（工程热物理专业论文）细水雾抑制熄灭固体火焰的模拟实验研究.pdf

摘要 现代社会的发展与科学技术的进步， 对抑制火灾的方法提出更高的要求， 快速响应，灭火有效，对环境和逃生人员安全，对扑救和防护对象无破 坏作用。 抑制火灾的传统物理方法己 无法更好地满足这些要求，传统的化学 方法对人员有极大的窒息作用，而至今仍广泛应用的卤代烷系列则严重破坏 大气臭氧层， 联合国环境保护公约一加拿大蒙特利尔公约 ( 1 9 8 7 年) 明 确对 各国提出具体目 标，要求在二十一世纪初叶取代卤代烷系列。细水雾灭火技 术以其无环境污染( 不会损耗臭氧层或产生温室效应) 、 灭火迅速、 耗水量低、 对防护对象破坏性小等特点展示出广阔的应用前景，目前已成为国际火灾科 学前沿研究热点之一。通过细水雾与扩散火焰的模拟实验研究细水雾灭火的 机理及有效性，发展相应的理论模型，具有重要的学术意义和经济、社会 效益 本文首先探讨了细水雾的定义、产生机理及特征参数的表征，同时具体 讨论了单个雾滴运动和蒸发的物理过程，应用流场诊断的激光多谱勒相位差 方法和粒子动态显示技术，设计合理的 l d v / a p v系统硬件布局参数及实验 控制参数，研究了细水雾被冷态射流卷吸的雾场结构以及雾场速度、粒径及 雾通量等特性参数，为进一步的热态实验以及数值模拟提供了条件。 其次建立小尺度的实验模型，进行细水雾与固体 ( p m m a 和松木) 扩散火 焰相互作用的研究，揭示出燃料特性、细水雾施加流量和细水雾喷嘴作用距 离对灭火有效性的影响，定性给出细水雾抑制、熄灭固体火焰的基本实验规 律，推导出细水雾的表面冷却模型。建立细水雾灭火实体模拟系统，利用热 像仪、热电偶、摄像机以及热辐射通量计等仪器研究细水雾抑制熄灭木垛火 的动力学过程，测量在细水雾作用下，木垛试样燃烧过程中火焰温度、火焰 辐射通量、熄灭时间和细水雾施加流量的动态变化，揭示出不同细水雾作用 高度、供水流量和火源功率与灭火有效性的关系，进一步探索细水雾熄灭固 体火焰的机理。 最后，在大量实验基础上提出受限空间中细水雾与固体火焰相互作用的 准稳态能量守衡模型， 简单合理， 计算量小， 较好地预测了空间的稳态温度、 稳态氧气浓度和临界火焰尺寸，为扩展细水雾灭火系统的工程应用提供了条 件。 乙 _研 究 结 果 表 明 : 细 水 雾 与 射 流 的 卷 吸 过 程 中 ， 射 流 与 周 围 细 水 雾 存 在 速 度差，在流体粘性作用将形成动量和能量的交换， 从而带动和卷吸周围的 细 水雾进入射流。细水雾与固体扩散火焰相互作用过程中，主要通过冷却燃料 和氧化剂、汽化隔氧和稀释氧气浓度以及衰减热辐射降低热反馈等效应，降 低化学反应速率及火焰的传播速率，达到控制和扑灭火灾的目 的，其中燃料 特性、细水雾施加流量、喷嘴作用距离以 及火源功率等因素对细水雾灭火有 效性有着不同程度的影响，在具体应用细水雾灭火技术时， 应综合考虑.上 述研究加深了对细水雾灭火机理的认识，有利于细水雾灭火技术的发展和进 一 步 应 用 。丫 少 关键词: 细水雾，卷吸 寸 固体扩散火焰 口m t 模拟研究 甲 灭 绍效 性 ab s t r a c t 、 卜 a s d e v e l o p m e n t o f m o d e r n s o c i e t y a n d a d v a n c e o f s c i e n c e t r a d i t i o n a l c h e m i c a l a g e n t s t o s u p r e s s f i r e h a v e b a d a s p h y x i a t i o n a n d t o x i c i t y t o p e r s o n . u p t o n o w s t i l l w i d e l y a p p l i e d h a l o n f i r e s u p p r e s s a n t s b r e a k t h e o z o n e l a y e r o f t h e a t m o s p h e r e s e r i o u s l y , t h e mo n t r e a l p r o t o c o l w a s i n t r o d u c e d i n 1 9 8 7 a n d p u t f o r w a r d c l e a r a n d d e f i n i t e t a r g e t -h a l o n f i r e s u p p r e s s a n t s w i l l b e r e p l a c e d b y t h e b e g i n n i n g o f 2 1 c e n t u r y . w a t e r m i s t f i r e s u p p r e s s i o n s y s t e m s a r e t a k e n a s o n e o f t h e e ff e c t i v e c a n d id a t e s f o r h a l o n r e p l a c e m e n t , i t s h o w s