冷激波滅火系統中激波對滅火效果和周邊環境的影響＊

蔣耀港，馬宏昊，沈兆武，程揚帆，范志強，汪 泉

（中國科學技術大學近代力學系，安徽 合肥 230027）

針對特殊火場火災（如高樓火災、森林火災等），各種新的滅火思想和消防設備應運而生，如激波滅火［1］。對激波滅火的真正研究始于20世紀90年代初，A.M.Grishin等［2］從實驗、模擬和實際觀察等方面對激波與林冠火相互作用做了研究。張艷等［3］、常熹鈺等［4］通過實驗和數值模擬發現激波可以撲滅林冠火。但激波的高溫、高壓特性使激波在滅火的同時也會對火場周邊造成不同程度的損傷。沈兆武等［5－6］結合 FAE （fuel－air explosive）戰斗部思想提出了冷激波滅火的方法，該方法通過把激波能量轉化為滅火介質的動能作用于火場區域來實現滅火。M.W.Glass［7］通過對FAE的研究發現，中心裝藥爆轟后，82%的能量用于液體燃料的動能和內能增加，18%的能量用于爆生氣體的動能和內能增加，但并不能據此準確推測FAE起爆后在空中形成的激波強度。而作為冷激波滅火系統，滅火介質不僅有水基滅火介質，還有粉基滅火介質。因此，為了有效研究冷激波的滅火機理，必須研究冷激波滅火彈起爆后形成的激波對滅火效果及周邊環境的影響。

1 紋影實驗

紋影實驗裝置如圖1所示：爆炸箱采用45鋼焊接而成，尺寸為300mm×300mm×300mm，壁厚為10mm；窗口采用150mm×150mm×10mm的鋼化玻璃；攝像采用OPTRONIS CR1000高速攝影機，拍攝頻率為104s－1。爆炸拋撒裝置如圖2所示，滅火介質裝填直徑為6.8mm，長度根據裝填質量而定。實驗時，爆炸拋撒裝置被豎直固定在實驗箱頂部中心處，紋影視場高120mm，寬11.5mm。

采用碳酸氫鈉粉體和水作為滅火介質，粉體的表觀密度為1.1g／cm3，水的密度為1g／cm3，其他參數見表1，me為RDX炸藥的質量，mm為滅火介質的質量。點火時刻為零時刻，實驗結果見圖3。

從圖3（a）～（b）的粉基滅火介質爆炸拋撒紋影圖片中能觀察到激波現象，已用黑線標出；而圖3（c）～（d）的水基滅火介質爆炸拋撒紋影圖片中，即使增大比藥量，也未觀察到激波現象，即水基滅火介質爆炸拋撒后未能在空中形成激波。根據窗口尺寸比率和拍攝頻率計算得到實驗1和實驗2的激波速度分別約為443和473m／s。

圖1 紋影裝置Fig.1 Schlieren apparatus

圖2 滅火介質爆炸拋撒裝置Fig.2 An explosion and dispersion apparatus for fire－extinguishing media

表1 紋影實驗參數Table1 Parameters of schlieren experiment

圖3 紋影實驗結果Fig.3 Results of schlieren experiment

2 理論分析

對于水基滅火介質，由于水具有不可壓縮性，且水的波阻抗遠大于空氣的波阻抗，因此在圖3（c）～（d）的紋影實驗圖片中未觀察到激波現象；而對于粉基滅火介質，由于其存在大量孔隙［8］，中心裝藥爆轟后沖擊波在粉體內傳播，使顆粒破碎、重排等，從而不斷壓縮顆粒間的孔隙空氣，使粉體介質爆炸拋撒后在空氣中形成激波。

火焰面處激波強度和波后質點速度分別為：

式中：Δp為波陣面上的超壓（100kPa）；v0、p0和V0分別為波前介質速度（m／s）、壓強（取100kPa）和氣體質量體積（取0.775 2m3／kg）；v1和p1分別為波后介質速度和壓強；vd為激波速度（m／s）；K 為氣體的多方指數，取1.4。

假定初始速度v0為零，把實驗所得出口處激波速度代入式（1）～（2）可得：波后壓強p1為194kPa，超壓為94kPa，波后質點速度為165m／s。盡管出口處波后質點速度較大，但是激波在空氣中傳播時，由于幾何耗散，激波強度會隨傳播距離的增加而急劇衰減，其衰減關系［9］為

實驗中激波速度測點距離拋撒裝置5cm，而以尺寸為1m×1m的油盆火為例，激波要驅動可燃氣體進入火焰面，需要傳播約1m的距離，即折合距離增大20倍，由式（3）可得，爆炸超壓衰減95%以上。波后質點速度

波后質點速度也衰減95%以上，即此時1m處的質點速度低于8.25m／s。實驗1中滅火粉體被裝填在強約束的管中，裝填長度為5mm，滅火粉體在爆生氣體作用下沿管道向外噴射，因此可假設為一維情況；而空中爆炸拋撒是三維情況，需考慮幾何耗散，由量綱分析可得

