾发生器( 如图2 4 所示) 。该装置产生的细 水雾比较均匀，粒径小( 2 0 u ) 。产生的细水雾通过9 根软管收集到收集器中。 但这种发生装置产生的水雾速度尽管不大，但不稳定，脉动性很强，并且由于 液滴小，当水雾的浓度比较大时，雾滴之间容易粘接，也比较容易粘附于管道 壁面或障碍物上，因此沿途损失不容易估计，带来了测量数据的不准确。 苎三皇堡型塞堕墨堕竺蕉塞 图2 4 超声波细水雾发生器及收集装置 2 4 燃料供给及燃烧装置 图25 气体燃烧装置 液化气瓶内的液化气经减压阀减压后，再进入浮子流量计。流量计本身还 起着阀门的作用。然后气体通过扩压、整流、稳定后从多孔板表面释放出( 如 图2 5 所示) 。多孔板的小孔直径为2 m m ，共计3 1x 3 1 = 9 6 1 个孔。通过封堵 孔眼，可任意调节燃烧表面的形状，从而控制燃烧功率的大小。 对于液体燃料酒精，制作了四个不锈钢燃烧池，大小分别为( 长x 宽x 高， 单位：厘米) ：1 5 1 x 1 ；1 5 x 2 x 1 ；1 5 x 4 l ：1 2 x 1 2 x l 。四个燃烧池分别 可提供大小不等的火源。 两个不同的燃烧装置分别模拟气体燃烧与液体燃烧。 2 5 测量系统 图2 6 温度采集系统框图 燃烧区域的温度测量主要是采用了热偶测温原理，即通过在燃烧区域布设 一定数量直径为0 5 m m 镍铬一镍硅铠装热电偶，进而得到燃烧区域的温度，图 1 0 第二章模拟实验系统的建立 2 6 给出了其测量系统框图。通过计算机自动控制软件，以一定的时间间隔( 根 据需要可调) 实时观察和记录。热电偶所产生的电势u = u o k ，式中u o 为经a d 采样值，k 为放大器增益。热电偶的测温信号首先送入前端信号处理板p s 一0 1 0 进行放大与预处理，然后经a d 板送入计算机。镍铬一镍硅铠装热电偶的分度 表预先输入到计算机，生成一个电子表格。对热电势值进行插值处理和冷端修 j 下，根据电子表格便可得热电偶所测温度值。 图2 7 温度测量及采集系统图 实验中速度测量使用了t s i 空气速度测量计。该仪器可测量速度、温度、 压力、湿度、流量、露点等多种参数。其主要测量探头为一探针( 使用时需要 抽出) ，体积很小，当插入流场时，可认为不破坏流场的流动。 为了便于记录和仔细观察实验现象，实验中还使用了摄像机，并通过相应 地设备将录像转化为数码格式，保存于计算机中，从而有利于一帧一帧地分析 图像和观察实验现象。 2 6 小结 本节主要描述了整个实验装置，以及相应的测量工具和手段。是整个实验 先前准备工作。 篁三童堡堑丕盔型塑塑生丕奎丝童塑丝塑堡垫塞墼 第三章传统灭火剂抑制熄灭火焰有效性的 模拟实验 氟氯烃和哈龙( 也叫卤代烷) 系列灭火剂属于化学型灭火灭火剂，其灭火 机理是通过化学反应，打断化学反应链，从而抑制燃烧过程的继续进行。而细 水雾基本上为物理型灭火剂，一般认为细水雾的灭火机制为：气相冷却，氧气 稀释、燃料表面冷却，蒸发潜热吸热、热辐射隔离等。液体水滴输运的动力学 控制过程与1 3 0 1 蒸发的动力学过程也完全不同。鉴于目前哈龙系列灭火剂仍在 广泛地使用，关于这类物质的灭火机理、方式等也都有大量的研究，本章继续 重复与回顾性地研究，旨在作为新型灭火剂的寻找、评价的参考标准与依据。 通过对比实验的观测发现，在相同的火焰条件下，h a l o n l 2 1 1 能够很快的熄灭 火焰，而细水雾却不能够做到这一点，这种现象引起我们对细水雾灭火条件和 灭火有效性的思考，并为寻找新型灭火剂提供思路。 