b r o a d a p p l i c a t i o n s 场i t s a d v a n t a g e s : h a v e n o p o l l u t i o n t o e n v ir o n m e n t ( n o t d e s t r o y t h e o z o n e l a y e r o r b r i n g g r e e n h o u s e e ff e c t ) , e x t i n g u i s h fi r e q u i c k l y , c o n s u m e a s m a l l q u a n t i t y o f w a t e r a n d h a v e a l i tt l e d a m a g e t o p r o t e c t e d o b j e c t s . w a t e r m i s t fi r e s u p p r e s s i o n s y s t e m s h a v e b e e n r e c e iv e d c o n s i d e r a b l e a tt e n t i o n s a m o n g i n t e r n a t i o n a l f i r e s c i e n c e r e s e a r c h . f o r t h i s r e a s o n , t h e m e c h a n i s m s a n d e ff e c t iv e n e s s o f w a t e r m i s t f i r e s u p p r e s s i o n h a v e b e e n s t u d i e d b y t h e i n t e r a c t i o n o f w a t e r m i s t w i t h d i f f u s i o n fl a m e , w h i c h w i l l d e v e l o p t h e w a t e r m i s t f i r e s u p p r e s s i o n s y s t e m s , a n d i m p r o v e t h e f i r e s u p p r e s i o n a n d c o n t r o l e f fi c i e n c y , a n d e x t e n d t h e i r a p p l i c a t i o n . 节 f i r s t l y , i n o r d e r t o u n d e r s t a n d w a t e r m i s t , d e f i n i t i o n a n d p r o d u c t i o n a s w e l l a s p r o p e rt i e s o f w a t e r m i s t h a v e b e e n d i s c u s s e d . t h e p a r a m e t e r s o f h a r d w a r e l a y o u t a n d e x p e r i m e n t a l c o n t r o l o f l d v i a p v s y s t e m w e r e c a r e f u l l y d e s i g n e d , a n d t h e w a t e r m i s t e n t r a i n m e n t f i e l d c h a r a c t e r i s t i c s s u c h a s v e l o c i ty , d r o p d i a m e t e r a n d c o n c e n t r a t i o n w e r e s t u d i e d , w h i c h p r o v i d e d t h e b a s i s f o r f u r th e r e x p e r i m e n t s a n d n u m e r a l s i m u l a t i o n . s e c o n d l y , w i t h s m a l l - s c a l e e x p e r i m e n t s , t h e i n t e r a c t i o n o f w a t e r m i s t w i t h s o l i d ( p mma a n d p i n e w o o d ) d i ff u s i o n fl a m e w a s m e a s u r e d . i t i s f o u n d t h a t f u e l c h a r a c t e r i s t i c , w a t e r m i s t fl u x a n d d i s t a n c e a w a y f r o m s p r a y h a v e s i g n i f i c a n t l y a ff e c