不同水系統阻隔熱輻射研究進展

劉 琦，周 亮

(武警學院 a.研究生隊;b.消防工程系，河北 廊坊 065000)

不同水系統阻隔熱輻射研究進展

劉 琦a，周 亮b

(武警學院 a.研究生隊;b.消防工程系，河北 廊坊 065000)

介紹了水噴淋、水幕、水噴霧、細水霧四種不同水系統阻隔熱輻射的研究進展。其中，水噴淋對于熱輻射的阻隔效率最低，僅有5%～20%；水幕系統阻隔熱輻射效率一般在50%左右；而水噴霧與細水霧阻隔熱輻射的效率較高，可以達到70%～80%。液滴粒徑與液滴的體積濃度是決定熱輻射阻隔效率的決定因素。

水系統；熱輻射；阻隔效率；液滴粒徑；體積濃度

《蒙特利爾議定書》的簽訂，標志著給環境帶來重大危害的哈龍滅火劑逐步退出歷史舞臺。水作為一種清潔且易得的滅火劑，廣泛應用于滅火作戰與防火工程中，并且衍生出水噴淋、水幕、水噴霧、細水霧等多種滅火技術。這些技術大部分直接作用于火焰上來滅火；另一種用途是用于防火分隔，類似于防火墻與防火卷簾，用于保護儲油罐等敏感區域。其原理就是阻隔火焰熱輻射的傳遞。不同水系統需要不同種類的噴頭，噴頭的種類對于熱輻射阻隔作用影響較大。不同的噴頭噴灑出的液滴在粒徑、流速上存在較大差別，并且液滴形成的霧層厚度、液滴的垂直分布也不同。之前的研究者研究了水噴淋、水幕、水噴霧、細水霧等對于火焰熱輻射的阻隔作用。這些研究豐富了水系統的應用范圍，為研究新型的防火分隔噴頭提供了理論基礎。本文重點介紹前人對不同水系統阻隔熱輻射的研究進展。

1 水噴淋系統阻隔熱輻射研究

Kiyoto Usui和Ken Matsuyama[1]研究了水噴淋對火焰熱輻射的阻隔效果。他們使用了K30、K50、K80A、K80B、K80C噴頭(見表1)，水噴淋出水壓力為0.1 MPa；考慮了煙氣對阻隔熱輻射的影響，因而使用了正庚烷、乙醇兩種產煙量不同的燃料；并且考慮了火源在室內與室外的兩種情況。總體來說，水噴淋阻隔熱輻射的效率大概在5%～20%(詳見表2)。當使用乙醇這種發煙量較小的燃料時，火源在室內與室外對熱輻射的阻隔效率沒有差別；當使用正庚烷發煙量較大的燃料時，由于煙氣的作用，火源在室外的熱輻射阻隔效率要好于火源在室內。

表1 不同水噴淋噴頭的參數

表2 不同水噴淋噴頭阻隔熱輻射效率

此外，他們還驗證了Mie散射理論的準確性。根據Mie散射理論(見圖1)，如果水滴粒徑遠遠大于輻射波長，Mie散射集中于前向散射，即主要沿入射方向發生散射，其余熱輻射被吸收。波長大于2.7 μm的輻射波，90%以上被水滴吸收；而波長小于2.7 μm的輻射波，隨著水滴粒徑的增加，吸收率也隨之增大。試驗結果與Mie散射理論的計算結果基本一致，證明通過Mie散射理論來計算熱輻射吸收率是可行的。

圖1 Mie散射理論示意圖

2 水幕系統阻隔熱輻射研究

魏東、葛曉霞[2-4]等研究了消防水幕系統的隔熱效率。他們認為，消防水幕阻火隔熱的原理主要歸結為：(1)水幕系統產生的水滴對熱輻射具有吸收作用，水滴吸熱后發生氣態蒸發；(2)水幕系統產生的水滴對熱輻射具有散射作用，其中包括水滴對熱輻射的反射作用、水滴對熱輻射的折射作用以及水滴對熱輻射的漫反射作用，多種物理現象的聯合作用使得熱輻射偏離原來的方向，達到熱輻射衰減的效果；(3)水幕系統與周圍空氣發生輕微的對流換熱作用，水幕內部的水滴具有輕微的熱傳導作用。前兩種作用為水幕系統阻隔熱輻射的主要原理，起著決定性作用。