3 1 传统灭火剂的回顾皿9 】 上世纪2 0 年代，制冷机和空调机使用的制冷剂主要是氨、二硫化碳和乙烯， 因多次发生事故，便有了寻找无毒、不燃的惰性制冷剂的强烈要求。通过化学 家们的努力，终于找到了含卤素的有机化合物。这些化合物不仅满足了制冷业 的需要，而且同时人们还发现该类灭火剂有着良好的灭火性能，并且不导电、 低毒性、无残留。作为灭火剂，该类物质的第一个产品是四氯化碳( 哈龙1 0 4 ) ， 以后又有了进一步地发展，经过世界各国的消防试验和研究中心对各种哈龙产 品的特性和毒性的试验和研究，确定哈龙1 3 0 1 和哈龙1 2 1 1 为较理想的灭火剂， 这两种灭火剂的应用也日趋广泛。6 0 年代和7 0 年代是哈龙1 2 1 1 和哈龙1 3 0 1 灭火剂应用的大发展时期。在计算机房、文史博物馆、舰船、飞机等要害场合， 都有了较广泛的应用。我国在1 9 6 4 年试制成功哈龙1 2 1l 灭火剂后即逐步推广 应用。7 0 年代初又试制了哈龙1 3 0 1 灭火剂，1 9 8 1 年以后开始大批量生产。 上世纪7 0 年代初，研究大气的科研人员发现臭氧层( 臭氧层是指距地球 1 5 5 0 公里的高层空间臭氧分子相对富集的平流层，它能有效地遮挡太阳光中 有害的紫外线，为地球的保护伞。在自然平衡的状态下，它可以分解，也可以 重新生成臭氧。但是，某些人工合成的化学物质一例如哈龙一的使用，使其分 解速度大于形成速度) 有不断耗减趋势，由此引起当时各国有关科学家和政府 首脑的极大关注。在探究其发生原因时，氟氯碳( 国际通称c f c ，国内俗称氟 里昂) 以及哈龙等被世界上越来越多科学家认定是破坏臭氧层的祸首之一，并 称之为“消耗臭氧层物质”( 国际简称o d s ) 。 在国际社会的共同努力下，1 9 8 5 年保护臭氧层维也纳公约签署，为使 公约进一步落实，1 9 8 7 年又制定了关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定 书，对破坏臭氧层的化学物质提出了削减使用的时间限制，以后又对议定书 进行了三次修正。根据议定书的淘汰时间表，按议定书第2 条行事的 1 2 、 第三章传统灭火剂抑制熄灭火焰有效性的模拟实验 缔约国( 主要为经济发达国家) 须在1 9 9 4 年1 月1 只停止生产和使用哈龙( 少 量必要场所除外) ，1 9 9 6 年1 月l 曰停止生产和使用氟氯碳( 少量必要场所除 外) 。议定书签署后，全球o d s 的使用量有了大幅下降。 我国政府于1 9 8 9 年加入了关于保护臭氧层的维也纳公约，1 9 9 1 年加入 了关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书( 修正案) 。公安部与国家环保局 于1 9 9 3 年联合制定了中国消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案，在多边基金 的支持下，我国开始了消耗臭氧层物质( o d s ) 的淘汰。自从发达国家1 9 9 4 年淘汰哈龙产品后，我国成为生产和消费哈龙的大国，消防行业消费的o d s ( 哈 龙1 2 1 1 和哈龙1 3 0 1 ) 量占全国o d s 消费量的三分之一以上。