細水霧抑制室內轟燃的試驗研究

陳愛平，王 超

(1．武警學院 科研部，河北 廊坊 065000； 2．開封市消防支隊，河南 開封 475004)

●消防理論研究

細水霧抑制室內轟燃的試驗研究

陳愛平1，王 超2

(1．武警學院 科研部，河北 廊坊 065000； 2．開封市消防支隊，河南 開封 475004)

為探索細水霧抑制室內轟燃問題，在小規模火災實驗箱內開展了試驗研究。針對不同流速(qw)的12種火災場景，探討了細水霧對噴出火焰、熱煙氣層溫度及轟燃延遲時間的影響，得到了細水霧抑制轟燃所需臨界流速。在此基礎上，提出了判定細水霧抑制轟燃效果的指標——轟燃抑制度(IF·C)，找到了IF·C和qw之間的關系，相關研究結果在大規模室內火災試驗中得到了驗證。

轟燃；細水霧；熱煙氣層溫度；轟燃抑制度；室內火災

0 引言

在室內火災中，轟燃的發生往往會造成嚴重的人員傷亡和財產損失[1-2]，因此，室內轟燃抑制問題引起了越來越多研究者的興趣和關注。作為一種新型滅火技術，細水霧系統得到了廣泛的應用，針對室內火災中細水霧的滅火機理和效果，研究者們通過試驗探索和數值模擬開展了大量工作[3-6]。細水霧滅火機理主要包括火焰冷卻、燃料表面冷卻、置換氧氣等，但其滅火過程往往是多種機理共同作用的結果，只是對特定火災場景而言某種滅火機理可能起主導作用。細水霧對轟燃也具有抑制作用，主要是因為它能降低室內火災的熱煙氣層溫度及其熱輻射。部分研究者對細水霧抑制轟燃的問題進行了研究[7-10]，但目前關于這一研究領域的報道尚不多見。本文旨在通過試驗探討細水霧對轟燃抑制的效果，并藉此提出相關判定指標。

1 試驗設計

1.1 火災實驗箱及數據檢測系統

火災實驗箱以ISO 9705標準實驗房間[11]的1/4尺寸規模進行設計，外觀尺寸為長1.0 m、寬0.7 m、高0.7 m，內部尺寸分別為0.9 m、0.6 m、0.6 m，如圖1所示。在實驗箱的一側面設置觀察窗，它由4塊高0.3 m、寬0.2 m的耐高溫石英玻璃板構成。箱體各側面均可開啟，但關閉后能保證密封良好，并能依據試驗需要改變開口大小。

圖1 室內火災實驗箱

火災數據檢測系統主要用于檢測實驗箱內熱煙氣層的溫度。為得到這一溫度的平均值，根據一些研究者的建議[12]，在箱內設置了由3排、共計12支傳統K型鎧裝熱電偶構成的熱電偶組，其中，L2是噴頭正下方的熱電偶組，L1、L3是位于噴頭兩側的熱電偶組，如圖2所示。試驗設定每隔5 s讀取并記錄一次溫度數據。火災實驗箱及數據檢測系統更為詳細的信息可在筆者的其他文獻[13-14]中找到。

圖2 熱電偶分布圖

1.2 細水霧滅火系統

本研究采用氣泡霧化細水霧滅火系統，如圖3所示。該系統能將少量霧化氣體以氣泡的方式注入到液體中，使得液體在噴出時形成兩相流，氣泡膨脹破裂后形成霧滴。盡管該系統水和壓縮氣體的工作壓力均較低，但能產生平均粒徑不大于200 μm的I級細水霧[15]。

1.氣體儲瓶；2.液體儲瓶；3、6.壓力表；4、5.針閥；7、8.球閥；9.噴頭；10.火災實驗箱；11.細水霧入口

需要說明的是，細水霧入口位置對轟燃抑制效果的影響非常復雜，為便于試驗研究，本文選擇最具代表性的位置(即實驗箱頂棚中心位置)作為細水霧入口位置。

1.3 試驗條件

采用正方形有機玻璃塊作為燃料，邊長0.3 m，厚度0.7 cm，均置于地板中央的燃料托盤中。

細水霧噴出壓力較高時，流量較大，降溫效果較好，能有效抑制轟燃發生；相反，壓力降低，流量減小，降溫效果降低，此時不但可能無法滅火，甚至可能發生轟燃。Qin等人[3]發現：氣泡霧化細水霧作用于0.3 m見方的有機玻璃火時，有效滅火壓力在0.8 MPa以上、流量在3.0 L·min-1以上。鑒于此，本研究采用的細水霧工況見表1。