t e d t h e w a t e r mi s t s u p p r e s s i o n c a p a b i l i t y . b a s e d u p o n t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t , a s i m p l i f i e d m o d e l i s u s e d d i s c u s s s u p p r e s s i o n u s i n g w a t e r m i s t o n c o n d e n s e d - p h a s e f u e l s . i n c o n t r a s t , t h e i n t e r a c t i o n o f w a t e r mi s t w i t h w o o d c r i b f i r e w a s s t u d i e d w it h f u l l - s c a l e e x p e r i m e n t s . t h e t e m p e r a t u r e o f fl a m e a r e a w a s m e a s u r e d b y t h e r m o c o u p l e s a n d t h e r a d i a n t h e a t fl u x w a s o b t a i n e d b y a t h e r m o g a g e b e f o r e a n d a ft e r a p p l i c a t i o n o f w a t e r m i s t . t h e r m o g r a p h y w as u s e d t o v i s u a l i z e t h e t h e r m a l f i e l d o f t h e fl a m e . b y t e m p e r a t u r e a n d t h e r m o g r a p h y , t h e e x t i n g u i s h m e n t t i m e o f w o o d c r ib f i r e w a s o b t a in e d . t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w t h a t f i r e s i z e , w a t e r m i s t fl u x a n d d i s t a n c e a w a y fr o m s p r a y h a v e s i g n i f i c a n t l y a ff e c t e d t h e w a t e r m i s t s u p p r e s s i o n c a p a b i l i t y . l as t l y , a q u as i - s t e a d y - s t a t e m o d e l w as d e v e l o p e d t o p re d i c t t h e e ff e c t i v e n e s s o f a w a t e r mi s t s y s t e m f o r e x t i n g u i s h i n g s o l id f ir e s b as e d u p o n a l o t o f e x p e r i m e n t s . t h e m o d e l i s b a s e d o n c o n s e r v a t i o n o f e n e r g y a n d r e q u i r e s t h e f o l l o w i n g i n p u t p a r a m e t e r s : f i r e s i z e , c o m p a r t m e n t g e o m e t ry , v e n t a r e a , a n d w a t e r fl o w r a t e . t h e m o d e l w a s s i m p l e a n d r e a s o n a b l e , w i t h l i tt l e c a l c u l a t i o n . t h e p r e d i c t i o n s m a d e b y t h e m o d e l c o m p a r e d f a v o r a b l y t o t h e r e s u l t s o f t e s t s . t h e m o d e l w a s a b l e t o a c c u r a t e l y p r e d i c t t h e c o m p a r t m e n t t e m p e r a t u r e s d u r i n g t h e t e s t s w h e r e s t e a d y - s t a t e c o n d it