因此，我国政府 提出选择消防行业作为第一个实行行业整体淘汰o d s 计划的行业，制定了中 国消防行业哈龙整体淘汰计划，根据计划要求，我国将在2 0 0 5 年1 月1 日实 现哈龙1 2 1 1 生产的全部淘汰，在2 0 1 0 年1 月1 日实现哈龙1 3 0 1 生产的全部淘 汰。 正如上文所述，使用对环境严重破坏的灭火剂，形似饮鸩止渴，剜肉补疮， 但无情的大火更是切肤之痛，眉睫之急，为了保护环境而纵容火灾无异于因噎 废食。因此，寻找并生产出灭火有效性不显著低于哈龙系列灭火剂的对环境友 好的替代产品成为当务之急。 3 2 灭火机理【3 0 】 3 1 】【3 2 】 当维系燃烧所需的链反应时间大于补充能量与反应物所需的时间时，火焰 将会熄灭。其特征反应时间t 。h 。可从反应速率系数k 的倒数估计出来，即： f m = e x p ( 而e o ) ( 秒) 其中，b 分子碰撞频率因子，e o 为活化能，r 为理想气体常数，t 温度。 假定反应组分的输运与能量的输运速率大致相同( 即刘易斯数为1 ) ，因此 补充反应物与能量的特征流动时间t n 。可用对流速度u 与特征长度尺度l 表 示： 加。百l ( 秒) 流动时间与反应时间之比即邓克尔数d 。= t n 。w t 。h c 。l i n a n 表明随着最大火 焰温度与燃料燃烧速率的下降，邓克尔数达到某一f 临界值d 。，此时火焰会突 然熄灭。d 。为我们提供了诸多化学的、物理的灭火策略和途径，包括增大火焰 拉伸率( 切。下降) ，冷却，降低反应物浓度，添加化学抑制剂( 增大t c h 。) 等。 基础研究表明，流场的特征是控制火焰熄灭的重要参数，火焰拉伸率的重 要性相继被研究：随着拉伸率的增加，t n 。下降，火焰变得虚弱，更易被添加 的试剂熄灭( 湍流火焰是有一系列不同的火焰拉伸率) 。为检测不同灭火剂的灭 火效果，人们设计了几种不同的实验方案包括燃烧杯，对撞射流等。 第三章传统灭火剂抑制熄灭火焰有效性的模拟实验 早在上世纪5 0 年代( b u r d o n ，m c 等1 9 5 5 ，s c m c n o v ，n n ，1 9 5 8 ) 就已对 哈龙系列灭火剂灭火原理有了普遍的认识，传统哈龙系列化学灭火剂灭火机理 一般可以描述为【3 3 1 ： h + r x j h x + r l( 1 ) h + h x h 2 + xj 与支链反应过程i q + 0 2j o h + o ( 2 ) 之间的竞争。上式中x 代表c l 、b r 、i 元素。灭火剂的反应过程破坏( 剥夺) 了燃烧过程支链反应的活跃自由基( 例如h ) ，导致燃烧反应过程的终止，从而 达到灭火效果。同时，哈龙分子受热分解会产生氟、氯、溴原子。它分解出的 氯原子会与臭氧发生反应，将其分解成氧气和一氧化氯。一氧化氯随后又与游 离氧发生反应生成氯原子，开始下一个循环。这种循环会一遍又一遍地进行下 去，从而使每一个氯原子可以破坏成千上万个臭氧分子。所以，哈龙灭火剂在 扑灭火灾的同时，也破坏了臭氧层，造成严重的环境污染。 根据h a m i n s 等人的研究，对障碍物稳定的火焰，使用哈龙1 3 0 1 灭火有两 个重要参数，即：灭火剂进入回流区后特征特征混合时间t 。，注入一段时间后 灭火剂灭的浓度z 。并推导出临界灭火剂浓度与灭火剂施加时间之间的关系， 在数学表达式中，特征混合时间作为一个参数，来拟合实验数据。 3 3 实验现象与结果 3 3 1 实验装鼍 关于整个实验装置，在上一章中已有详细地描述。不同之处在于灭火剂施 加弯管，该弯管通过软管和减压阀连接到哈龙1 2 1 i 储存罐，罐内充满时的压力 为1 4 m p ( 如图3 2 ) 。