他們使用了ZSTMX-8、ZSTMS-10、ZSTMX-12噴頭，其中ZSTMX-8的流量特性系數K=28，ZSTMS-10的流量特性系數K=50.3，ZSTMX-12的流量特性系數K=52。使用了1.5m×1m的油盤作為火源，試驗過程中汽油的燃燒速度為2mm·min-1，火源的功率約為1.6MW。通過試驗發現，消防水幕具有較高的阻隔熱輻射效率，平均在50%左右。隨著系統總流量的增加，水幕的隔熱效率提高；系統總流量一定時，流量特性系數小的噴頭，隔熱效率較高；增加水幕系統的高度，水幕系統的隔熱效率降低；噴頭間距一定時，噴頭雙排布置比單排布置隔熱效率高；噴頭總數一定時，密集布置的隔熱效率較高；水幕寬度的增加對其隔熱效率的提高影響不大。他們還對水幕阻隔熱輻射進行了理論推導，建立了熱輻射衰減模型(見圖2)，假設溫度為T1的火焰表面A1通過熱輻射衰減介質水向另一溫度為T2的表面A2傳遞熱量Q12：

式中，E為輻射熱衰減系數，對自然分散的球型水滴粒子分布，有E=Kπr2N；L為水幕噴灑厚度；K為水幕對輻射熱的衰減因子；N為1m3體積內水滴粒子的數量；r為水滴粒子的半徑。

圖2 熱輻射衰減模型

水幕的荷載強度W為單位體積空間內水的質量(g·m-3)：

所以，得到水幕的熱輻射透射率為：

水幕對于輻射的衰減因子K可以通過Mie散射理論推導得到，其過程可參考A.Coppalle[5]和T.S.Ravigururajan[6]等人提出的近似方法計算。

水幕系統的熱輻射阻隔率為：

3 水噴霧系統阻隔熱輻射研究

S.Dembele與J.X.Wen等人[7]研究了水噴霧阻隔熱輻射的效果。他們使用了TG03與TG05兩種水噴霧噴頭，噴頭壓力可在1～7bar之間調節。他們使用了FTS60A型傅里葉紅外分光光度儀作為輻射源，可以產生波長為1.5～12μm的輻射波，輻射光譜近似于1 300 ℃的黑體輻射爐。考慮了4種變量：(1)噴頭壓力或噴頭流量；(2)噴頭下的垂直距離；(3)測量的角度(沿入射方向測量或其他方向)；(4)分光光度儀的分辨率。測量了兩種噴頭下200mm沿入射方向的熱輻射穿透率，如表3所示。

可以看出，隨著噴頭壓力增大(或者流量增大)，熱輻射透射率減小，也就是熱輻射阻隔率增大。這是由于噴頭壓力增大，水噴霧的水滴粒徑減小，水滴粒子的濃度增大。他們推導了公式(5)：

表3 噴頭下200 mm的熱輻射穿透率

式中，Kext為熱輻射衰減系數；Qext為Mie散射理論推導出的熱輻射衰減系數；C為水滴粒子濃度；ρ為水密度；d為水滴粒徑。

根據(5)式，可以得出隨著水滴粒徑減小，水滴粒子濃度增大，熱輻射衰減系數增大，熱輻射阻隔率增大。分別測量噴頭下方200、300、350mm的熱輻射穿透率，發現其穿透率差別不超過2%，所以得到噴頭下方不同垂直距離對熱輻射阻隔率無影響。筆者對于這點結論存疑，因為噴頭下方不同距離的水滴粒徑、水滴速度、水滴粒子密度會存在較大區別，改變成噴霧量較大的噴頭，多測量噴頭下方幾個不同的垂直距離，會得到不同的結論，下文中也會有所涉及。另外，隨著噴頭壓力增大，水滴粒徑減小，水滴對熱輻射的散射作用增強，其散射主要發生在1.5°～3.5°。

他們還研究了不同噴頭的布置方式對熱輻射阻隔的影響，測量了2層TG03噴頭、3層TG03噴頭以及兩種噴頭混合使用下的熱輻射穿透率。具體的測量數據如表4和表5所示。

表4 2層、3層TG03噴頭熱輻射穿透率

表5 TG05-TG03-TG05混合使用下的熱輻射穿透率

他們發現，多層布置噴頭并沒有取得理想的熱輻射阻隔效果，這是由于噴頭布置的間距過小，鄰近的噴霧相互作用，使得液滴的粒徑增大，液滴出現合并作用，所以沒有出現預期的熱輻射阻隔效果。在相同流量的情況下，TG03的液滴粒徑小于TG05，因而TG03比TG05的熱輻射阻隔效果更好。他們采用了TG03、TG05兩種噴頭的混合使用，使用液滴粒徑較大的TG05在外側，來阻擋外界風的作用；使用液滴粒徑較小的TG03在內側，起到了更好的熱輻射阻隔效果。

