LDV/APV系統研究縱向通風作用下細水霧霧場特性

劉江虹，朱 偉，廖光煊

(1.上海海事大學海洋環境與工程學院，上海 201306;2.北京城市系統工程研究中心，北京 100036;3.中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，合肥 230026)

1 前言

細水霧以其無毒害、滅火迅速、耗水量小等顯著優點，已成為傳統哈龍(Halon)滅火系統的主要替代品之一，已在許多高新技術領域和重大工業危險源得到應用，并不斷拓展應用領域[1～3]。即使在較弱的通風作用下，氣體滅火系統也容易受到外界氣流的影響而導致滅火失敗[4]，因此在一些滅火階段仍需要保持通風的場合，已經考慮采用細水霧滅火技術，并已有工程使用[5～8]。

縱向通風是一種常見的強制通風形式，目前開展的全尺度實驗表明細水霧在這樣的情況下能夠有效抑制火災[6，7]，但是縱向通風對細水霧的影響也是比較顯著的，尤其是氣流擾動導致霧滴飄移對細水霧霧滴速度的影響，可以改變細水霧的作用范圍、霧動量等參數，從而影響細水霧與火相互作用的過程。因此對細水霧速度場特性進行研究，有助于提高對細水霧在縱向通風作用下滅火機理的認識。由于一般的接觸式速度測量方法會對流動產生干擾，在細水霧霧場診斷方面，已有應用激光多普勒測速儀(LDV)進行非接觸式速度測量[9～11]。

然而縱向通風通常存在于相對封閉的狹長空間內，這使得與以往的開放空間下細水霧速度場的LDV測量有所不同。因此，本文將利用小型低速風洞形成較為穩定的縱向通風，同時在風洞內施加細水霧，通過調整光路在風洞狹長空間內形成測量體進行LDV測量，采用逐點測量的方法獲取全場信息，從而研究在不同的縱向通風作用下氣流對細水霧運動特性的影響。

2 實驗裝置

實驗裝置可以分為三維LDV/APV系統、霧發生系統和小型低速風洞3個部分，如圖1所示。

2.1 三維LDV/APV系統

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental apparatus

實驗中采用的三維LDV/APV系統為美國TSI公司的雙鏡頭式三維激光多普勒測速系統，激光光源為1 W氬離子激光器，通過光分束分色器將光束分為3對平行的發射光。要實現三維速度測量，必須保證這3對發射光束的焦點能匯聚一點，形成一個橢圓的測量體。粒子通過該測量體時產生散射光，經接收器傳送并進行光電信號轉換，自動分析后實現三維速度的實時測量。

所測速度和多普勒頻率的關系為

式(1)中:Fd為多普勒頻率，Hz;Fshift為頻移，Hz;Df為光學條紋間距，mm。由瞬時速度再結合有效測量時間，就可以得到速度場的有關統計量。為了使3對發射光能夠相聚在一點，還需要合理調整系統布局。實驗采用的細水霧霧滴粒徑范圍在10～100 m，遠大于入射光波長(～0.1 μm)，因而可以近似采用幾何光學散射理論來確定光路布局參數，主要包括入射光束和接收光束的焦距均為310 mm，兩個分離的接收器夾角為12°，偏軸角均為48°。該系統還有智能化三維坐標位移機構，通過對其的操縱可以準確定位改變測量點，實現全場速度測量。

2.2 霧發生系統

細水霧由YC－LA型超聲波細水霧發生器產生，其原理是利用高頻超聲波振動，產生霧滴尺寸小而均勻的細水霧。發生器有9個噴霧口，產生的細水霧通過連接噴霧口的軟管進入一個收集容器，再由一個出口導出進入測量空間。這樣可以通過調節使用的噴霧口數量改變霧通量，也便于控制進入空間的噴霧方向。

