含NaCl添加剂细水雾特性的实验测试研究

1、含NaCl添加剂细水雾特性的实验测试研究    关键词:细水雾 添加剂 实验 细水雾雾场结构的特性主要包括:雾滴的尺寸分布、速度、雾通量、锥角等。细水雾雾滴的物理特性、几何尺寸等都对灭火效果产生影响,细水雾中加入添加剂后,细水雾雾场的冷态特性会发生一定的变化,这些变化会对细水雾的灭火效果产生一定的影响。采用LDV/APV系统对含氯化钠的细水雾的雾场冷态特性、雾滴的大小及其分布、雾滴的速度进行实验测试,研究加入氯化钠添加剂后对细水雾雾滴的冷态物理特性的影响,为热态灭火有效性实验时,研究细水雾中加入添加剂后对于灭火效果的影响奠定基础。 1 细水雾发生装置 细

2、水雾发生装置包括:高压空气瓶、储水罐(直径17cm,高47cm)、小型喷头以及软管。装置示意图如图1所示。 实验时所需的压力由高压空气瓶提供,由减压阀控制;氯化钠溶液预先配制后加入储水罐中,就可以由喷头得到含不同浓度氯化钠添加剂的细水雾。 2 细水雾雾场特性实验测试装置 实验中采用LDV/APV系统对细水雾雾场的冷态特性进行实验测试。三维LDV/APV系统的典型装置如图3所示,由氩离子激光光源、光纤传输光路、接收光路、信号处理器、以计算机为中心的测控与流场测试数据分析系统和智能化三维坐标架位移机构等六部分组成。 激光多普勒测速技术即指以激光作为光源,应用多普勒效应测量流体流动速度的一种实验测试

3、技术,基于该技术的测量仪器通常被称为激光多普勒测速仪(Laser Doppler Velocimeter,LDV),又称为激光多普勒风速计(Laser Doppler Anemometer,LDA)。自适应相位多普勒测速仪(Adaptive Phase Velocimeter,APV)系统基于多普勒频移和多普勒相位差原理,可以自适应地进行微粒的大小及速度测量。光路设计和测量工作则由实验室老师协助完成。 实验测量中选择了在距离雾滴出口40厘米的水平平面作为测量平面,这个位置也是细水雾与火焰基部相互作用的位置;水压为0.7MPa。之所以选择这种距离及水压,是因为通过查阅前人的研究资料发现,热态灭火

4、实验时在喷头距离油盘上表面40cm,水压为0.7MPa时,灭火效果比较理想,可以看出含不同浓度氯化钠时细水雾灭火效果的差异,研究这种工况下的雾场冷态特性,才能够比较清晰的看出添加剂对雾场冷态特性的影响,进而研究对细水雾灭火效果的影响。 测量中以喷头的垂直中心轴线为基准,向外每隔5mm选择一个测量点,直至距离中心轴线100mm为止。对含氯化钠浓度为0%、5%、10%、15%四种情况进行测量比较。之所以选择这四种浓度,也是因为通过查阅前人的研究资料发现,热态灭火实验时,氯化钠浓度为5%,细水雾的灭火效果比较明显;氯化钠浓度增加到10%,细水雾对火焰的抑制作用反而有所下降;而氯化钠浓度超过15%后,

5、溶液中就会出现沉淀,氯化钠难以全部溶解。因此,为了使实验结果能够有效地反映细水雾中加入氯化钠添加剂后雾场冷态特性的变化情况,本实验中的氯化钠浓度起始点从0%开始,每隔5%选取一个实验点,而最高点设定为15%。 3 实验数据记录及分析 3.1 雾场粒径尺寸分布 图4描述了对于氯化钠浓度分别为0%、5%、10%、15%的细水雾雾场,从喷头的中心轴线处到距离中心轴线100mm处,雾滴粒径的分布情况。这里的平均粒径采用体面积平均,即Sauter平均粒径(SMD),用(单位m)表示。 从图4可以看出,随着氯化钠浓度的提高,细水雾雾滴总的来说也在增大。而雾滴的增大,使得雾滴的动量增大,从而使雾滴更容易穿透

6、上升的火羽流到达火焰基部,更能有效的发挥雾滴的物理冷却作用,从而提高细水雾的灭火效果。同时,雾滴的增大还有利于氯化钠化学灭火作用的发挥,这是因为,如果雾滴的动量不够大,不足以穿透上升的火羽流到达火焰基部,雾滴就会被上升的火羽流偏移,氯化钠的化学灭火作用就基本上得不到发挥,从而无法提高细水雾的灭火效果。 3.2 雾滴三维速度分布 图5、6、7分别描述了对于氯化钠浓度为0%、5%、10%和15%的细水雾雾场,从喷头的中心轴线处到距离中心轴线100mm处,雾滴x、y和z方向上速度的分布情况。 从图6可以看出,随着氯化钠浓度的增加,雾滴y方向的速度基本上是逐渐增大的,这和粒径的增大一样有利于雾滴动量的

7、增大,有利于雾滴穿透上升的火羽流到达火焰基部,更有效的发挥雾滴的物理冷却作用和氯化钠的化学灭火作用,提高细水雾的灭火效果。 从图5和图7中可以看处,加入氯化钠后,x方向和z方向的速度反而有所降低。这是因为雾滴中氯化钠的存在,使得雾滴滴径增大,质量也增大,而雾滴从喷头喷出时离心力是一定的,所以雾滴x和z方向上的速度就会降低。 总之,加入氯化钠添加剂后,雾场的速度分布有所改变,y方向上的速度增大,x和z方向上的速度减小。虽然总速度量没有多大变化,但是速度分量却发生了较大的变化,造成水滴的方向也相应地产生了变化。氯化钠添加剂对于细水雾雾场速度分布的影响是否会改变细水雾的灭火效果,将取决于火灾的具体形

8、式。        4 结论 通过含添加剂细水雾雾场的冷态特性实验研究发现,细水雾中加入氯化钠添加剂后,对雾场的尺寸分布及速度分布都产生了很大影响。随着氯化钠浓度的提高,细水雾雾滴总的来说也在增大,而雾滴的增大,使得雾滴的动量相应增大,从而使雾滴更容易穿透上升的火羽流到达火焰基部,更能有效的发挥雾滴的物理冷却作用和化学灭火作用,所以添加剂对雾场尺寸分布的作用直接影响了细水雾的灭火效果。 添加剂对雾场速度分布的影响是既有增大、又有减小,即加入添加剂后雾滴y方向上的速度增大,x和z方向上的速度减小,总体速度没有多大变化,但水滴方向发生了变化。添加剂对雾场速度分布的影响是否会改变细水雾的灭火性能,将根据火灾的具体形式来决定。 实验中还发现,距离中心轴线越远,测量细水雾雾滴粒径和速度得到的实验数据越不稳定。这是因为距离中心轴线越远,细水雾雾滴受外界因素的干扰就越大,如周围环境中空气的流动就会造成雾滴速度的变化,所以实验时选择距离中心轴线较近的雾滴来研究细水雾的雾特性更有意义。 参考文献: 1姚斌,秦俊,廖光煊.三维LDV/APV系统测量大尺度雾场的硬件布局参数设计及应用.中国科学技术大学学报,2003-5. 4Wighu