受限空間脈沖細水霧系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)試驗與數(shù)值模擬研究

李曉康 ，徐志勝

(1.中南大學 防災(zāi)科學與安全技術(shù)研究所，湖南 長沙 410075；2. 中國人民武裝警察部隊學院 消防工程系，河北 廊坊 065000)

數(shù)字出版日期： 2017-04-24

0　引言

脈沖細水霧是噴水與暫停循環(huán)交替進行滅火的細水霧系統(tǒng)，脈沖噴射對室內(nèi)氣體具有更強的擾動作用，能夠增強水霧與煙羽流的混合，使霧滴蒸發(fā)更加充分，有利于稀釋可燃氣體和氧氣，提高滅火效率[1]。

脈沖細水霧最初用于燃氣輪機機艙火災(zāi)，目的是避免設(shè)備破裂和變形[2]。1999年，Liu等[3]在長9.7 m，寬4.9 m，高2.9 m的房間內(nèi)進行了脈沖細水霧滅火試驗。房間中部放置柴油發(fā)動機模型，并在其他多個位置放置了不同尺寸的火源，分別采用連續(xù)和脈沖細水霧進行滅火，脈沖周期為50 s開啟30 s暫停和30 s開啟20 s暫停。結(jié)果表明，脈沖細水霧滅火效果較好，能夠減少滅火時間和用水量，某些連續(xù)細水霧無法滅火的場景可由脈沖細水霧實現(xiàn)滅火。滅火效果的提升是由于大量的稀釋和置換氧氣，以及脈沖細水霧的擾動作用。

2006年，Kapoor等[4]在1m3的試驗箱內(nèi)進行了脈沖細水霧熄滅油盤火的試驗研究。試驗箱頂部設(shè)有排煙口和2個超細水霧噴頭，油盤位于墻角，避免與水霧直接作用。改變火源功率和預(yù)燃時間，對連續(xù)和脈沖細水霧的滅火效果進行了對比。研究表明，脈沖細水霧滅火效果優(yōu)于連續(xù)細水霧，且在通風條件下同樣能高效滅火。合理設(shè)置脈沖周期對滅火效果有重要影響，每個脈沖周期內(nèi)暫停時間應(yīng)大于最大霧滴的生存時間，使霧滴最大限度蒸發(fā)。

脈沖周期是影響脈沖細水霧滅火效果的關(guān)鍵參數(shù)。從上述研究來看，脈沖細水霧的研究尚處于探索階段，雖然驗證了脈沖細水霧在一定條件下滅火的優(yōu)越性，但主導滅火機理和脈沖周期優(yōu)化設(shè)置等關(guān)鍵問題尚不明確，且研究結(jié)果都是用于特殊空間火災(zāi)，對于脈沖細水霧滅室內(nèi)火缺乏相關(guān)研究，影響了脈沖細水霧技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

針對上述問題，采用NIST開發(fā)的場模擬火災(zāi)軟件FDS(Fire Dynamic Simulator)對受限空間內(nèi)不同脈沖周期的細水霧熄滅油盤火進行數(shù)值模擬，研究脈沖周期設(shè)置等關(guān)鍵參數(shù)；根據(jù)模擬結(jié)果設(shè)置脈沖細水霧系統(tǒng)，對不同火災(zāi)場景下細水霧的滅火效果進行數(shù)值模擬和實驗驗證。研究結(jié)果為系統(tǒng)設(shè)計提供了依據(jù)，對提高滅火效率，拓展細水霧滅火理論，推廣脈沖細水霧技術(shù)具有重要意義。

1　脈沖細水霧系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)研究

FDS是計算流體力學程序，可以模擬火災(zāi)條件下熱量和燃燒產(chǎn)物的傳輸、材料的熱解和燃燒過程、水噴淋和細水霧對火災(zāi)的抑制效果等[5]，且模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好[6]。采用FDS對不同脈沖周期細水霧滅受限空間油盤火進行數(shù)值模擬，分析得到細水霧系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。