J.M.Buchlin[8]研究了水噴霧水幕阻隔熱輻射。他分別研究了垂直噴射與撞擊噴射兩種噴射形式(見圖3)，撞擊噴射是將水噴霧水平噴灑到墻體上冷卻，起到防止熱輻射傳遞的目的。

圖3 垂直噴射、撞擊噴射示意圖

在小尺寸試驗中，使用了VKI水噴霧設備，噴頭出口尺寸為0.51mm，噴頭壓力可在200～700kPa之間調節，索態爾平均直徑為50～200μm，液滴流速為3～15m·s-1。使用了丙烷燃燒器，模擬溫度為1 000K、熱釋放速率為14kW·m-2的火源。在全尺寸試驗中，使用了25m長、2m寬的液化天然氣燃燒池，使用兩層水噴霧噴頭。在垂直噴射下，得到了熱輻射阻隔系數A的計算式為：

其還測量了不同高度的水噴霧熱輻射阻隔率，具體結果如圖4所示。

圖4 熱輻射阻隔率垂直分布

在水噴霧水幕的上部，液滴粒徑較小，由于氣體的卷吸作用，造成水滴下降的速度減小，導致水滴的濃度增加，形成了(Ⅰ)氣體卷吸區，熱輻射阻隔率逐漸增大。然后，水噴霧充分發展，液滴的粒徑與下降速度都趨于穩定，形成(Ⅱ)中間區，熱輻射阻隔率變化也不大。最后，液滴蒸發逐漸增強，導致液滴的密度降低，形成了(Ⅲ)液滴蒸發區，熱輻射阻隔率也逐漸降低。

同時，J.M.Buchlin也研究了影響熱輻射阻隔率的因素。他發現，增大水噴霧系統的壓力，可以減小液滴粒子的粒徑、增大液滴粒子的濃度、加大液滴粒子與熱輻射的接觸面積，所以會顯著提高其熱輻射阻隔效率。同樣，增加水噴霧噴頭的數量也可以提高熱輻射阻隔率。對于提高水噴霧的熱輻射阻隔效率，較高系統壓力下合適的噴頭數量比低壓系統下增加噴頭數量更有效。當噴頭之間的間距小于其布水半徑的一半時，相鄰水噴霧會出現損害效應，使液滴粒徑變小、液滴下降速度增加，從而導致較低的液滴濃度，降低了熱輻射阻隔效率。總體來說，垂直噴射水噴霧水幕的熱輻射阻隔效率為70%左右。

S.Hostikka和K.McGrattan[9]根據三種不同的水噴霧噴頭，提出了阻隔熱輻射的數值模型，并用試驗進行了驗證。他們發現，在水滴之間相互作用可忽略的前提下，水霧阻隔火焰熱輻射的因素取決于水滴體積密度與水滴粒徑。他們對輻射阻隔的計算方法與水滴蒸發、散射的算法已經編入FDS。

4 細水霧系統阻隔熱輻射研究

ChungKee-Chiang、SiaoJing-Lun[10]等人對細水霧系統阻隔熱輻射的效果進行了研究，主要研究了液滴粒徑和噴頭安裝高度對熱輻射阻隔的影響。使用了甲醇作為燃料，分別在0.85m×0.6m的方形燃燒盤中添加3、5L。為達到在相同流速下，獲得不同液滴粒徑的目的，他們安裝了射流噴嘴與渦流室。定義了射流噴嘴與渦流室之間的橫截面積為Ar，Ar越大，噴嘴噴出的液滴下降速度越快，粒徑越大。激光散射粒徑分析儀用來測量液滴的粒徑，Mie散射激光粒徑測量儀用來測量液滴的分布。

為研究液滴粒徑的影響，首先，他們將噴頭安裝在2.7m的高度上，燃燒甲醇3L，其最大的熱輻射可以達到12.4kW·m-2。分別測量了不施加細水霧情況下、施加水噴淋情況下(水噴淋DV0.9大于1 000μm)以及施加DV0.9分別為100、200、300、400μm細水霧下的熱輻射。不同粒徑細水霧下的熱輻射隨時間的變化見圖5。

