【《高压细水雾灭火理论综述》4100字】

高压细水雾灭火理论综述目录TOC\o"1-3"\h\u169961.1高压细水雾灭火机理 1213211）吸热冷却 162272）隔氧窒息 2169483）动力学作用 3309741.2高压细水雾灭火影响因素 364111.1.1喷雾强度 416871.1.2雾化角 7174211.1.3雾动量 7275951.1.4雾滴直径分布 8155791.3高压细水雾雾化机理 8在开展实验前，本章将从高压细水雾灭火系统理论展开，通过对高压细水雾灭火机理、灭火适用范围等介绍，验证实验的可靠性。1.1高压细水雾灭火机理细水雾是指在较高压力下自然水流通过特制喷头喷出的雾滴。目前，国内外均认可的细水雾标准定义为，在喷头的额定工作压力下，在喷头垂直下方1m的平面内，雾滴累积体积小于1000微米的雾滴。因此实验及现实消防运用中的高压细水雾灭火系统中的细水雾雾滴是远小于1000微米的[37-39]。高压细水雾灭火系统是以水源为源头，通过高压及特制喷头将水流在一定空间内形成云雾状，在火场中起到对火场火源吸热冷却和对火源附近的隔氧窒息的作用，在此之外还有一些类似于雾滴动力学影响等灭火机理[40-41]。1）吸热冷却从物理学的角度上来分析，水从液体到水蒸气状态需要吸收很大的热量，通常情况下，将1kg水从0℃加热到100℃蒸汽状态下需要吸收2675kJ的能量，因此生活中，水基灭火系统具有较好的降温及灭火能力[42]。从雾滴在吸收热量时开始计算到吸热完全变为蒸汽状态下所用时间为雾滴生存时间。喷头出口处水的质量为，密度为，雾滴的粒径为d，则细水雾雾滴总数N计算如下：（2-1）总表面积为：（2-2）细水雾的蒸发速度与细水雾的整体总面积及环境的温度变化密切相关，整理得到方程式：（2-3）其中：cp——水的定压比热；mw——下落水滴的总质量；T∞——环境温度；T——时间；H——换热系数；——水滴获得的总能量由以上方程式可以看出，水的蒸发速度与水滴接触到环境的表面积及环境温度有关。在环境温度变化不大的情况下，细水雾雾滴接触环境的表面积越大，其吸热、蒸发的效果就越充分[43]。2）隔氧窒息通过前人大量实验及研究表明[44]，在标准大气压下，温度在95℃时，细水雾蒸发成水蒸气，蒸发后的气体体积比之前的细水雾雾滴体积扩充了1600倍左右，能在一定范围内将空气排出。细水雾的粒径越小[45]，则一定量的细水雾与火场环境接触到的总表面积更大，能够吸热快速形成水蒸气，有效的降低了有限空间内氧浓度含量，更好的起到灭火效果。众所周知，火灾的三要素，当空气中氧浓度下降到一定范围时，就不足以提供火场火源正常燃烧，火焰将会因为缺氧而熄灭。细水雾卷吸是指由于细水雾灭火过程中吸热蒸发造成火场气流一定的扰动，会影响在火场高温环境下可燃液体挥发的可燃蒸汽在空气中的占比系数，从而影响火灾的正常发展。对于醇类危险化学品，细水雾能有效地降低火场空间环境温度，有效的减少了醇类危险化学品的挥发速度，进而能有效的降低挥发燃料在空气中的浓度比重。但如若闪点更低的物料，如正庚烷，其闪点大概为零下4℃，且其蒸汽分压高，高压细水雾灭火系统很难将其浓度降低到可接受浓度范围内[46]。3）动力学作用高压细水雾灭火系统由于是在较高压力下，细水雾雾滴具有很高的初始动能，在接触到火焰表面时，会与火焰发生动量交换，从而对火焰产生扰动，影响火焰自然发展[47]。