1.1　火災(zāi)場景和細水霧參數(shù)設(shè)置

計算區(qū)域為1.5 m×1.5 m×1.5 m的受限空間，網(wǎng)格劃分為75 mm×75 mm×75 mm，環(huán)境溫度為20℃?？臻g不設(shè)開口，用以模擬封閉的艙室或門窗關(guān)閉的房間?；鹪次挥诘匕逯虚g位置，采用邊長250 mm、高60 mm的方形柴油油盤來研究不同周期脈沖細水霧及連續(xù)水霧的滅火效果。模擬過程中，湍流模型采用大渦模擬[7](Large Eddy Simulation，LES)，燃燒模型選擇混合分數(shù)模型[8]。

1.1.1滅火條件

細水霧滅火是通過降溫冷卻和降低氧氣濃度實現(xiàn)的。對于細水霧冷卻滅火，F(xiàn)DS采用簡化的火災(zāi)抑制模型來計算熱釋放速率的變化。水霧對燃料和周圍環(huán)境具有冷卻作用，影響了可燃物的熱解速率?；贖amins和McGrattan的試驗結(jié)果[9]，燃料的質(zhì)量燃燒速率可表示為：

(1)

除冷卻滅火外，當氧氣濃度小于極限氧氣濃度時，便會窒息滅火?？梢酝ㄟ^設(shè)置絕熱火焰溫度(critical adiabatic flame temperature，CFT)來計算滅火時的極限氧氣濃度：

(2)

基于上述分析，對于細水霧冷卻滅火，將柴油的閃點56℃設(shè)置為滅火的臨界溫度，當柴油溫度低于56℃時火焰熄滅；對于細水霧窒息滅火，取TCFT為1 600 K，此溫度為碳氫化合物擴散燃燒的絕熱火焰溫度，柴油消耗單位質(zhì)量氧氣產(chǎn)生的能量為13 100 kJ/kg，由式(2)計算得極限氧氣濃度值為0.12，即氧氣質(zhì)量濃度達到12%時，火焰熄滅。

1.1.2脈沖細水霧設(shè)置

火源正上方距地面1.4 m處設(shè)置1個單噴嘴細水霧噴頭，可豎直向下噴射連續(xù)或脈沖細水霧。細水霧系統(tǒng)參數(shù)見表1。細水霧系統(tǒng)的流量mw可通過式(3)計算：

(3)

式中：p為系統(tǒng)的工作壓力；K為噴頭流量系數(shù)。

根據(jù)流量和孔口面積，便可得到霧滴的初始速度。脈沖周期的設(shè)置是脈沖細水霧系統(tǒng)的關(guān)鍵，對滅火效果有重要影響。為了確定合理的周期設(shè)置，開啟和暫停時間都分別取2 s，4 s，6 s，8 s和10 s，對25組不同脈沖周期的細水霧以及連續(xù)細水霧熄滅油盤火進行數(shù)值模擬。

表1　細水霧系統(tǒng)參數(shù)

1.2　結(jié)果分析

油盤預(yù)燃30 s后開啟細水霧系統(tǒng)，并測量油面溫度以及空間內(nèi)氧氣濃度、二氧化碳濃度、水蒸氣濃度和溫度場分布?？傆嬎銜r間為240 s。

1.2.1滅火時間分析

通過分析不同工況下的滅火時間，可為脈沖細水霧的優(yōu)化設(shè)計提供參考。滅火時間為開啟細水霧系統(tǒng)至火焰熄滅所經(jīng)歷的時間，不同脈沖周期細水霧及連續(xù)水霧的滅火時間見表2。根據(jù)表中數(shù)據(jù)可得到如下規(guī)律：

1)噴頭開啟時間固定，隨著暫停時間的增加，細水霧滅火時間呈先減小后增大的趨勢。

當暫停時間較短時，噴霧雖能夠降低火源燃燒速率，但空間內(nèi)溫度相對較低，不利于水霧的蒸發(fā)，特別是對于噴頭開啟時間較長的工況，暫停時間過短使脈沖細水霧近似于連續(xù)水霧，滅火時間會進一步延長。隨著暫停時間增加，火源燃燒增強，空間內(nèi)溫度升高，有利于水霧的蒸發(fā)，從而達到更好的窒息效果，故滅火時間逐漸減小并達到最小值。若進一步增加暫停時間會對火源的抑制作用減弱，火源恢復到猛烈燃燒狀態(tài)，使滅火時間延長。

