細水霧作用下煙顆粒形貌及尺寸變化規律研究

房玉東

（國家安全生產監督管理總局通信信息中心，北京 100013）

細水霧作用下煙顆粒形貌及尺寸變化規律研究

房玉東

（國家安全生產監督管理總局通信信息中心，北京 100013）

利用Sirion200型場發射掃描電子顯微鏡拍攝細水霧作用前后柴油和聚氯乙烯（PVC）材料煙顆粒的形貌和內部結構圖像。定義了煙顆粒的采樣平均直徑（dA）和表面密度（ρS），利用統計分析的方法計算了細水霧作用前后煙顆粒的dA和ρS，研究了采樣點空間位置、細水霧工作壓力、霧滴粒徑和霧滴速度等因素對dA和ρS的影響規律，揭示了細水霧沖刷火災煙顆粒的主導機理，為細水霧技術用于計算機房等電氣環境的火災煙氣抑制提供了科學的參考依據。

細水霧；煙顆粒；表面密度；采樣平均直徑

1 前言

通常計算機房和程控交換機房等電氣環境主要采用氣體滅火系統進行火災防護，如哈龍1301、惰性氣體混合物及二氧化碳等，這些滅火劑或是對人員有傷害作用，或是對環境有破壞作用[1，2]。研究表明霧滴粒徑較小的細水霧與火焰相互作用后蒸發速率更快，滅火后火場殘余水量更小，單位重量吸收熱輻射的能力更高，因此適合用于電氣環境的火災防治[3，4]。在某些精密電氣設備環境，一旦發生火災，火災只會對起火地點的設備造成局部破壞，而煙氣的四處蔓延擴散、滲透將會對整個房間內的儀器設備造成腐蝕、污染等嚴重破壞。統計結果表明，火災中70%的人員傷亡是煙氣造成的，火災熄滅后，火場仍然充滿大量的煙氣，這會對火災現場的逃生人員造成傷害。細水霧對火災煙氣具有較好的洗刷作用，目前國際上細水霧與火災煙氣相互作用的研究尚處于起步階段，尚無細水霧沖刷煙顆粒的研究報道。國際上的火災研究機構只開展了為數不多的細水霧沖刷煙氣的工程應用研究[5，6]，尚無細水霧作用下煙顆粒尺寸和形貌變化規律的研究工作。

為了深入研究細水霧與煙顆粒的相互作用過程，定性描述不同工況細水霧作用下煙顆粒的尺寸和形貌變化規律，分析采樣點位置、霧滴粒徑和霧滴速度等參數對煙顆粒凝聚和沉降作用的影響規律，本文利用Sirion200型場發射掃描電子顯微鏡研究了細水霧與煙顆粒的相互作用，拍攝了細水霧作用前后煙顆粒的形貌和內部結構圖像，利用統計分析的方法揭示了細水霧作用前后煙顆粒的采樣平均直徑及表面密度的變化規律。為細水霧技術用于計算機房等電氣環境火災的煙氣抑制提供了科學的參考依據。

2 實驗描述

煙顆粒采樣實驗在3 m×3 m×3 m的受限空間內進行。實驗中選取柴油和聚氯乙烯（PVC）塑料作為發煙材料，油盤尺寸為0.3 m×0.3 m×0.05 m，利用酒精引燃柴油和PVC。火焰上方有一塊0.8 m×0.8 m的防火板，是用來阻擋細水霧直接進入火焰將火焰熄滅的，在細水霧與煙氣相互作用的過程中，火焰沒有熄滅。實驗中利用直徑4 mm、厚度0.1 mm的圓形磷銅網進行煙顆粒采樣，該銅網可以有效的吸附煙顆粒。細水霧噴頭位于受限空間頂棚的中心位置，利用高壓泵式細水霧發生裝置產生細水霧，霧滴粒徑范圍在50～100 μm。油盤緊靠受限空間的墻角。每次實驗中分別在受限空間6個不同位置進行取樣。煙顆粒采樣實驗系統如圖1所示。

圖1 煙顆粒采樣實驗系統示意圖Fig.1 The sketch map of sampling experiment system of smoke particles