i o n s w e r e p r o d u c e d a n d t h e e x t i n g u i s h m e n t t i m e s f o r a w i d e r a n g e o f f ir e s i z e s . a t t h e s a m e t i m e , t h e t e m p e r a t u r e a n d o x y g e n c o n c e n t r a t i o n s p r e d i c t e d b y t h e m o d e l c a n b e u s e d t o d e t e r m i n e t h e s m a l l e s t f i r e t h a t c a n b e e x t i n g u i s h e d . t h e s e r e s e a r c h s w i l l p r o v i d e g o o d c o n d i t i o n s f o r e x p a n d i n g e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n o f w a t e r m i s t f i r e s u p p r e s s i o n s y s t e m . t h e r e s u l t s o f t h e s e s t u d i e s s h o w s : b e c a u s e o f t h e v e l o c i t y d i ff e r e n c e b e t w e e n j e t a n d a m b i e n t w a t e r m i s t d u r i n g e n t r a i n m e n t p r o c e s s . mo m e n t u m a n d e n e r g y w a s e x c h a n g e d b e t w e e n j e t a n d i n d u c e d w a t e r m i s t d u e t o fl o w v i s c o s i t y , s o t h e a m b i e n t w a t e r m i s t w as e n t r a i n e d i n t o j e t f i e l d . i n t h e c o u r s e o f t h e i n t e r a c t i o n b e t w e e n w a t e r m i s t a n d s o l i d f i r e , w a t e r m i s t c o n t r o l l e d a n d s u p p r e s s e d t h e d i ff u s i o n fl a m e t h r o u g h e v a p o r a t i v e c o o l i n g , o x y g e n d i s p l a c e m e n t a n d h e a t r a d i a n t a t t e n u a t i o n . i n s o m e d e g r e e , f a c t o r s s u c h a s f u e l c h a r a c t e r i s t i c , w a t e r mi s t fl u x , a c t i o n d i s t a n c e o f w a t e r m i s t n o z z l e , a n d f i r e s i z e h a s a n e ff e c t o n e x t i n g u i s h i n g e ff e c t i v e n e s s o f w a t e r m i s t f i r e s u p p r e s s i o n s y s t e m s . s t u d i e s i n t h i s p a p e r a r e v a l u a b l e t o d e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n s o f w a t e r m i s t f i r e s u p p r e s s i o n t e c h n o l o g y . 几 夕 嘴 k e y w o r d s : wa t e r m i s t , e n t r a i n m e n t , s o l i d d i ff u s i o n fl a m e s i m u l a t i v e s t u d y , e x t i n g u i s h in g e ff e c t i v e n e s s 节 x扭 1 致谢 在本文即将完成之际，首先应感谢范维澄教授和廖光煊教授，他们在论 文过程中给予了启发性的指导，不断的关怀、支持与鼓励，他们严谨治学的 态度和开拓创新的精神使本人不仅在学术上，而且在生活中收益匪浅。 