圖5 不同粒徑細水霧下的熱輻射

可以看出，水噴淋對于熱輻射的阻隔效果很不理想，而細水霧對于熱輻射的阻隔效果較好，且隨著細水霧液滴粒徑的減小，熱輻射阻隔效果變好。噴頭安裝在2.7m的高度上，燃燒甲醇3L，不同細水霧粒徑的熱輻射阻隔率隨時間的變化見圖6。

圖6 不同粒徑細水霧熱輻射阻隔率

他們列出了燃燒3、5L甲醇，不同粒徑細水霧在不同時間的熱輻射阻隔率，具體見表6。發現雖然燃燒5L甲醇的熱釋放速率比3L甲醇高出38%，但是對于細水霧的熱輻射阻隔率影響不大。

表6 不同試驗工況下熱輻射阻隔率

另外，他們還改變了噴頭高度，對其熱輻射阻隔效率的影響進行了研究。但是，由于條件限制，他們只研究了2.1與2.7m兩個高度下的熱輻射阻隔效率。通過試驗發現，噴頭高度設置在2.1m以下熱輻射阻隔效果更好，對于DV0.9為400μm的細水霧，兩個高度下熱輻射阻隔效率相差約為31%，對于DV0.9為200μm的細水霧，兩個高度下熱輻射阻隔效率相差約為13%。

叢北華[11]等進行了細水霧阻隔火焰熱輻射的研究，他們根據Mie散射理論，建立了細水霧阻隔熱輻射的兩通量模型，給出了簡化算法，并建立了細水霧阻隔火焰熱輻射的試驗系統，對兩通量模型進行了驗證。通過試驗，他們發現，細水霧的阻隔效率隨霧場厚度的變化是非線性的，霧場厚度增加，熱輻射阻隔效率提高，但提高幅度逐漸減小。細水霧對熱輻射阻隔衰減作用主要集中在火焰短波譜區的近紅外段。并且隨著火焰溫度的升高，細水霧阻隔熱輻射效率增加。

5 總結與展望

水噴淋、水幕、水噴霧、細水霧對于熱輻射阻隔都有一定的效果。但是，相對來說，水噴淋阻隔熱輻射的效果較差，僅能阻隔5%～20%的熱輻射。水幕阻隔輻射熱有一定的效果，可以達到50%左右。而水噴霧、細水霧對于熱輻射的阻隔效果較好，能達到70%左右。研究表明，水滴粒徑越小，體積濃度越大，對于熱輻射的阻隔效果越好。并且也研究了水霧的垂直分布對于熱輻射阻隔效果的影響。Mie散射理論可以廣泛應用于各種水系統阻隔熱輻射的理論模型建立，其可靠性已經得到了試驗驗證。

細水霧阻隔熱輻射的效果較為理想，但針對這方面的相關研究較少，尤其針對高壓細水霧系統研究更是欠缺。筆者建議開展系統的高壓細水霧阻隔熱輻射研究，并且研究風等環境因素對阻隔熱輻射的影響。根據Mie散射理論，建立針對高壓細水霧霧層形狀的熱輻射阻隔模型。

[1]KiyotoUsui,KenMatsuyama.Anexperimentalstudyonattenuationofradiantheatfluxfromflamethroughwaterdroplets[C].FireSafetyScience-draftProceedingsofTheEleventhInternationalSymposium,2014:1196-1207.

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[11] 叢北華,蔡志剛,陳呂義,等.細水霧阻隔火焰熱輻射的模擬研究[J].中國安全科學學報,2005,15(12): 69-73.

(責任編輯 馬 龍)

Research Progress in Heat Radiation Attenuation of Different Water Systems

LIU Qia, ZHOU Liangb

(a.TeamofGraduatestudents;b.DepartmentofFireEngineering,TheArmed
PoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

The paper introduces the research progress in heat radiation attenuation of four kinds of water systems--water sprinkler system, drencher system, water spray system and water mist system. Among them, water sprinkler system has the lowest efficiency in heat radiation attenuation, only 5%～20%. The efficiency of drencher system in heat radiation attenuation is generally around 50%. The efficiency of water spray system and water mist system in heat radiation is higher; which can reach 70%～80%. Droplet size and volumetric droplet concentration are the decisive factors to determine the efficiency of heat radiation attenuation.

water system; heat radiation; attenuation efficiency; droplet size; volumetric droplet concentration

2016-07-06

劉琦(1992— )，男，山東濟南人，安全科學與工程專業在讀碩士研究生； 周亮(1979— )，女，湖北恩施人，副教授。

TQ569;D631.6

A

1008-2077(2017)02-0010-05