實驗中首先點燃可燃物，燃燒30 s后施加細水霧，細水霧與煙氣作用一段時間后，關閉細水霧，進行煙顆粒采樣。采樣實驗全部結束后，對煙顆粒標本進行蒸晶，然后利用Sirion200型場發射掃描電子顯微鏡掃描樣本，統計每個采樣器上的煙顆粒數目，最后對實驗數據進行處理分析。型場發射掃描電子顯微鏡如圖2所示。表1給出了實驗工況。將火源中心設為坐標原點，實驗中6個采樣點空間位置坐標分別為（0.2 m、0.2 m、0.2 m）、（0.7 m、0.7 m、0.7 m）、（1.2 m、1.2 m、1.2 m）、（1.7 m、1.7 m、1.7 m）、（2.2 m、2.2 m、2.2 m）、（2.7 m、2.7 m、2.7 m）。

3 典型實驗結果及分析

3.1 采樣點位置對dA和 ρS影響分析

為了定量表征細水霧作用下煙顆粒尺寸和形貌的變化規律，首先定義兩個變量，即煙顆粒采樣平均直徑dA和煙顆粒表面密度 ρS。

圖2 Sirion200型場發射掃描電子顯微鏡Fig.2 Sirion200 field emission scanning electron microscope

表1 實驗工況列表Table 1 The experimental condition list

式（1）中，N為采樣器煙顆粒的總數；di為第i個煙顆粒的直徑，μm。

式（2）中，N為采樣器表面的煙顆粒總數，S=π×(2 mm)2≈12.56 mm2，為采樣器的表面積。

從圖3和圖4可以看出，細水霧施加時間增加，煙顆粒的采樣平均直徑增大，表面密度增大。在同一細水霧作用時間下，隨著采樣點空間位置的變化，煙顆粒表面密度和煙顆粒采樣平均直徑沒有明顯變化。這主要是因為細水霧施加后擾動煙氣和空氣流場，由于細水霧具有較強的擴散性，整個空間很快就會形成全淹沒狀態，在細水霧的擾動下，空間充滿了霧滴與煙顆粒的混合物，霧滴與煙顆粒的混合物在受限空間接近均勻混合，且處于循環運動的分布狀態。

圖3 ρS隨采樣位置變化曲線（PVC）Fig.3 Change regulation of ρSwith sampling position（PVC）

3.2 細水霧對煙顆粒形貌及內部結構影響分析

從圖5可看出在初始燃燒階段，柴油煙顆粒尺寸在3μm左右，20 s后煙顆粒尺寸增大至9μm左右，30 s后煙顆粒尺寸增長至15μm左右，40 s后煙顆粒仍維持在15μm左右，通過對多組掃描照片分析發現，隨著燃燒過程的進行，柴油煙顆粒尺寸有所增大并最終穩定在15μm左右。這是因為在火羽流的作用下，煙氣與空氣流場不斷擾動，煙顆粒之間不斷發生碰撞凝結使得煙顆粒尺寸增大。進入充分燃燒階段后，煙顆粒尺寸無明顯增大趨勢，基本上趨于穩定。

圖4 dA隨采樣位置變化曲線（PVC）Fig.4 Change regulation of dAwith sampling position（PVC）

從圖6可以看出在初始燃燒階段PVC塑料煙顆粒尺寸在10μm左右，隨著燃燒時間的增加，煙顆粒尺寸繼續增大，通過對多組掃描照片的分析發現，隨著燃燒過程的進行，PVC塑料煙顆粒尺寸有所增大并最終穩定在25μm左右。

圖5 柴油不同時刻煙顆粒形貌（工況1）Fig.5 Diesel oil smoke particle shape of different time（case1）

圖6 PVC塑料不同時刻煙顆粒形貌（工況6）Fig.6 PVC smoke particle shape of different time（case6）

圖7給出了柴油及PVC塑料煙顆粒的內部結構圖片，從圖7中可以看出，這兩種材料燃燒生成的煙顆粒內部結構基本一致，煙顆粒都是由直徑在0.05～0.1μm的分散球形基本粒子構成。通過對圖5和圖6的比較可以看出，隨著燃燒的進行兩種材料的煙顆粒尺寸變化規律基本相同，在同一時刻，PVC塑料的煙顆粒直徑要大于柴油煙顆粒直徑。這是因為煙顆粒尺寸的大小主要取決于可燃物的物理化學特性，由于PVC塑料為聚合物，柴油的主要成分為烷烴，通常聚合物燃燒產生的煙顆粒尺寸要大于烷烴類燃燒產生的煙顆粒尺寸。