本文的完成还要感谢北京航空航天大学的陶智教授在我硕士期间的严格 要求和悉心指导，为我进一步从事科学研究工作打下了坚实的基础。 本文的完成还得到了其他许多老师和同学的大力帮助和支持，感谢王清 安教授、秦俊副教授、王喜世、朱雾平、陈晓军、黄平、 邓志华等老师为本 人提供了实验设备和许多有益的建议，感谢翁文国、崔正心、陈长坤、丛北 华、陆强等同学，与他们的交流和讨论给了本人很多启示和教益。特别感谢 厉培德老师为我论文的完成创造了良好的实验条件以及协助我完成大量的实 验工作。 借此机会要对我的父母表示深深的感谢，他们为我的成长含辛茹苦，他 们为我所付出的爱，将成为我终生的财富。 感谢我的岳父母，他们为了我的学业不辞辛苦，解决了我的许多后顾之 忧，使我能安心从事本文的工作。 深深感谢妻子黄云以及我的女儿。本文的完成得益于她们给予我的持续 不断的支持和鼓励。 本课题还得到了“ 2 1 1 工程” 建设项目( 1 0 3 - 1 0 1 ) .国家自 然科学基金项 目( 5 9 8 7 6 0 3 8 ) 和中 科院知识创新工程的资助， 在此表示衷心的感谢。 向所有支持本人完成学业的其他个人和单位致以诚挚的谢意! 刘江虹 2 0 0 1 年 1 1 月于科大 符号表 受限 空间 表面 积 ( m i ) 雾滴受摩擦力的面积 ( m 2 ) 通风口 面积 ( m i ) 质量传输数 无量纲质量浓度 无量纲温度 体积浓度 阻力系数 气体的比 热 ( j / k g / k ) 烟气的比热 ( j / k g / k ) 水的比热 ( j / k g / k ) 光学条纹间距 ( m ) 粒子直径 ( i m ) 扩散系数 雾滴直径 ( m ) 雾滴的初始直径 ( m ) 多谱勒频率 作用在雾滴上的力 ( n ) 频移 a气avbbo卜cq吼q叭乌气df玖dofo玛编 重力 加速度 ( m / s ) 传热系数 ( j / k / m / s ) 对流换热系 数 ( j / m k / s ) 通风口高度 ( m ) 燃烧热 ( j / k g ) 波数 壁面处气体的导热系数 ( j / s / m / k ) 水蒸汽的导热系数 ( j / s / m / k ) 水的 蒸发潜热 ( j / k g ) 汽化热 ( j / k g ) 离开喷嘴的距离 少 雾滴的行程 卜hhck从气l乌110 粒子相对折射率 质量流率 ( k g / s ) 燃料气化率 ( k g / s ) 施加的水流量 ( k g / s ) f切 ，mm n u s s e l t 数 压力 ( p a ) 水蒸汽的分压 ( p a ) p r a n d t l 数 热量 ( j / k g ) nuppvprq 体积流量 ( m / s ) q 外加辐射热 q b . . . d a ry q f ir e 通过边界损失的热量 火源的热释放速率 对流换热量 气体吸收的热量 水蒸气吸收的热量 通风口损失的热量 四 va 呵gash，ovent qq-qq q w 冷却率 q w - 1 细水雾吸收的热量 雾滴的半径 ( m ) r e y n o l d s 数 温度 ( k ) 雾滴的温度 ( k ) 平均火焰温度 ( k ) 气体的温度 ( k ) 雾滴内部温度 ( k ) 燃料表面温度 ( k ) 雾滴表面温度 ( k ) 远离雾滴的温度 ( k ) rret几毛几几毛几几 时间 ( s ) 受限空间体积 ( m ” ) 体积流量 ( m / s ) 相对于气体速度的雾滴总速度 ( m / s ) 相对于气体速度的雾滴水平速度 ( m / s ) 相对于气体速度的雾滴垂直速度 ( m / s ) x 方向雾滴的速度 ( m / s ) v叽从vvvx y 方向雾滴的速度 ( m / s ) z 方向 雾滴的 速度 ( m / s ) 离开 雾滴 表 面的 单 位 面 积 质 量率( k g / s / m 2 ) 质量浓度 ( k g / k g ) 雾滴内部的 质量浓度 ( k g / k g ) 远离雾滴的质量浓度 ( k g / k g ) 雾 滴 表 面的 质量 浓 度 ( k g / k g ) 细水雾的 密度 ( k g / m ) 从vzwy叽几yw 雾 滴 的 密 度 ( k g / m ) 气 体 的 密 度( k g / m ) 少 动力粘度 d口 ppp协 运动粘度 喷嘴的锥角 s t e f a n - b o l t z m a n常数 表面张力 冷却效率 火焰发射率 固体燃料表面发射率 第一幸 引 言博士学 位论文 第一章引 言 1 . 1研究背景 现代社会的发展与科学技术的进步，对抑制火灾的方法提出更高的要 求，即: 快速响应，灭火有效，对环境和逃生人员安全，对扑救和防护对象 无 破坏作用， 特别是能 迅速应 付 特殊火灾的 挑战【 1 1 。 抑制火灾的 传统 物 理方 法 ( 诸如水喷淋技术)己无法满足这些要求; 传统的化学方法 (诸如气体灭 火技术 ) 对人员有危害极大的窒息作用; 而至今仍广泛应用的卤代烷系列( 哈 龙1 3 0 1 , 1 2 1 1 等) 则严重破坏大气臭氧层， 联合国 环境保护公约 一加拿大蒙 特利尔公约 ( 1 9 8 7 年) 明确对各国 提出具体目 标， 要求在二十一世纪初叶取 代卤代烷系列。 