表2　不同脈沖周期細水霧滅火時間

2)暫停時間固定，隨著噴頭開啟時間的增加，細水霧滅火時間呈先減小后增大的趨勢。

當噴頭開啟時間較短時，細水霧滅火時間較長，這是由于噴出的水霧量少，難以抑制火源，房間內(nèi)溫度高，且噴霧時間短，水霧難以進入燃燒區(qū)，不利于滅火。隨著噴頭開啟時間增加，持續(xù)的噴霧能夠使大量霧滴進入燃燒區(qū)并降至燃料表面，水霧充分蒸發(fā)，在降溫的同時置換和稀釋氧氣，故滅火時間逐漸減小并達到最小值。若進一步增加噴頭開啟時間，由于噴霧時間過長近似于連續(xù)水霧，降低了霧滴的蒸發(fā)效率，使滅火時間延長。

1.2.2霧滴的運動和蒸發(fā)

分析霧滴的運動和蒸發(fā)過程對于了解細水霧滅火機理、有針對性的進行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計具有重要意義。霧滴下落過程中受到的空氣阻力與速度的平方成正比。在火災(zāi)條件下，燃燒產(chǎn)生的火羽流具有很強的浮力作用，而細水霧霧滴直徑和動量小，極易被火場中的高溫煙氣帶走，難以降至燃料表面進行冷卻。霧滴的蒸發(fā)滿足二次方定律：

(4)

式中：τ為霧滴的生存時間，即完全蒸發(fā)需要的時間；d0為霧滴的初始直徑；kv為蒸發(fā)常數(shù)。

(5)

式中：λ為水的導熱系數(shù)；cp為水的比熱容；ρ為水的密度；qv為水的蒸發(fā)潛熱；T∞為燃燒區(qū)溫度；Tb為霧滴的溫度。

剛開始噴射水霧時，燃燒區(qū)溫度較高，取平均溫度為400℃，由式(5)計算得kv值為7.2×10-7。在此條件下，直徑300 μm的霧滴生存時間僅為0.125 s，霧滴初速度按10 m/s估算，考慮煙羽流的阻力作用，霧滴從噴頭到燃料表面的時間大于其生存時間。因此在噴霧初期，大部分霧滴被蒸發(fā)；隨著噴霧時間的增加，溫度降低，霧滴才能夠進入燃燒區(qū)到達燃料表面。根據(jù)模擬結(jié)果，從開始噴霧到燃料表面出現(xiàn)水霧的時間為7 s，對于連續(xù)細水霧，在此時間之后水霧能夠持續(xù)到達燃料表面進行冷卻；對于脈沖細水霧，由于噴頭暫停期間溫度上升，再次開啟噴頭霧滴仍會大量蒸發(fā)。

1.2.3滅火機理

表3給出了連續(xù)和脈沖細水霧滅250 mm油盤火時燃燒區(qū)的O2質(zhì)量濃度和H2O體積濃度以及油面溫度。連續(xù)細水霧滅火時O2濃度為13%，高于滅火的極限氧氣濃度，油面溫度為38℃，低于柴油的閃點，故滅火機理是冷卻滅火；脈沖細水霧滅火時O2濃度為12%，達到極限氧氣濃度，且油面溫度高于閃點，因此是窒息滅火。

表3　滅火時燃燒區(qū)域參數(shù)

圖1為連續(xù)和脈沖細水霧滅火過程中燃燒區(qū)O2質(zhì)量濃度變化曲線。對于連續(xù)細水霧，O2濃度是逐漸降低的。對于脈沖細水霧，圖中可明顯看出在噴頭暫停時O2濃度急劇下降，這一方面是由于燃燒消耗氧氣，另一方面是因為水霧大量蒸發(fā)稀釋了氧氣濃度并阻止新鮮空氣進入燃燒區(qū)。噴頭的反復動作有利于空間內(nèi)氣體的動力混合，每經(jīng)歷一個脈沖周期，O2的濃度都會有較大幅度的下降。

