細水霧滅火效果影響因素的數值模擬研究

文/高建豐 徐文祥 袁健威

細水霧滅火效果影響因素的數值模擬研究

文/高建豐 徐文祥 袁健威

影響細水霧滅火效果的因素很多，本文著重研究壓力和細水霧噴頭相對于池火距離大小對滅火過程產生的影響；壓力決定水霧動量，而噴頭位置決定了水霧噴灑的范圍，為了取得最佳滅火效果，兩者要綜合考慮，找出合適的壓力和位置點。本文運用FDS仿真模擬了細水霧滅火全過程，得出壓力為8MPa時和噴頭距離池火2．0m處滅火效果最好。

細水霧；滅火效果；影響因素；壓強；噴頭位置；數值模擬

火災事故往往對人們生命財產造成重大損失，因此研究火災消防安全技術具有重要意義。隨著火災科學的不斷發展，滅火的方式也在不斷地改進，細水霧滅火技術由于經濟實用近年來發展較快[1]。細水霧的滅火原理：（1）水滴蒸發成水蒸氣，吸收了大量熱量。（2）隔絕了空氣，細水霧遇熱大量蒸發為水蒸氣，使得氣體體積擴大很多倍，趕走了空氣，并阻止新的空氣進入，沒有了助燃劑，燃燒也就無法進行下去了。（3）隔絕熱輻射，水蒸氣將整個火焰堆包籠住，使得火焰的輻射無法向外圍擴散[2～5]。根據細水霧滅火技術的這些特點，已經運用到許多場合，比如圖書館、博物館等一些不能用尋常滅火手段來解決火災的場所，特別象油輪著火，油罐著火等，不能用消防水槍撲滅，但適用細水霧撲滅火災[2]。

人們做過許多類似細水霧的實驗，包括抑制甲醇、酒精、煤油等一些化學品池火燃燒實驗。由于火災實驗安全要求相對較高，一些實驗設備也很昂貴，對開展火災實驗帶來一定的困難[2]。

針對以上問題，我們可以用計算機仿真軟件進行數值模擬，設定燃燒的大環境，生成燃料燃燒反應的池火堆，接著生成熱電偶和溫度切片平面，最后在合適位置模擬出細水霧噴頭，通過輸出不同壓力來研究池火燃燒情況和其溫度的變化，通過觀察模擬實驗的數據得出結論。

一、模型的建立

本文用美國標準技術研究院研發的PyroSim進行細水霧噴頭滅火效果的仿真模擬。PyroSim消防模擬軟件包括模型建立、運行求解和分析處理三個基本過程。軟件以計算流體力學為依據，可以模擬預測火災中的煙氣、溫度以及濃度的變化情況[2～6]。本模擬采用的模型有大渦湍流模型、混合物分數模型、歐拉-拉格朗日模型。模擬中設定總的模擬時間為100秒，在20秒的時候釋放細水霧，燃燒器在模擬中是一直開啟的。

1.1 .模擬火災場景設置

本次模擬的場景設定是長4m、寬3m、高3m的開頂空間，頂部連接外部使得空氣流通，燃燒能夠持續，如圖1所示。考慮到網格的形狀，這邊最合適模擬方形的油池火，尺寸為0.5×0.5×0.1，場景四周是系統默認的混凝土結構，在油池火正上方1.5m處安置一個熱電偶，在X～Z平面與油池火中心垂直面的相交面上設置一個溫度切片平面，觀察溫度的變化。最后細水霧噴頭位置設置在池火正上方的位置。如圖1所示

圖1 模擬火災場景圖

網格劃分的越精細，計算的誤差也越小。所以我們在選擇網格的時候需要仔細選擇，通過計算得到適合實驗的網格?；鹪锤浇木W格尺寸由特征直徑D*/δx決定，其中：

D*為火源直徑參數，由式1確定[3～7]：

式中Q表示熱釋放速率，w；ρ0表示環境空氣密度，kg/m3；C0表示空氣比熱容；J/kg.℃；T0為環境溫度；K為流量系數；g為重力加速度，m/s2。δx最小網格尺寸，為最小網格尺寸，當網格尺度小于0.1D*時，FDS模擬的火災煙氣溫度與流動將符合Baum和MaCaffey實驗的曲線擬合方程。依據上述理論，δx=0.1D*為最小網絡尺寸，油池火的水平面積為0.25m2。實驗用做燃燒的燃料是汽油，通過資料查詢，汽油的平均燃燒速率為0.055kg/（m2·s），熱釋放速率Q為250kw[3]。

表1 噴頭參數設置

二、壓力與位置不同的模擬

2.1 不同壓力下細水霧對同一個池火滅火效果的分析。

分別模擬了在0.1MPa、0.7MPa、3MPa、8MPa、10MPa壓力下噴出的細水霧對同一個油池火滅火影響的比較。

圖2 軟件模擬細水霧滅火的全過程

從圖3可以看出池火的溫度由原先設定的環境溫度20℃迅速上升到140℃，我們可以看到20s到25s之間，池火的溫度沒有發生很大的變化，略有上升的趨勢，這可能因為模擬軟件選用的是混合氣體模型，可燃性的氣體與O2發生迅速的氧化反應，從而釋放大量的熱量，導致溫度曲線持高不下，這在實驗中也是存在的，被叫做“火焰強化現象”[3]。