我国政府己于1 9 8 9 年9 月加入了 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 伦敦修订案。 世界 上发达国家已于 1 9 9 4 年 1 月 1 日开始停止生产哈龙， 但我国仍是世界上生产 和消费哈龙的大国。据不完全统计，我国哈龙 1 2 1 1的平均年产量为 1 2 , 0 0 0 吨， 社会 保有量 大约在5 0 ,0 0 0 吨 左右肆 。 这些哈 龙灭火剂有8 5 % 以 上被充 装 于各种规格的手提式、简易式和推车式灭火器中，剩余部分被用于灭火器和 灭火系统的维修与再充装。因此，我国哈龙灭火剂替代工作的形势紧迫、任 务艰巨。寻求其替代产品的开发研究工作正在世界范围内积极开展， 如水喷 淋、c 0 2 、惰性气体及泡沫等技术的开发研究，但到目 前为止还未找到完全 合适的替代产品。细水雾灭火技术以其无环境污染 ( 不会损耗臭氧层或产生 温室效应) 、灭火迅速、 耗水量低、 对防护对象破坏性小等特点， 在喷水灭火 系统中占有重要的地位。 对于防治高技术领域和重大工业危险源的特殊火灾， 诸如计算机房火灾、航空与航天飞行器舱内火灾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，具有很大的经济效益和社会效益， 目 前己 成为国际火灾科学前沿研究热点之一。在气体灭火系统的发展受到诸 多客观因素制约的情况下，尤其是卤代烷系列灭火剂的禁用，充分挖掘细水 雾灭火技术的内在潜力，使之应用范围进一步扩大，具有十分重要意义。因 第一幸 引 言博士学 位论文 此， 通过模拟实验研究细水雾灭火的机理及其有效性， 必将为发展细水雾抑 制火灾的新理论、 新方法和新技术提供强有力的 依据， 从而为我国早日 实 现 卤代烷系列灭火剂的替代以及减少灾害损失和促进社会安定提供原理和技术 支持， 具有重要的学术意义和经济、 社会效益。 表1 . 1 给出卤 代烷灭火剂1 3 0 1 与部分替代物特性比较。 表 1 . 1 卤代烷1 3 0 1 与部分替代物特性比较 卤代烷 1 3 0 1n f p a 2 0 0 1 气体水喷淋细水雾 对环境影响 强烈破坏 臭氧层 部分破坏臭氧层 和地球温室效应 无无 对人体影响很小有无 也许 1 0 微米 以下液滴会有 酸性气体成分部分比 1 3 0 1 多无无 其它间接影响无无 水致灾害可能有水致灾害 系统动作时 的火灾尺度 小，j .相对大. j . 扑灭障碍物 火灾效果 极好极好 差好 适用范围有限发展中广阔发展中 费用可接受高于 1 3 0 1低于 1 3 0 1 介于水喷淋 与气体之间 夕 通常，人们将水雾最粗部分水微粒直径 d v 0 .9 9不大于 1 0 0 0 11 的水雾称 为细水雾， 可以 通过撞击、 气动、高压及超声波等多 种方法产生 3 。 细水雾 由于表面积相对较大， 吸收热量快， 汽化迅速， 体积扩大约1 6 0 0 倍，大量的 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，另外细水雾及其蒸汽会吸收部分热辐射，降低对燃料的热 回馈，减少其汽化蒸发，从而降低反应区的可燃气体积分量，以及可燃物表 面被细水雾润湿后难以 气化燃烧等，以上因素都会大大降低燃烧的化学反应 速率和火焰传播速率， 有利于控制火灾的发展， 甚至扑灭火灾 4 e 第一章 引 言 博士学位论文 由于火灾是包含化学反应、传热传质、多相流动的复杂现象，而且大部 分火灾是扩散燃烧过程，因此细水雾灭火技术的核心和技术基础是细水雾与 扩散火焰的相互作用。 研究细水雾与扩散火焰相互作用的机理及过程， 将会 深化对细水雾抑制熄灭火灾机理和过程的认识并有利于促进细水雾灭火技术 的发展。因此， 这是一项在学术上有重要意义并具有潜在经济效益与社会效 益的研究课题。 1 . 2前人工作 研究使用细水雾作为气相灭火剂的工作至少在四十多年前就己开展. 在 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。 r a s b a s h等进一步发展了在熄灭碳氢化合物油池火时细水雾滴 径分布和速度的关系 5 , 6 。六十年代和七十年代从实 验室到工业界广泛开展 了 应用研究o t a m a n i n i 等 ( 1 9 7 6 年) 进行了细水雾扑灭垂直木板的实验， 指 出木板质量损失速率和灭火时间随着细水雾流量成幂函数变化。七十年代末 美国 海军为舰艇动力机舱研制了固定式细水雾灭火系统 4 0 从 1 9 8 7 年蒙特利尔条约签定后，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。由于信息产业的全球化，互联网络 的国际化，计算机应用渗透到社会生活的各个领域，但计算机火灾对高技术 的进步却是灾难性的破坏。为了有效地实现对计算机火灾的安全防治，美国 火灾研究中心开展了应用细水雾抑制熄灭以计算机为核心的信息处理系统并 进行了 火灾模拟实验研究:实验考察由于细水雾的作用，信息处理系统在不 同工况条件下火焰熄灭的 动态过程及其影响因素。 