2.3 小型低速風洞

風洞是一種使用動力裝置驅動一股可控制的氣流的管道系統，它可以提供穩定的、可測的速度場，能夠準確改變風洞內的氣流參數。在研究中，設計了一個低速小型風洞作為細水霧運動的狹長空間。風洞裝置可分為動力及輸送段、整流段、收縮段和實驗段4部分，再通過變頻風機可得到穩定可調的縱向氣流。由于速度比較低，Mach數一般小于0.02，因此氣體可以看作不可壓的[12]。在不可壓氣體流動實驗中，Reynolds數(Re)是最主要的相似準則數，另外風洞的湍流度不能超過一定的限度。風洞的實驗段橫截面積為15 cm×10 cm，長80 cm。由于霧滴粒徑遠小于實驗空間，并假設洞壁足夠光滑，因而可以忽略流動受到風洞本體的干擾。

為了使LDV/APV系統的發射光能在風洞內匯聚，同時保證空間的相對封閉性，在風洞的一側設置一個觀察窗口。觀察窗口采用折射率接近為1的透明PE聚乙烯薄膜作為介質。

3 實驗結果與分析

利用上述實驗裝置對通風影響下的細水霧霧滴運動特性進行了實驗研究。通過改變風機電機頻率調節風洞內的縱向風速，分別為 0、0.25 m/s、0.5 m/s、0.75 m/s、1 m/s、1.25 m/s、1.5 m/s、1.75 m/s、2 m/s、2.25 m/s、2.5 m/s，每個風速條件下選取不同軸向等距離的幾個截面中的測量點進行數據采集，與進風口的距離為 0、20 cm、40 cm、60 cm、80 cm 的截面分別記為 A、B、C、D、E，采集時間為60 s。然后對這個時間段采集到的數據進行分析，得到通過該點的細水霧霧滴速度和粒徑統計分布。

3.1 速度分布

以進流截面至出流截面的方向為z方向，垂直向下為y方向。圖2和圖3分別給出了各個測量點下不同風速情況下細水霧霧滴z方向和y方向速度沿軸向的變化情況。從圖2可看出，在各個風速情況下，在同一軸心線上霧滴沿著縱向飄移的速度都比較一致，這是由于霧滴顆粒細小，受氣流運動的影響相對就比較大，而風洞內氣流的縱向速度比較穩定，因而霧滴能夠隨著氣流沿著通風方向穩定地運動。但是在實驗采用的風速范圍內，隨著氣流速度的增大，霧滴軸向運動速度總體上呈現上升的趨勢，這與氣流攜帶下整個霧場的顆粒密度、懸浮時間等條件有關。

圖2 不同風速情況下細水霧霧滴速度Fig.2 Water mist velocity under different wind velocity

圖3 不同風速情況下細水霧霧滴速度Fig.3 Water mist velocity under different wind velocity

從圖3可看出，無通風情況下，在進風截面附近的測量點上，霧滴下落速度較大，而后迅速降低，而在有通風情況下，霧滴垂直向下的速度一直都比較小，這也說明粒徑小的霧滴受氣流運動影響較大，氣流的運動也增加了霧滴下落所受到的阻力系數，使得在有通風情況下大多數霧滴都隨著氣流的運動方向而運動。下落速度小，可以減少由于重力作用影響到達空間底部的霧滴數量，使得更多的霧滴彌漫在空間或蒸發，而這樣可以有效增強細水霧的吸熱能力。

圖4a～圖4e是不同截面采樣點的平均霧滴縱向速度隨風速變化的情況。如果設氣流速度為vg，霧滴縱向速度為vf，那么vg和vf之間近似存在如下的線性關系

式(2)中:a和b為系數。雖然前面假設霧滴經出口垂直向下噴出，但是實際上總會存在一定的縱向速度，因此在vg=0的情況下，也存在一定的初始vf，a即與此有關。b則是主要與風洞內流動情況，尤其是阻尼系數Cd有關的一個量。雷諾數Re與阻尼系數Cd之間的關系可以用下式表示[13]

圖4 各個測量點霧滴速度與氣流速度的變化關系(z方向)Fig.4 Relationship between water mist velocity and wind velocity at different measure points(z direction)