圖1　細水霧滅火過程中O2濃度曲線Fig.1　Concentration curve of O2 during the process of extinguishment by water mist

圖2　脈沖細水霧滅火過程中H2O濃度Fig.2　Concentration of H2O during the process of extinguishment by water mist in pulsed mode

連續(xù)細水霧滅火時間為82 s，脈沖細水霧僅為40 s，二者滅火效果的差異主要由水霧蒸發(fā)效率引起。連續(xù)細水霧滅火時水蒸氣濃度為18%，而脈沖細水霧滅火時水蒸氣濃度上升至20%。圖2為脈沖細水霧滅火過程中H2O體積濃度的截面圖。在30 s時，噴頭尚未啟動，房間內(nèi)少量的水蒸氣是燃燒產(chǎn)物隨煙氣上升的結(jié)果；35 s時，細水霧噴頭處于開啟狀態(tài)，霧滴在向下運動過程中蒸發(fā)，燃燒區(qū)附近蒸發(fā)速度最快；42 s時，噴頭處于暫停狀態(tài)，此時空間內(nèi)水蒸氣濃度較噴頭開啟時有了明顯的增加，表明暫停過程中懸浮在空氣中的霧滴大量蒸發(fā)；70 s時火焰熄滅，此時水蒸氣濃度達到20%，有效稀釋了氧氣使火焰熄滅。

根據(jù)上述模擬結(jié)果，結(jié)合霧滴運動和蒸發(fā)的理論分析可知，脈沖細水霧在噴霧初期霧滴大量蒸發(fā)，空間內(nèi)溫度降低，當霧滴布滿整個房間后暫停噴霧；在暫停階段燃燒增強，溫度升高，懸浮在空氣中的霧滴繼續(xù)蒸發(fā)。進入下一個脈沖周期后，受限空間恢復高溫狀態(tài)，將會重復上述過程，如此循環(huán)極大的提高了霧滴的蒸發(fā)效率并稀釋了氧氣，從而實現(xiàn)窒息滅火。

1.3　脈沖周期的優(yōu)化設(shè)計

由上述分析可知，脈沖細水霧并非對火源進行持續(xù)的降溫冷卻，在所有脈沖細水霧滅火的工況中，滅火時油面溫度均高于56℃，而氧氣質(zhì)量濃度均降至12%以下，且水蒸氣濃度非常高，大量水霧迅速蒸發(fā)產(chǎn)生的窒息作用是滅火的主要因素。因此，如何設(shè)置脈沖周期來提高水霧蒸發(fā)效率并達到最佳滅火效果，是脈沖細水霧系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。

在設(shè)計的火災(zāi)場景下，脈沖周期為8 s開啟、8 s暫停時，細水霧滅火時間最短。水霧平均粒徑為300 μm，但是在噴射過程中還會產(chǎn)生一部分較大粒徑的水霧。水霧與煙氣溫差200℃時，直徑600 μm的霧滴生存時間約為7 s[10]，因此暫停時間8 s基本為霧滴完全蒸發(fā)所需的時間，既保證了水霧的充分蒸發(fā)，又不會使燃燒過于增強。細水霧霧滴降至燃料表面的時間為7 s，因此噴頭開啟時間8 s能夠使霧滴充分降落并布滿整個空間，有利于提高蒸發(fā)效率。

因此，對于脈沖周期的優(yōu)化設(shè)置，應(yīng)使噴頭開啟時間接近霧滴降至燃料表面的時間，暫停時間應(yīng)接近霧滴的生存時間。

2　脈沖細水霧滅火試驗研究

由模擬結(jié)果可知，脈沖細水霧的滅火效率高于連續(xù)細水霧。為驗證模擬結(jié)果，建立細水霧試驗臺，采用周期為8 s開啟、8 s暫停的脈沖細水霧與連續(xù)細水霧，對受限空間不同尺寸火源進行滅火試驗，并與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比。