通過對圖7和圖8比較可明顯看出，在細水霧的沖刷作用下，兩種煙顆粒內部的球形基本粒子更加離散，同時細水霧作用后的球形基本粒子要略大于無細水霧作用下的球形基本粒子。這是因為過飽和水蒸氣凝結在煙顆粒上，球形基本粒子吸附了大量的水蒸氣，體積和重量略有增加。

圖7 無細水霧作用下煙顆粒內部結構圖片Fig.7 Smoke particle structure without water mist applying

圖8 細水霧作用下煙顆粒內部結構圖片Fig.8 Smoke particle structure with water mist applying

從圖9和圖10中可看出，在細水霧的作用下柴油煙顆粒從最初的15 μm增大到60 μm，PVC塑料煙顆粒從最初的25 μm增大到70 μm。由于粒徑較小的細水霧迅速蒸發，火災環境的高溫進一步加快了霧滴的蒸發，煙氣中水蒸氣迅速飽和，此時煙顆粒不斷與微小水滴和水蒸氣發生凝聚合并，煙顆粒體積和重量不斷增大。粒徑較大的細水霧通過與煙顆粒的碰撞、攔截、凝聚以及擴散等動力學作用加速煙顆粒的凝聚。同時水的相變和云滴形成會導致溫度和濃度變化，伴隨著噴霧流引起的含煙顆粒空氣運動，使攜帶著煙顆粒的云滴和其他霧滴相互碰撞、凝聚進而增重下沉。在噴霧區內，霧滴迅速蒸發時，必然會在液滴附近區域內產生蒸氣的濃度梯度，形成由液滴向外流動擴散的斯蒂芬流，當水蒸氣在某一煙顆粒上凝結時，也會造成煙顆粒周圍蒸氣濃度的不斷降低，形成由周圍向凝結核運動的斯蒂芬流。因此，懸浮于噴霧區中的煙顆粒，必然會在斯蒂芬流的輸運作用下遷移運動，最后接觸并粘附凝結在霧滴上實現沉降。

圖9 細水霧作用下柴油煙顆粒形貌變化過程（工況5）Fig.9 Change progress of diesel oil smoke particle shape with water mist applying（case5）

圖10 細水霧作用下PVC塑料煙顆粒形貌變化過程（工況10）Fig.10 Change progress of PVC smoke particle shape with water mist applying（case10）

3.3 細水霧對dA影響分析

從圖11中可以看出，在細水霧的作用下，兩種材料的煙顆粒直徑明顯增大。根據對圖8的分析可知，構成煙顆粒的球形粒子吸收了水蒸氣，使得煙顆粒的體積和重量有所增大，同時煙顆粒與微小霧滴不斷凝聚合并，這也導致煙顆粒尺寸不斷增大。筆者定義一個無量綱參數Id：

式（3）中，Id代表細水霧作用下煙顆粒采樣平均直徑的增大倍數；dA0為細水霧作用前煙顆粒的采樣平均直徑；dAW為細水霧作用后煙顆粒的采樣平均直徑。

圖11 煙顆粒dA隨細水霧作用時間變化曲線Fig.11 Change regulation of smoke particledAwith water mist applying time

從圖12中可以看出，煙顆粒的采樣平均直徑增大倍數Id隨著壓力的增大而增加，這是因為隨著工作壓力的增大，霧滴粒徑不斷減小，霧滴粒徑越小，霧滴的蒸發速率就越快，這樣有利于煙氣中的水蒸氣達到過飽和。同時隨著工作壓力的增大，霧滴速度不斷增大，這強化了霧滴與煙顆粒之間的碰撞，更有利于煙顆粒的凝聚合并。

圖12 柴油煙顆粒Id隨壓力變化曲線Fig.12 Change regulation of diesel oil smoke particle Id with pressure

3.4 細水霧對ρS影響分析

從圖13可以看出，在細水霧作用下，兩種材料的煙顆粒表面密度明顯減小。這主要是因為細水霧有效地沖刷煙顆粒，煙顆粒不斷地凝聚沉降，導致空間中煙顆粒數量快速下降，使得吸附在采樣器表面的煙顆粒數量也快速下降。筆者等定義一個無量綱參數Aρ：