a l e x a n d e r 等( 1 9 9 4 年) 利用 微阵列喷嘴进行了细水雾熄灭小尺度液态池火的实验研究，重点分析了雾滴 大小对细水雾灭火的影响，结果表明在一定的细水雾流量下，小喷嘴比大喷 嘴的灭火时间要短， 而在一定的工作压力下，大喷嘴比小喷嘴灭火更迅速。 d o w n i e等( 1 9 9 5年 ) 利 用陶瓷片天然气燃烧器， 观察和测量了 细水雾与火 焰 羽流相互作用的过程，由于细水雾的施加导致了火焰根部周围氧气浓度和辐 射强度的降低、一氧化碳浓度的增加。加州大学、马里兰大学等著名大学的 第一章 引 言博士学位论文 研究群体，围绕图书馆、 博物馆以 及古建筑火灾的安全防治， 进行了 一系列 细水雾灭火方法和有效性的研究，取得了一批有价值的研究成果。加拿大火 灾研究国 家实验室针对程控电 话房火灾制定了 水雾灭火技术的计划， 经过几 年的模拟研究，正在发展智能化早期探测一细水雾灭火集成系统. 美国、英 国等国以 大型核电 站火灾大型企业中央控制室的电 器火灾防治为背景， 进行 细水雾抑制熄灭火灾的模拟实验， 试图开发实用型工业火灾细水雾扑救系统。 此外，美、英、德、日、瑞典等国对航天航空飞行器舱内火灾、舰船机舱火 灾的安全防 护亦正 在开展细 水雾灭火技术的 研究 7 - 1 4 . k i m等 ( 1 9 %年， 1 9 9 7 年) 进行了 细水雾与液态汽油池火相互作用的实验， 揭示出小尺度液态 汽油池火的细水雾灭火机理是燃料表面的冷却从而造成燃料蒸发速率的抑 制，而不是火焰羽流的冷却，同时研究了 细水雾的喷射压力和喷嘴距离池火 表面的距离对灭火有效性的影响，指出了 细水雾灭火有效流量在灭火过程中 的关键作用n d u b i z u等( 1 9 9 8 ) 利用同向流动的w o l t h a n d - p a r k e r 燃烧器， 研 究了细水雾与气态扩散火焰相互作用过程，揭示了细水雾的潜热和稀氧在小 尺度气相火焰中的灭火作用，结果表明细水雾气相冷却作用大于氧气稀释作 用。 m o r i t a 等 ( 1 9 9 9 年) 进行了 细水雾与 液态庚烷池火相互作 用的 实 验， 重 点研究了细水雾的潜热和显热在灭火过程中的不同作用。 h i e t a n i e m i 等( 1 9 9 9 年)利用锥形量热仪研究了细水雾作用前后的固体材料 ( 包括尼龙、聚丙稀 以及两种工业化学制品) 燃烧特性和燃烧产物成分的变化，结果表明细水雾 对固 体 材料的 燃 烧 特 性以 及 燃 烧产 物 有明 显 的 影 响。 n d u b iz u 等( 2 0 0 0 年 ) 进 行了细水雾扑灭大尺度液态池火的实验研究， 实验过程中采用了直径为5 0 c m 的庚烷和j p 8 的池火作为火源，细水雾分别以不同的角度射向火焰，结果表 明细水雾从下往上比从上向下喷向火焰会大大增加细水雾的灭火效果，小滴 径的细水雾灭火效果更好，细水雾更易扑灭高沸点的燃料。 尽管近几年国际上细水雾灭火方法与 技术的 研究取得了新的 进展， 但由 于细水雾抑制熄灭火焰机理与传统的物理和化学灭火方法不同，而且物理机 制复杂，至今人们对它的认识并不完全清楚，仍处于探讨之中，如细水雾对 热辐射吸收的影响， 细水雾对火焰传播速度影响， 细水雾对爆炸的抑制作用， 细水雾对碳黑形成的影响等等 1 5 - 4 1 。 细水雾与火焰相互作用的机理研究， 夕 第一章 引 言 博士学位论文 却依然相对薄弱。从前人的研究可以发现大部分研究都是针对细水雾与液体 或气体扩散火焰相互作用的机理， 极少是以固体燃料作为研究对象的， 尤其 是研究固体燃料特性、成分以 及细水雾施加流量、喷嘴工作距离对细水雾灭 火有效性的影响。而在火灾燃烧中， 存在着大量的可燃固体如建筑物中的 构 件和材料、某些工厂的原材料及室内 物品等，它们大多是由 人工聚合物和木 材制成或构成的。实际上液体燃料和固体燃料的燃烧特性完全不同，液体可 燃物燃烧之前，先蒸发， 其后是可燃物蒸汽的扩散，并与空气掺混形成可燃 混合气，着火燃烧后在空间某处形成预混火焰或扩散火焰，因此火焰并不紧 贴在液面上，而是在空间的某个位置。 可燃固体的燃烧过程大体为: 在一定 的外部热量作用下，物质发生热解、气化反应， 释放出可燃气体，生成固定 碳，首先形成气相火焰，随着燃烧过程的 进行，固定碳也开始燃烧;有一些 可燃固体受热后，先液化、再蒸发，燃烧特性类似液体可燃物的燃烧， 且这 些固体的分子量较大，总会或多或少的产生固定碳，故也存在固定碳的燃烧 阶段。 固体火焰是全方位的、 深度的， 而液体燃料总是位于水平自由 表面上， 且火焰通常是水平方向传播的。在固体燃料和液体燃料燃烧过程中，最主要 的区别是不仅固体燃料的表面温度比液体的高很多，而且它气化所需的外加 热量也比液体多，可以看出固体可燃物的燃烧特性较液体或气体燃烧特性更 为复杂，因此，仅仅利用细水雾扑灭液体或气体火焰的机理来推论出细水雾 扑灭固体火焰的机理是不够科学的，必须具体开展细水雾抑制、熄灭固体火 焰的研究。 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:重视新技术开发的同时，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。 