2.1　脈沖細水霧試驗臺

實驗采用單相流細水霧系統(tǒng)，該系統(tǒng)由細水霧噴頭、空氣壓縮機、水瓶組、比例減壓閥、流量計、壓力計和控制裝置等部分組成。利用空氣壓縮機作為增壓設(shè)備，其工作壓力為0～3 MPa，試驗中通過系統(tǒng)的比例減壓閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作壓力。在系統(tǒng)的管路中設(shè)有流量計，用來測量實驗時系統(tǒng)管路流量的變化。在噴頭末端管路上設(shè)有電子測壓設(shè)備，用來測量噴頭的末端壓力。脈沖控制系統(tǒng)采用多段式數(shù)位雙調(diào)型限時繼電器，通過時間繼電器調(diào)節(jié)電源通斷時間，繼而使電源控制電磁閥實現(xiàn)細水霧噴頭的噴灑與停止。

試驗箱尺寸為1.5 m×1.5 m×1.5 m(長×寬×高)，框架由5 mm厚的角鋼焊接而成，試驗箱前壁用5 mm厚的鋼化玻璃制成，用于觀察實驗中火焰燃燒過程和室內(nèi)煙氣的流動，其余壁面由水泥石膏板制成，為了方便測量設(shè)備的安裝和調(diào)試，在一側(cè)壁面設(shè)置尺寸為1.0 m×0.5 m的門，在燃燒室頂部中央設(shè)置細水霧噴頭，噴頭距離燃燒室底面1.4 m，總體裝置如圖3所示。

圖3　細水霧滅火過程中CO2濃度曲線Fig.3　Concentration curve of CO2 during the process of extinguishment by water mist

為研究脈沖細水霧滅火效果，采用不同尺寸火源進行實驗。燃料為0號柴油，油盤為直徑為150 mm，250 mm和350 mm，放置于燃燒室地板中間。試驗過程中門窗關(guān)閉，每次點火后，讓油盤在室內(nèi)預(yù)燃30 s，使油面上方形成穩(wěn)定火焰，之后啟動細水霧滅火，并記錄滅火時間。細水霧系統(tǒng)壓力設(shè)置為1 MPa，霧滴平均粒徑為300 μm，脈沖周期為8 s，開啟8 s暫停。

采用熱電偶測量空間內(nèi)溫度分布，最底層熱電偶放置在油盤表面測量油面溫度，其上方每隔150 mm設(shè)置1個熱電偶，共布置7個熱電偶，從下到上編號為1～7號。為了消除試驗誤差，每個實驗工況進行2次實驗，實驗結(jié)果取兩次實驗的平均值。

2.2　滅火時間對比分析

脈沖和連續(xù)細水霧滅不同尺寸油盤火時間見表4，脈沖細水霧滅火時間少于連續(xù)細水霧，且試驗結(jié)果與模擬結(jié)果趨勢一致，但試驗結(jié)果略高于模擬結(jié)果，這是由于試驗箱無法做到完全密閉，燃燒過程中會有少量新鮮空氣從外部進入，增加了氧氣供給。

對于脈沖細水霧，設(shè)計工況下滅火均發(fā)生在噴霧暫停階段，這表明噴頭停止動作時，霧滴的充分蒸發(fā)對滅火有重要影響。連續(xù)細水霧無法熄滅直徑150 mm的油盤，因為持續(xù)噴霧使燃燒強度減弱，空間內(nèi)溫度低不利于水霧蒸發(fā)，燃燒產(chǎn)物濃度較低，水霧在運動過程中將空氣帶入燃燒區(qū)，經(jīng)過一段時間的作用，火源的釋熱和散熱達到平衡狀態(tài)，形成穩(wěn)態(tài)燃燒，火焰無法熄滅。隨著油盤尺寸增大，滅火時間明顯減少，連續(xù)和脈沖細水霧滅火時間的差距縮小，這是由于受限空間內(nèi)氧氣有限，而大尺寸火源消耗氧氣多，產(chǎn)生的水霧量大，使燃燒難以維持。

表4　細水霧滅不同尺寸油盤火時間

2.3　脈沖細水霧滅火過程分析

以熄滅250 mm油盤火為例，油盤預(yù)燃30 s后啟動細水霧系統(tǒng)，在施加細水霧初期，會造成火源燃燒增強的現(xiàn)象，如圖4所示，這是由于細水霧霧滴進入燃燒區(qū)與燃料形成共沸[11]，即當2種互不相溶的液體共存時，沸點恒低于任一純組分的沸點。模擬過程中并不存在燃燒強化現(xiàn)象，這是由于FDS模型當中可燃物僅為1種，物理化學特性相對固定，且無法實現(xiàn)燃料與水霧的摻混。