雾滴与火场火焰的动量影响关系如下：（2-4）其中：mF——火焰的初始质量，kg；vF——火焰的初始速率，m/s；mS——细水雾的初始质量，kg；vF——细水雾的初始速率，m/s；m’F——火焰的终态质量，kg；v’F——火焰的终态速率，m/s；m’s——细水雾的终态质量，kg；v’s——细水雾的终态速率，m/s；mg——细水雾气化成蒸汽的质量，kg；vg——细水雾气化成蒸汽的速率，m/s；1.2高压细水雾灭火影响因素对于高压细水雾灭火性能的影响因素，从两个方面考虑，一个是高压细水雾灭火系统自身参数，主要包括细水雾灭火系统的喷头型号及水泵组额定工作压力等[48]；另一个影响因素主要体现在火场环境，如火灾的类型，火灾空间的大小及是否有障碍物等[49]。1）雾通量主要表现为单位时间内通过单位面积的细水雾滴体积，决定了细水雾在一定的面积范围内对火源处火焰的吸热能力。细水雾在穿过热烟气及火焰的时候，合适的雾动量能降低细水雾被吹散的量。2）从理论上分析，细水雾的粒径越小，则一定量的细水雾与火场环境接触到的总表面积更大，能够吸热快速形成水蒸气，有效的降低了有限空间内氧浓度含量，更好的起到灭火效果，但粒径小的雾滴虽然具有初始动能相近，但是自身由于粒径太小，则单个雾滴的重量也随之减小，可能在还接触火源表面就跟着火灾烟气气流流动，难以接触到火源表面。3）抛开高压细水雾系统自身影响参数外，喷头与火场火源表面的相对距离同样会影响火场燃料表面接触到的细水雾雾滴的效果。4）细水雾在扑灭不同类型火灾时有很大的不同，例如，雾滴粒径小于200微米和雾滴粒径小于400微米的细水雾可以有效扑灭液体燃料火灾，但雾滴粒径小于200微米的细水雾却对固体火的灭火效果并不良好，雾滴粒径过小，就算具备很大的初始动能，在固体火灾高温环境下还未接触到固体表面就应经蒸发。高压细水雾灭火系统针对不同的火场空间尺寸与燃烧物的火灾规模所表现出来的主要灭火机理是不同的，比如当火灾规模较大时，此时火灾过程中需要消耗大量的氧气，此时高压细水雾的介入，能有效地降低火场环境的氧浓度，能更好的控制火灾的发展[50]。高压细水雾雾化能力与喷头的系数有着不可忽略的影响。液态水经喷头喷嘴喷出，在一定的压力，和喷嘴特殊的构造条件下，形成雾状水，呈圆锥状分布。雾状水圆锥分布具有特殊规律，我们称描述这一规律的影响参数叫做喷头雾化性能参数。其中，常用的雾化性能参数有雾动量、雾化角等。1.1.1喷雾强度生活中，消防所应用到的细水雾喷头通常有两种结构方式。一种为单一式的喷头，这种喷头只有一个喷嘴，如图4所示；另一种是组合式喷头，通常由多个喷嘴组合构成，灭火过程中，水雾作用面积更大，如图5所示。图4单喷嘴喷射图5组合喷头喷射Fig.4singlenozzleinjectionFig.5combinednozzleinjection1）单一喷头喷雾强度在上图4中，E1表示喷雾强度。（2-5）（2-6）式中：AS——喷雾覆盖面积，m2；Q1——喷头喷出流量，m3/s；h——喷头到火源距离，m；——雾化锥角，rad；通过对公式（2-5）、（2-6）进行合并，得到公式（2-7）：（2-7）通过对公式（2-7）进行分析，水喷雾雾场的强度与细水雾喷头的雾化锥角和水喷雾喷头到燃烧物表面的距离有关。其中，水喷雾雾场强度随着雾状锥角减小或喷头到燃烧物表面的距离减小而增强。故在我们后续实验设计及工程设计中，喷头到燃烧物表面的距离及雾化锥角的选取是我们重要的考虑因素。2）组合喷头喷雾强度组合式喷头，顾名思义，指在一个喷头单体上的外圈不同方向上设置同一参数类型的雾化喷嘴，工作原理如图5所示。