尽管近几年国际上关于细水雾灭火技术的研究进展较快， 但国内 在这方 面的研究工作却起步相对较晚 4 5 ,4 6 ， 公安部天津消防科学研究所等正在着 手开发细水雾灭火系统， 他们自 行研制了气水同管高压两相流细水雾灭火系 第一章 引 言博士学位论文 统， 在7 x 7 x 3 . 5 m的燃烧实验室中央放置3 2 0 k v a油浸式电力变压器， 开展 了 细水雾扑灭变压器火灾的实体灭火实验，实验中 采用的 燃料分别为变压器 油、柴油和汽油，实验表明细水雾灭火迅速、良 好;中国 科学技术大学火灾 科学国家重点实验室则针对细水雾的 特性及其抑制熄灭液体火灾的机理开展 了 基础研究工作，利用三维l d a / a p v系统研究了 细水雾雾场的速度、 粒径 及浓度等特性参数，利用锥型量热计系统研究了液体可燃材料试样的热释放 速率、燃烧产物成分和烟气温度等燃烧特性参数在细水雾作用前后的变化， 使用热像仪系统、热电偶、 摄像机以 及热辐射通量计等仪器研究了 细水雾与 液体扩散火焰相互作用前后火焰结构的变化规律。考虑了 液体燃料特性、外 加热辐射源、通风、细水雾喷入角度、体积通量、障碍物以 及扰动等因素的 影响， 探索细水雾抑制熄灭或强化火灾的 机理和规律t 5 5 - 6 8 1 . 夕 1 . 3本文研究目标 围绕细水雾与扩散火焰相互作用这一国际火灾科学前沿的重要研究课 题，应用先进的实验诊断仪器，定量深化认识细水雾抑制熄灭固体火灾的机 理与规律，确定最佳水雾特性、灭火机理以及细水雾应用的有效性，发展相 应的理论模型，为发展我国细水雾灭火高新技术提供科学原理和方法。 1 . 4本文研究内容及技术路线 通过资料的调研，建立表征细水雾特性的新概念，对雾动力学和灭火有 关的雾滴特性进行一定的理论研究。应用流场诊断的激光多普勒相位差方法 和粒子动态显示技术研究细水雾被冷态射流卷吸的雾场结构及雾场特性参 数。建立小尺度的实验模型本体， 作为释热速率大型测试系统的实验段，并 将二者有机结合进行细水雾与固体火焰相互作用的研究，实验用可燃固体试 样选择不同尺寸的典型高聚合物材料和松木，针对实验的不同工况条件，测 量在细水雾作用下， 可燃固体试样燃烧过程中熄灭时间、 细水雾的施加流量、 的动态变化，定量给出细水雾抑制、熄灭火焰的基本实验规律，推导出细水 雾的表面冷却模型。建立细水雾灭火实体模拟系统，研究细水雾抑制熄灭木 第一 章 引 言 博士学位论文 垛火的动力学过程， 测量在细水雾作用下，木垛试样燃烧过程中火焰温度、 火焰辐射通量、熄灭时间、细水雾的施加流量以 及火焰结构的动态变化，揭 示不同细水雾作用高度、供水流量、火源功率与灭火有效性的关系。在大量 实验基础上提出 受限空间中细水雾与固体火焰相互作用的准稳态能量守衡模 型，简单合理，计算量小，较好地预测了空间的稳态温度、稳态氧气浓度和 临界火焰尺寸，为扩展细水雾灭火系统的工程应用提供了条件。 第二章 细水雾的定义及其相关 特性分析 博士学位论文 第二章细水雾的特性表征及其相关分析 2 . 1细水雾的定义 所谓的“ 细水雾” ， 在英 文里主 要有w a t e r m i s t , w a t e r f o g , f i n e w a t e r s p r a y 几个词， w a t e r m i s t 在文献中使用最多。 细水雾在消防方面的应用始于二十世 纪四十年代， 当时主要用于特殊的场所， 如运输工具等。 现在由于环保问题， 卤代烷灭火剂被逐步淘汰，而细水雾作为灭火剂对于环境的潜在优势使其应 用范围在不断的拓展，细水雾灭火系统用于居住建筑、可燃性液体储存设施 及电器设备方面的研究，己经取得了令人鼓舞的成果。 1 9 9 3 年，来自 工程界和科研部门、 细水雾系统的制造商、保险公司、 行 政管理部门和工业用户的代表，组成了美国消防联合会细水雾灭火系统技术 委员会 ( n f p a t e c h n i c a l c o m m i t t e e o n w a t e r m i s t f i r e s u p p r e s s io n s y s t e m s ) , 该委员会开始编制用于规范细水雾技术的n f p a标准， 作为设计和安装的依 据。 1 9 9 6 年，在美国的马萨诸塞州波士顿市每年5 月2 0 - 2 3日的年会上，细 水雾灭火系统技术委员会提交了 细水雾规范 ( n f p a 7 5 0 , s t a n d a r d o n w a t e r m is t f i r e p r o t e c t io n s y s t e m s ) ， 并 获 得了 美国 消防 联 合 会的 批 准。 该 规范由 国 家标准协会于同年的7 月1 8日 颁布，生效日 期为8 月9 日，同年的7 月2 6 日，9 6 版n f p a 7 5 0 被批准为美国国家规范。 “ 细水雾” ( w a t e r m i s t ) 是相对于 “ 水喷雾” ( w a t e r s p r a y ) 的概念， 所谓的 细水雾， 是通过高压、 气动、 撞击及超声波等方法产生