擬合得到的系數見表1，vg＜2.0 m/s的系數為a1、b1;vg＞2.0 m/s的系數為 a2、b2。可以看出，在vg＜2.0 m/s的情況下，霧滴的軸向速度呈緩慢上升的趨勢，而在vg＞2.0 m/s后，霧滴速度顯著上升。這是因為氣流速度增大，風洞內氣體流動的雷諾數Re也增大，達到一定程度后，可能導致流動湍流程度的急劇增加，從式(3)可以看出，在Re變化到一定程度后，阻尼系數Cd的趨勢突然變化，并在一定的Re值區段內趨近于一個穩定值。Cd減小，那么氣流攜帶的霧滴運動也隨之加快，因此式(2)中的b值與阻尼系數Cd的變化趨勢存在相反的關系。同時，由于風洞內沿軸線方向的流動比較均勻，幾個采樣點的測量結果擬合曲線的系數都比較接近。

表1 各個測量點擬合曲線的系數Table 1 Fitting curve coefficient ofdifferent measure points

3.2 粒徑分布

為了進一步研究霧滴在風洞內的運動特性，還需要對不同風速下霧滴在風洞內的粒徑分布進行分析。在本文細水霧運動特性研究中，采用的粒徑分布是 Sauter平均粒徑(SMD)[14]。

超聲波細水霧發生器產生的霧滴粒徑在30 μm左右，由于粒徑小，當水霧的濃度比較大時，霧滴之間容易粘接。因此利用三維LDV/APV系統對霧滴粒徑進行測量和統計分析，就可以從霧滴凝并導致粒徑改變這個角度來分析其運動特性。不同風速下幾個截面的中軸線上測得的霧滴粒徑結果如圖5所示。

在沒有通風的情況下，霧滴粒徑在30～40 μm，這是由于水平速度較慢，氣流運動相對靜止，而且多數霧滴在較短的軸向距離內即已沉降，有一些稍大于30 μm粒徑的顆粒存在，說明在霧滴運動過程中只是發生了少量的凝并。而在施加通風后，霧滴的平均粒徑顯著增大。這說明加入通風后，氣流運動明顯加劇，大大增加了細小霧滴之間的碰撞幾率，也就提供了更多霧滴凝并的機會，而在凝并過程中，粒徑的變化有以下關系

圖5 各個采樣點風速與霧滴粒徑的關系Fig.5 Relationship between water mist velocityand wind velocity at different measure points

式(4)中:di為凝并后的霧滴粒徑;dj和dk為參與凝并的兩個霧滴的粒徑。

在實驗采用的風速范圍內，霧滴Sauter平均粒徑一直趨于比較穩定的值。但是對其變化情況深入分析可以看出，在vg＜2.0 m/s的情況下，霧滴的SMD隨著風速vg的增加而增加，而當vg＞2.0 m/s后，SMD則會隨之減小。之所以出現這樣的情況，可見除了風速導致風洞內氣流狀態的改變之外，霧滴的凝并現象還受到霧滴密度、生存時間等參數的共同影響。雖然風速越大霧滴凝并的機會越大，但是從前面的分析可以看出細小霧滴的生存時間也就在1 s左右，氣流運動加快后還可以加強霧滴表面的熱交換，從而在霧滴凝并和霧滴沉降加快的同時會降低風洞內的霧滴密度，這從另一方面對霧滴的凝并產生負面影響。因此，當風速達到一定程度后，可能使得霧滴的統計平均粒徑反而略微降低。另外，即使霧滴沿軸向運動過程中凝并現象會一直發生，然而沿著軸線方向霧滴的粒徑也只是呈略有增加的趨勢，這是由于霧滴密度和霧滴沉降也在產生影響的原因。

3.3 霧通量分布

霧通量不能通過三維LDV/APV系統直接測量得到，需要綜合分析速度場和粒子場的測量結果。本節討論的霧通量是面積霧通量VF，可以用下面的公式表示

式(5)中:N為所測的粒子數;S為測量面積;t為采樣時間，即60 s。由于APV/LDV系統中，S即為兩束激光的交匯區域在縱截面上的投影面積。本實驗中采用的焦距是300 mm，兩束激光發射源相距170 mm，激光光束的直徑為1.6 mm，可以得到S=7.37 mm2。