圖3 池火溫度隨時間的變化規律

從圖3可以清楚地看到25s到40s之間，溫度曲線驟然下降，從圖中可以看出細水霧的滅火出現了效果。因為模擬實驗中池火是一直開啟著的，所以曲線到最后不會到達環境溫度，但我們可以看到曲線到最后開始平穩，到達恒定的值。相對于壓力較小的0.7MPa，我們可以從圖3中觀察到它從溫度上升到下降到環境溫度顯然比之前3MPa所用的時間要長，下降曲線的斜率要小。圖3中0.1MPa的溫度曲線與之前的兩條有著明顯的不同，我們從圖中可以看出曲線上升到燃燒值并沒有下降，細水霧沒有達到理想的滅火效果，因為輸出壓力小導致噴出的水霧霧動量不夠，不足以穿透火羽表面，也就無法進入火焰內部，從而無法達到滅火的效果。從8MPa曲線與10MPa曲線我們可以看出并不是施加的壓力越大，滅火效果就越好，這是因為水滴動量大了，噴頭所釋放的水霧霧通量會減小，所覆蓋的滅火面積會相應減小，滅火性能也會受到影響。

通過上面的對比，我們需要合適地選用壓力，才能達到我們所要的滅火效果。通過以上的分析，我們可以看到雖然3Mpa和0.7Mpa對池火的滅火有一定的效果，但壓力為8.0Mpa時滅火效果更明顯，0s至25s之間為火焰的上升階段，25s之后火焰被抑制，而20s時細水霧開啟，我們可以看出有一段時間火焰在增長，所以我們把滅火的過程分為四個過程：火焰初步增長過程、火焰初步抑制過程、火焰再增長過程、火焰再抑制過程[2]。主要過程是在再抑制過程，我們需要縮短火焰再增長時間，這樣才能更好地達到滅火的效果，及時挽回相應的損失。

2.2 對于細水霧噴頭距離油池火的位置對滅火效果的影響。

基于先前有許多實驗關于細水霧噴頭橫向位置不同對細水霧滅火的影響，實驗表明，噴頭位于池火的正上方對細水霧滅火的效果最好[4～6]。池火正上方時，縱向距離大小對細水霧滅火有影響，考慮到霧滴脫離噴頭時進行自由落體運動，縱向速度不斷增大，導致霧滴的霧動量會不斷增大，而且在不同的位置下，噴頭噴出的水霧對池火堆的覆蓋也不同，VX在水滴運動期間不斷減小，而VY不斷增大，所以水滴運動曲線類似于平拋運動，VX的大小影響著霧滴的霧化錐角，對細水霧滅火效果的影響十分巨大。在一定程度上VX決定了水霧噴過的橫向距離，如果忽略空氣阻力的話，霧化錐角θ與VX在數學上有著一定的關系：

其中一為重力加速度，h是水滴距離油池火的垂直距離，δ是水滴距離油池火的水平距離，θ為水滴速度夾角。如圖四所示，VX的大小直接決定了δ的大小，而實驗所給的壓力也決定了VX，又因為我們既要考慮VX·t≥δ，根據熱電偶記錄的溫度曲線圖，噴頭給予的壓力為8.0MPa。從圖中我們觀察到20s～25s的時候，細水霧開始發揮其滅火效果，有3條線是重合的，1.0m、1.5m和2.0m處細水霧滅火效果一樣。2.5m與3.0m曲線斜率較小，滅火效果沒有前面的好。25s～30s時，1.0m與2.0m曲線趨于平穩，溫度不再下降。至40s的時候，5條曲線溫度都達到最小值，2.0m、2.5m和3.0m都差不多達到了所設的環境值20℃。從40s到100s之間看，2.0m處噴發的細水霧有更好的滅火效果，因為其曲線走向更加平穩，而且較3.0m和2.5m，2.0m曲線斜率也比其它2條要大，滅火時間要短，這對火災上的應用十分關鍵。經過上面的對比，得出噴頭位于2.0m處的滅火性能效果最好。也要確保V盡量大點，所以要找到一個合適點十分重要。

圖5是噴頭分別距離池火堆1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m噴出細水霧。

圖4 細水霧噴頭距離油池火的位置示意圖

圖5 溫度曲線圖

三、結論

（1）通過數值模擬仿真，研究了壓力和噴頭位置不同對細水霧滅火性能的影響，數值模擬的數據與實際實驗場景較相近，為實驗提供了理論指導。

（2）實驗得出的結果壓力為8MPa和噴頭距離池火2.0m處滅火效果最好。

（3）對細水霧動量和霧化錐角的問題作出詳細的解釋，還有待做進一步的研究。

[1]劉俊奎．高壓細水霧滅火參數優化的數值模擬研究[D]．安徽理工大學，2016．

[2]喬林，蔣軍成，孫智灝．不同燃料池火細水霧抑制過程數值模擬[J]．消防科學與技術，2013（5）：484～490．

[3]喬林，蔣軍成，孫智灝等．壓力對細水霧抑制汽油池火影響數值模擬[J]．南京工業大學學報（自科版），2014，36（1）：92～96．

[4]周華，范垣霄，鄧東．細水霧滅空間不同位置油池火的數值模擬[J]．消防科學與技術，2006，25（1）：52～54．

[5]杜文鋒．細水霧滅火機理研究進展[J]．消防技術與產品信息，2013（8）：74～76．

[6]連振興．細水霧滅火數值模擬研究[D]．中北大學，2008．

[7]朱偉青．細水霧滅火過程的數值模擬[D]．河北工業大學，2014．

浙江省科技廳公益基金項目“大型石油儲罐群智能滅火系統研究”（2015C31014）

（

浙江海洋大學石化與能源工程學院/臨港石油天然氣儲運技術國家地方聯合工程實驗室）