当发生火灾时，各喷嘴同时作用，其中最底部的喷嘴所产生的雾场特性与前文所提到的单喷头所产生的雾场强度一致，但对于其他方向的喷嘴来说，其产生的雾场特性与喷头的安装方式有关（如顶棚式布置、侧吸式布置）。这些喷嘴产生的雾场相互影响，相互增强，共同形成一个较大的细水雾雾场。其中，如果喷嘴的安装是按照环形带的方式，那么喷头喷雾强度的计算方式如下式（2-8）所示。（2-8）式中：Q2——环形带上所有喷头的总流量，m3/s；n——环形带上喷嘴数量，个；Ah——喷头覆盖面积，m3（2-9）其中，表示环形带上单个喷头的喷雾角，单位为rad；（2-10）其中，Rr为水雾覆盖区域半径，m；故组合喷头平均强度计算公式为：（2-11）图6喷头体外形Fig.6nozzlebodyshape1.1.2雾化角一般来说，雾化角也称雾化锥角。水流经喷嘴在一定压力下喷出，会产生一个近似锥角的雾场，如图7所示。图7喷头雾化锥角Fig.7nozzleatomizationconeangle通过对图7进行分析，可以得到组合喷头雾化角的计算方式如（2-8）所示。（2-12）其中，表示环形带垂线与竖直方向的夹角——单喷嘴雾化角度，rad雾化锥角的大小会影响到细水雾雾滴的分布影响。覆盖范围随着角度的增加而变化，此时能够保护的范围也会随之增加，同时，雾滴动量还会受到追缴的影响。通过上述分析，可以得知在对细水雾灭火系统进行描述时，雾化锥角极其重要。1.1.3雾动量在雾化性能参数中，雾动量描述的是雾滴的一种运动能力。在灭火过程中，雾动量会直接影响到细水雾的穿透能力，因为在雾滴运动过程中，会同空气发生摩擦，从而受到阻力。根据研究显示，雾滴受到了空气阻力大小同它的直径的平方成正比关系。而雾滴的质量与直径的立方为线性关系。在相同的速度下，雾滴直径越大，它所具有的动量也会随着增加，从而提高其穿透能力，灭火效率也会提高。1.1.4雾滴直径分布雾滴直径分布是针对雾滴直径一定的粒子而言，分析其在不同测试范围中的分布。在NFPA750中曾经对细水雾的粒径进行过规定。在喷头的正下方1米的水平面与喷头的竖直面的交线处的测量结果，这个区域的粒径用Dνf表示。其中，f代表的是粒径大在0到某特定值范围中的所有雾滴的累计体积与全部被测粒子的总体积的比值。通常情况下，特定值选择为Dνf，以Dν0.9=400微米为例，是表示在总的体积中约有90%的雾滴粒径小于400微米。通过分析，可以发现汽化作用往往受到雾滴直径的影响，汽化时间会随着雾滴直径的增大而增加。如果雾滴的直径过大，那么汽化粒子数的比例也会减少。如表2所示，在600℃时，不同雾滴直径蒸发所需要的时间以及蒸发比例。表2在600℃场景中细水雾雾滴的蒸发时间Table2Evaporationtimeoffinewatermistdropletsina600℃scene序号雾滴直径（微米）蒸发比例蒸发时间（秒）1100100%0.0152500100%0.283100045%1.34150027%1.55200015%4.5经过分析，可以发现当水流经过喷嘴喷射出后，会形成雾化，产生不同大小的雾滴。但是这些雾滴的直径通常都是在一定的范围中，并且呈现一定的规律。通常情况下，会使用微分形式和积分形式来表示细水雾的分布。其中，积分形式主要是对雾滴数量和重量的积分。微分分布也分为重量微分和数量微分两类。虽然这些数学模型不能在理论上进行检验，但是在前人的努力探索下，也产生了很多经验公式可供使用，如正态分布公式、Rosin-Rammler公式等。1.3高压细水雾雾化机