利用LDV/APV系統測量得到不同風速下通過幾個測量點的粒子數N分布情況。通過式(5)計算可以得到A～E各個截面的霧通量情況。為了能夠避免不同實驗初始霧通量對實驗結果的影響，在這里定義一個無量綱量霧通比率η，表征細水霧霧滴通過某個縱截面的霧通量占初始霧通量的比率，以定量的分析細水霧在通風影響下隨氣流攜帶下縱向運動的飄移特性。霧通比率η的表達式如下

根據這個定義，可以計算各個縱截面在不同風速下的霧通比率，圖6a是風速對霧通比率的影響，圖6b則是運動距離對霧通比率的影響。細水霧自出口噴出后，沿著軸向方向霧通量不斷減少，這是霧滴運動過程中在壁面粘附以及蒸發的結果。在沒有通風作用的情況下，霧滴的水平移動比較緩慢，因而能夠到達B～E的霧滴非常少，從而霧通量也急劇降低。而有了通風的作用，能夠攜帶相當數量的霧滴運動，而且風速越大，霧通量也越大。從兩個圖的曲線形狀來看，除了無通風情況，風速和運動距離都與霧通比率有一定的線性關系，其相關性如表2和表3所示，可以看出都能夠比較好地接近線性關系。

圖6 不同影響因素與霧通比率的關系Fig.6 Effects of different wind velocity and moving distance on water mist flux

表2 不同運動距離霧通比率與風速之間的線性相關性Table 2 Linear correlation between wind velocity andwater mist flux under different moving distance

為了考察它們對霧通比率各自的影響程度，假設如下方程來回歸求出兩個變量各自的權重

式(7)中:α和β為系數，γ為常數。為了消除不同量綱給數據帶來的不穩定性，采用式(8)對數據進行標準化處理[15]。

表3 不同風速下霧通比率與運動距離之間的線性相關性Table 3 Linear correlation between moving distance and water mist flux under different wind velocity

式(8)中:xij為測量的原始樣本，為一列數據的平均值;x*ij為測量數據標準化值。然后采用二元線性回歸方法，得到回歸參數和回歸方程的顯著性，結果如表4所示。

表4 回歸參數值和顯著性Table 4 Regression parameter values and significant

從表4可看出，參數α和β的顯著性均小于0.001，回歸效果顯著，變量風速和運動距離對霧通比率都有重要的影響。另外，由于β的t值大于α的t值，可見運動距離的影響相對更大。也說明，即使增大相當的風速，但如果在相對噴霧出口較遠的距離處，細水霧的霧通量仍不能達到與噴霧出口處相當的水平，因為距離增加對霧通量所造成的影響要強于風速改變所造成的影響。

4 結語

本文對利用三維LDV/APV技術對不同縱向風速下風洞內的細水霧運動特性進行了測量，通過對實驗數據分析可得出以下幾點結論。

1)霧滴速度與風速呈線性變化，但是由于風速增大會使風洞內的空氣阻力系數發生變化，因此在測量范圍內可以看到，兩者之間的線性關系出現了兩種不同的斜率。但不同運動距離霧滴的速度仍非常接近。

2)由于通風對霧滴運動的劇烈擾動，增加通風后霧滴凝并現象顯著，使得霧滴平均粒徑也顯著增加，但風速增大和運動距離的增加對整體平均粒徑影響不大。

3)霧通量同時受到風速和運動距離的影響，經過對實驗數據進行二元線性回歸發現，運動距離對霧通量分布的影響更大。

4)從實驗結果來看，增加通風后霧滴作用范圍增大，在空間的運動時間增長，這對細水霧降低空間溫度抑制火災有著促進作用，但同時使霧滴粒徑增大，即表面積增大，這將降低細水霧的吸熱能力。通風對偏離噴霧出口位置的細水霧滅火性能的促進作用也是有限的。

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