式（4）中，Aρ為細水霧作用下煙顆粒表面密度的衰減比例；ρS0為細水霧施加前煙顆粒的表面密度；ρSW為細水霧施加后的煙顆粒表面密度。

從圖14可以看出，Aρ隨著壓力的增大而增加。這是因為隨著壓力的增大，霧滴粒徑不斷減小，在細水霧與煙氣相互作用的過程中，顆粒較小的細水霧滯空性較好，有足夠的時間與煙顆粒凝聚合并；霧滴粒徑較大的細水霧則很快降落到地面，在空中懸浮時間較短，沒有充足的時間與煙顆粒凝聚合并。隨著壓力的增大，霧滴速度有所增加，這強化了霧滴與煙顆粒之間的碰撞作用，但霧滴速度加快也會導致細水霧滯空時間縮短，這不利于煙顆粒與霧滴的凝聚合并，從圖14可以看出，隨著壓力的增大煙顆粒表面密度的衰減比例不斷增大，因此可以推斷出，速度增大時，煙顆粒與霧滴之間的碰撞強化作用占主導地位，這有利于煙顆粒的沉降，而滯空時間縮短造成對煙顆粒沉降的不利因素占次要地位。可以得出這樣的結論，霧滴粒徑較小、速度較大且滯空時間長的細水霧更有利于煙顆粒表面密度的衰減。

圖13 煙顆粒表面密度隨細水霧作用時間變化曲線Fig.13 Change regulation of smoke particle ρSwith water mist applying time

圖14 柴油煙顆粒Aρ隨工作壓力變化曲線Fig.14 Change regulation of diesel oil smoke particleAρ with different pressure

4 結語

通過實驗研究和理論分析得出如下結論。

1）柴油和PVC塑料煙顆粒均是由直徑在0.05～0.1μm的分散球形基本粒子構成。PVC塑料煙顆粒直徑略大于柴油煙顆粒，隨著燃燒進行煙顆粒尺寸不斷增大，進入充分燃燒階段，煙顆粒尺寸不再增大。

2）隨著細水霧施加時間增長，煙顆粒采樣平均直徑dA增大，表面密度ρS減小。改變采樣點的空間位置對dA和ρS測量結果影響不大，實驗結果基本相同。這主要是因為霧滴與煙顆粒的混合物在受限空間接近均勻混合，且處于循環運動的分布狀態。

3）實驗發現，粒徑較小、速度較大且滯空時間長的細水霧更有利于煙顆粒的凝聚和沉降。在細水霧作用下煙顆粒表面密度快速下降，采樣平均直徑快速增大。隨著壓力的增大，煙顆粒表面密度衰減比例和采樣平均直徑增大倍數不斷增大。

[1]Kim A，Mawhinney J，Su J.Water-mist system can replace Halon for use on electrical equipment[J].Canadian Consulting Engineer，1996（5）：30-35.

[2]Botting R E.Fire engineering and research：Fire detection and protection of telephone exchange main distribution frames[C]//Annual Conference of the Institution of Fire Engineers Telecom Corporation of New Zealand Ltd.New Zealand：New Zealand Branch，1990.

[3]Hills A T，Simpson T，Smith D P.Water mist fire protection systems for telecommunication switch gear and other electronic facilities[C].USA：Water Mist Fire Suppression Workshop，1993，123-144.

[4]Carlzon B.Fire protection in computer room nordic conference on water mist applications[R].Swedish：Swedish National Testing and Research Institute，1997.

[5]張曉燕，郭 強，李 全.微細水霧除塵技術的研究[J].環境污染與防治，2003（8），234-237.

[6]張曉燕.微細水霧除塵系統設計及實驗研究[J].工業安全與環保，2001（8），1-4.

Study on variational principles of smoke particle shape and dimension with water mist appling

Fang Yudong
（Communication and Information Center of the State Administration of Work Safety，Beijing 100013，China）

The micrographs of diesel oil soot particles were achieved by transmission scanning electron microscope with and without water mist applied.It was seen by statistical analysis that the average diameter of soot particle increased and the surface density of soot particle decreased with water mist applied.The experimental results show that water mist washes out smoke mainly by dynamics effect，cloud physics effect and transportation mechanism of Steffen flow.This paper provides scientific references for water mist technology using in smoke scrubbing of computer room fires.

water mist；smoke particle；surface density；average diameter

X93

A

1009-1742（2014）02-0093-08

2012-12-04

國家自然科學基金青年科學基金項目（50904041）；中國博士后科學基金面上項目（20070410067）

房玉東，1979年出生，男，黑龍江哈爾濱市人，高級工程師，研究方向為清潔高效滅火技術、公共安全應急技術等；E-mail：fangyd@chinasafety.gov.cn