由于实验条件的限制，1 2 1 l 的浓度不能测出，类似的1 3 0 1 的实验数据可参考文献3 4 。” 图3 1 实验装置简明示意图 1 4 第三章传统灭火剂抑制熄灭火焰有效性的模拟实验 在火焰区沿着风洞的轴向布置了6 个热电偶，展向方向布置了4 个热电偶， 并给各个热电偶编号，在沿空气来流方向( 风洞轴向) 依次编号为1 号、2 号 6 号。其中第一个热电偶位于凸台后2 厘米处，其它热电偶依次间隔2 5 厘米。 热电偶的底端距离凸台平面的垂直距离为2 厘米。 实验中燃料是酒精，燃烧池为直径1 0 厘米的圆盘。 3 3 2 现象描述 图3 2 实验装置原理图 空气和燃料的流动影响着火焰的长度和外观。在空气速度比较低的情况下 ( 小于2 米秒) ，火焰面比较光滑，火焰也比较长，并且火焰的根部远离凸台 ( 图3 3 ) 。随着空气来流速度的增大，火焰根部逐渐向凸台侧壁靠拢，并粘附 在凸台的侧壁上( 图3 4 ) ，此时火焰的颜色为明亮的黄色。灭火剂施加以后， 火焰长度陡然变长，并开始大幅度地波动，火焰与凸台的粘接处，时即时离， 若即若离，并伴随着涡的不断生成与湮灭( 图3 5 ) ，火焰的颜色也变成了桔红色。 由于灭火剂1 2 11 的施加，实验房间中弥漫着刺鼻的气味。约2 秒钟以后( 由于 不能判断何时灭火剂到达燃烧区，时间起始点从看到火焰明显变化开始) ，火 焰面变得更加薄，与凸台的连接显得很“无力”( 图3 6 ，图3 7 ) ，直至突然 熄灭( 图3 8 ) 。整个过程的几次平均时间均小于1 0 秒。 、 、， 第三章传统灭火剂抑制熄灭火焰有效性的模拟实验 图3 , 5 灭火剂施加后某一瞬间火焰形状 6 、 第三章传统灭火剂抑制熄灭火焰有效性的模拟实验 图3 8 即将熄灭的火焰 1 7 t i 0 一 苎三翌堡堡丕坐型塑型塑丕盔丝查塾丝堕垡型塞堕 3 3 3 温度描述 图3 9 为热电偶采集到的温度曲线。图中纵坐标是温度，横坐标为时间。 口。 8 00 70 0 8 00 一 旦5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 00 1o o 0 0 10203 040508 07 08 0 时间( 秒) 图3 9 施加哈龙灭火剂1 2 1 1 后，火焰区的温度响应曲线 从上图可以看出，在时间段1 1 秒一1 6 秒，6 个热电偶的温度值全部迅速下 降，火焰被立即熄灭。这一点与细水雾施加时有显著地不同，后面地章节中有 专门分析。 3 4 小结 从实验中可以看出，传统灭火剂( 1 2 1 1 ) 即使在火焰受到障碍物稳定，火 焰难以熄灭时，灭火剂仍可伴随空气，到达到火焰的“根”部( 即障碍物后的 一小段区域内) ，并将火焰的“根”破坏，表现出“高效”的特性。但是该物质 对环境的破坏以及具有令人窒息的、强烈的刺激性气味，使其显得美中不足。 实验中还发现，对某一固定的灭火剂释放率，在来流空气速度较高的情况下， 不能熄灭火焰；随着来流空气速度的降低( t c 增加，x 。增加) 可以熄灭火焰。 由于哈龙灭火剂具有高效的灭火性能 龙灭火剂的改善产品一七氟丙烷( 气味小 场上出现。 所以有存在的理由和可能。作为哈 对臭氧层没有破坏作用) 已经在市 t 笙堕童塑查墨塑型堕曼塑整塞坐堕查鏊堡盟堡型窭垦一 第四章细水雾抑制障碍物稳定火焰有效性 的模拟实验 4 1 引言 在第一版n f p a 7 5 0 ( 1 9 9 6 ) 中，细水雾的定义为：水雾中质量超过9 9 的粒 子直径小于1 毫米( 表示为d v o 1 ，0 0 0 微米) 。