圖4　施加細水霧對燃燒強度的影響Fig.4　Influence on combustion intensity by water mist

共沸增大了燃料蒸發(fā)速率導致燃燒加劇，并使空間內(nèi)部溫度升高，提高了水霧蒸發(fā)效率，消耗更多氧氣，在一定程度上有利于密閉空間滅火。燃燒強化現(xiàn)象出現(xiàn)在噴頭動作后3～4 s，繼續(xù)施加水霧則強化現(xiàn)象消除且火源受到抑制。在噴霧暫停過程中，火源燃燒強度會有一定的恢復，這使得空間內(nèi)溫度升高，懸浮在空氣中的霧滴進一步蒸發(fā)。

圖5　脈沖細水霧滅火過程溫度曲線Fig.5　Temperature curve during the process of extinguishment by pulsed water mist

試驗和數(shù)值模擬過程中燃燒區(qū)溫度變化曲線如圖5所示，脈沖細水霧滅火過程中溫度隨著噴頭的啟閉呈震蕩趨勢，并且滅火時燃燒區(qū)域溫度較高，因此判斷是稀釋氧氣而實現(xiàn)窒息滅火。在預(yù)燃階段，模擬溫度比實驗溫度高，這是由于在FDS燃燒模型中燃料與氧氣接觸便發(fā)生燃燒，而試驗過程中燃燒面積是由局部逐漸擴散至整個燃料表面，從引燃柴油到形成穩(wěn)定火焰需要一定時間，因此該階段試驗測定溫度曲線升溫較慢，溫度較低。在滅火過程中，試驗測得溫度值較模擬結(jié)果偏高，且震蕩幅度較小，這一方面是由于試驗箱無法做到完全密封，新鮮空氣進入增強了燃燒，另一方面是由于燃燒強化現(xiàn)象使得降溫幅度偏小，但二者總體趨勢一致，表明數(shù)值模擬結(jié)果能夠較好的反映實際火災(zāi)情況。

表5給出了脈沖細水霧滅火時燃燒區(qū)的O2質(zhì)量濃度、H2O體積濃度以及油面溫度。其中油面溫度為試驗測量結(jié)果，O2質(zhì)量濃度和H2O體積濃度為數(shù)值模擬結(jié)果。脈沖細水霧熄滅不同尺寸油盤火時，滅火瞬間燃燒區(qū)H2O濃度較高，水霧大量蒸發(fā)稀釋了氧氣和可燃氣體，滅火時O2濃度均降至極限氧氣濃度12%以下，且油面溫度均高于閃點，可判斷滅火機理為窒息滅火。從試驗現(xiàn)象分析，脈沖細水霧滅火前，如圖6、圖7所示，火源尺寸擴大并脫離燃料表面燃燒，之后迅速熄滅，表明火源周圍的氧氣濃度不足以維持燃燒，未燃蒸汽擴散至油池上方和周圍區(qū)域?qū)е禄鹧嫦蛴捅P外蔓延，并最終窒息滅火。

表5　脈沖細水霧滅不同尺寸油盤滅火時燃燒區(qū)域參數(shù)

圖6　火源熄滅前5 sFig.6　5 second before extinguishment

圖7　火源熄滅瞬間Fig.7　the moment of extinguishment

3　結(jié)論

1)當噴頭開啟時間接近霧滴降至燃料表面時間，暫停時間接近霧滴生存時間時，脈沖周期最佳，脈沖細水霧滅火時間最短。

2)脈沖細水霧滅火時間短，霧滴蒸發(fā)效率高，滅火機理為窒息滅火，水霧的大量蒸發(fā)稀釋氧氣對滅火起到關(guān)鍵作用。

3)對于不同尺寸火源，脈沖細水霧均能實現(xiàn)窒息滅火，且滅火效率高于連續(xù)細水霧，而連續(xù)細水霧無法熄滅直徑150 mm的油盤火。

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