圖4 介質拋撒位移時程曲線Fig.4 Displacement－time profile of dispersion medium

式中：Δp0為拋撒裝置出口處的爆炸超壓；Δp′0為球形裝藥結構下，同等藥量、同等距離處的爆炸超壓為實驗1中的折合距離。

實驗2中冷激波滅火彈中拋撒藥采用柱形裝藥，裝藥質量me為3g，裝藥密度為1.2g／cm3，內徑r為6.8mm，粉體裝填半徑為5.2cm，因此，有［10］

式中：Δp1為冷激波滅火彈粉體邊緣處的爆炸超壓；Δp′1為球形裝藥結構下，同等藥量、同等距離處的爆炸超壓為實驗2中的折合距離。

綜合式（6）和式（7）可得：Δp0＞Δp1。因此對于普通冷激波滅火彈（比藥量小于0.3%），即使是粉基滅火介質，爆炸拋撒所形成的激波強度也是非常微弱的。當弱激波到達燃燒火焰面時，所引起的波后質點速度（即可燃氣體運動速度）低于8.25m／s。對比介質拋撒所引起的可燃氣體運動，如圖4所示，介質前沿以近似恒定的速度穿越油盆區域，其速度約為80m／s，即介質前沿可燃氣體向外運動的速度約為80m／s，遠大于激波引起可燃氣體向外運動的速度。因此冷激波滅火彈爆炸所形成的激波對加快可燃氣體的燃燒作用和后續的阻氧作用幾乎可以忽略；同時由于激波較弱，其對周邊環境的影響也可以忽略不計。

3 驗證實驗

為了驗證上述理論結果，采用圖5所示的實驗裝置拍攝冷激波滅火彈撲滅油盆火的過程。油盆尺寸為1m×1m，滅火彈尺寸為?110mm×180mm，拋撒藥質量為3g，燃料選用90汽油，高速攝像的拍攝頻率為4×103s－1。油盆點火后，預燃一段時間，火焰面基本穩定后起爆冷激波滅火彈，滅火過程如圖6所示。

圖5 冷激波滅火實驗裝置Fig.5 Experimental apparatus for cold shock wave extinguishing fire

圖6 冷激波滅火實驗過程Fig.6 Fire－extinguishing process by cold shock wave extinguishing bomb

以冷激波滅火彈起爆時刻為零時刻，0≤t＜3ms，火焰面向外折疊，由殼體高速膨脹運動和拋撒藥爆炸所形成的激波引起的擾動向外傳播；t＝3ms，火焰面開始回縮，直到t＝5ms結束；冷激波滅火彈起爆后，滅火介質穿越火場，推動可燃氣體到達火焰面，使火焰面亮度逐漸增大，同時滅火介質逐漸隔斷火焰面和汽油；t＝48ms后，明火被冷激波滅火彈撲滅。

圖7 區域A和B的位置Fig.7 Location of regions Aand B

本次高速攝影圖片像素為400×248，圖像由0～255個色階組成（0代表黑色，255代表白色），其中高色階色素所占圖片色素百分比越多，代表燃燒越劇烈。選取每張圖片同等位置處的A、B等2個區域，如圖7所示；考察A、B等2個區域高色階色素所占圖片色素的百分比隨時間的變化情況，如圖8所示。

由圖8可知，t＜5ms，各區域高階色素（230以上）百分比變化不大，即激波對燃燒速率的影響較小；t≥5ms，滅火介質推動可燃氣體到達火焰面，使各區域的高階色素百分比逐漸增大，即各區域燃燒速率逐漸增大；隨后滅火介質隔斷火焰面和油盆，各區域高階色素百分比逐漸減小，即燃燒速率逐漸減小，直至火焰熄滅。由此證明介質拋撒對加快可燃氣體燃燒的作用大于激波的影響。因此該實驗驗證了冷激波滅火彈中激波對滅火效果和周邊環境的影響可以忽略的結論。

圖8 不同區域色素百分比時程曲線Fig.8 Pigment percent－time profiles in different regions

4 結 論

（1）在0.3%的比藥量下，粉基冷激波滅火彈爆炸后會在空中形成弱激波，而水基冷激波滅火彈爆炸后只能在空中形成擾動（由殼體高速運動引起）。

（2）對比滅火介質拋撒加快可燃氣體燃燒（加快滅火）的效果，冷激波滅火彈爆炸形成的激波對加快可燃氣體燃燒的效果是可以忽略的；同時激波對周邊環境的危害也是可以忽略的。因此冷激波滅火系統通過能量轉換盡管降低了激波對滅火效果的影響，但同時也降低了激波危害，改善了激波滅火方法。

［1］冶金工業部安全技術研究所.蘇聯統一爆破安全規程［M］.武漢：冶金工業部安全技術研究所，1983：284.

［2］Grishin A M，Kovalev Y M.Experimental and theoretical investigation of the effect of an explosion on the front of crown forest fires［J］.Combustion，Explosion and Shock Waves，1989，25（6）：724－730.

［3］張艷，任兵，常熹鈺，等.激波誘導可燃氣體爆燃的數值模擬研究［J］.國防科技大學學報，2001，23（2）：33－37.Zhang Yan，Ren Bing，Chang Xi－yu，et al.Numerical simulation about the process that a shock wave induces the combustible gas deflagration［J］.Journal of National University of Defense Technology，2001，23（2）：33－37.

［4］常熹鈺，易仕和，羅俊榮，等.激波噴出過程和在林帶中的傳播［J］.爆炸與沖擊，2000，20（4）：373－378.Chang Xi－yu，Yi Shi－he，Luo Jun－rong.et al.Shock ejection from a tube and propagation in forest belt［J］.Explosion and Shock Waves，2000，20（4）：373－378.

［5］蔣耀港，沈兆武.比藥量對冷激波滅火彈滅火效果的影響［C］∥劉殿書.爆破工程新技術Ⅱ.北京：冶金工業出版社，2008：875－880.

［6］蔣耀港，沈兆武，馬宏昊.冷激波滅火彈的滅火機理及應用研究［J］.火災科學，2007，16（4）：226－231.Jiang Yao－gang，Shen Zhao－wu，Ma Hong－hao.Mechanism and application of cold shock wave fire extinguishing bomb［J］.Fire Safety Science，2007，16（4）：226－231.

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［10］馬宏昊.高安全雷管機理與應用研究［D］.合肥：中國科學技術大學，2008：81－82.