粒径分布是在距离喷嘴下方1 米处粒子最“粗”( c o a r s e s tp a r t ) 的地方测量。由于制造商发现设计的喷头经 常不符合这个标准，在最新2 0 0 0 版中作了修正：即用多点测量的加权平均值。 这就是目前所用的细水雾的定义。 从细水雾灭火重新受到重视以来，又有1 0 年过去了。在9 0 年代早期，作为 哈龙系列灭火剂的潜在的、有前景的替代产品，细水雾灭火得到了广泛地研究。 2 0 0 0 年以后，关于细水雾灭火领域的发表的论文，较之鼎盛时期的9 4 - - 9 8 年， 有所减少，而有关细水雾灭火的系统却越来越多的在市场中出现【j ”。这或许标志 着细水雾灭火技术正在日益成熟，并逐步商品化。在这些文献中【j “，细水雾的灭 火机理通过不同的实验装置、从不同的角度得到阐述。 通过第一章引言部分的文献分析，本人对细水雾灭火作一下总结。影响细水 雾灭火的因素很多： 雾特性方面：雾滴的大小、速度、雾通量等。 燃料方面：燃料的种类、燃料的聚集态( 固、液、气) 、燃料与氧化剂的 混合情况( 预混或扩散火焰) 等。 燃烧场( 流场) 方面：火焰的强度( 功率) ，火焰的大小、速度( 决定层 流和湍流) 等。 环境方面：空间是开放的还是封闭的，环境中可燃物的放置位置、灭火 路径上有无障碍物等。 其他方面：细水雾喷头的安装位置、安装角度等。 可以看到影响细水雾灭火的因素很多，而控制这些参数的方程组则是非线性、非 叠加的，要找到一个通用的理论或是系统设计原则很困难。这就决定了： 看似类似的条件可能得到的结论不同，不同人的实验结果不尽一致。有 的实验可以熄灭火焰，有的则是抑制火焰的燃烧或传播。有的情况下可 以抑制或熄灭火焰，而有的情况下却强化了火焰的燃烧。 关于细水雾的灭火机理是有条件的。不同的实验条件导致火焰抑制或熄 灭的机制不同。一般来说，对于大火，氧气稀释的作用强些：对于小火 蒸发制冷的热效应强一些。但不能说某一种灭火机制是“放之四海皆准” ，、h 笙婴童塑查墨塑型堕堡塑整塞查堕宣整丝箜堡型壅堕 的普适公式。 关于细水雾与复杂火焰场相互作用的机理研究很少见诸报道。对于细水 雾的机理研究则集中在理想状况下( 层流、小火焰、对称等) ，流场相对 简单。这些情况下得到的结论能否推广到真实的火灾现场( 一般很复杂) 尚不得而知。 此外，文献中也没有提及小火焰与细水雾相互作用时，细水雾携带的动量产 生吹脱作用的影响。 由于缺乏通用的理论与设计原则，细水雾灭火系统在真实火灾现场中的表现 就难以预测。而对每个可能的火灾场景进行全尺度实验既十分昂贵又不太可能。 本文作者认为以下两种手段在今后解决细水雾灭火的实际工程问题时或许会有 所帮助： ( 1 ) 尺度模拟吲( s c a l em o d e l i n g ) 。 通过对细水雾灭火过程中控制方程的分析，将方程无量纲化后可得到一 系列的无量纲参数。这些参数很多( 可多达3 0 个) ，从其中找出一些关键的 无量纲参数( 也许会挂一漏万，甚至导致面目全非) ，研究这些参数之间的 关系，可得出一些定性的分析。目前已经有人开展了这方面的工作，并取得 一定的成功。 ( 2 ) 数值模拟 数值模拟实验改变参数相对容易，一旦程序开发成功则可一劳永逸( 不同 情况下只需要重新划分网格和改变边值条件与初值条件) 。这一点是全尺度 实验与模拟实验无法比拟