表1 細水霧抑制轟燃的試驗壓力工況

2 結果及討論

2.1 細水霧對噴出火焰的影響

在噴出壓力足夠大時，細水霧能有效滅火，抑制轟燃發生，因而不會出現噴出火焰；當細水霧工作壓力和流量減小到不能抑制轟燃發生時，會出現噴出火焰。圖4所示為不同細水霧壓力下的噴出火焰強弱圖像。

圖4表明，施加細水霧后，即使發生了轟燃，相對于未施加細水霧的噴出火焰也要減弱許多；細水霧壓力增加后，噴出火焰強度隨之降低，直到能抑制轟燃，噴出火焰不再出現。圖中顯示的就是這三種情況：(1)沒有施加細水霧，轟燃發生；(2)細水霧噴出壓力為0.4 MPa，不足以抑制轟燃；(3)細水霧噴出壓力為0.7 MPa，轟燃沒有發生。

2.2 細水霧對熱煙氣層溫度的影響

細水霧的滅火作用主要體現在其對熱煙氣層溫度的影響上，圖5所示為細水霧抑制轟燃的典型工況溫度變化曲線。

由圖5可知，隨著壓力增大，細水霧流量的增加，熱煙氣層峰值溫度降低。在0.7 MPa和0.9 MPa壓力下，熱煙氣層的峰值溫度基本不超過450 ℃，沒有發生轟燃；在0.2 MPa和0.4 MPa壓力下，雖然細水霧對熱煙氣層有局部降溫效果，但隨后會有所上升，沒有達到抑制轟燃的效果。需要特別指出的是，在0.4 MPa壓力下，雖然熱煙氣層峰值溫度沒有達到600 ℃，但也發生了轟燃，主要原因是溫度上升速率達到了轟燃條件[16]。

(a)0 MPa(發生轟燃)

(b)0.4 MPa(抑制轟燃失敗)

(c)0.7 MPa(抑制轟燃成功)

圖5 不同細水霧壓力下熱煙氣層溫度曲線

2.3 細水霧對轟燃延遲時間的影響

圖6所示為轟燃發生的延遲時間與細水霧流量之間的關系。從圖6可看出，隨著細水霧流量增大，轟燃延遲時間增加；當流量足夠大時，轟燃延遲時間為無窮長，可認為其得到抑制。

圖6 不同細水霧流量下轟燃延遲時間

2.4 細水霧抑制轟燃的臨界流量

根據試驗結果，得到12種工況下熱煙氣層峰值溫度及抑制轟燃的情況，見表2。綜觀表1和表2可知，發生轟燃和未發生轟燃時，細水霧流量界限大致為2.33～2.58 L·min-1；未發生轟燃與火焰被熄滅時，細水霧流量界限大致為3.46～3.58 L·min-1。因此，可初步得出：在本文研究條件下，細水霧抑制轟燃的臨界流量為2.33～3.58 L·min-1。

表2 不同流量細水霧抑制轟燃的情況

另外，表2中所列的熱煙氣層峰值溫度(Tgpeak)與表1中所列的細水霧流量(qw)之間存在較好的線性關系，擬合直線為：

3 轟燃抑制度

3.1 轟燃抑制度的概念

上述試驗研究結果表明，細水霧對轟燃抑制的效果主要體現在降低熱煙氣層溫度上。以未施加細水霧時的轟燃情況為參考，表3列出了施加不同壓力的細水霧后熱煙氣層峰值溫度及其上升速率情況。在表3中，(dT/dt)peak表示熱煙氣層的峰值溫度上升速率；ΔTpeak表示施加細水霧后的熱煙氣層峰值溫度(即Tpeak)與未施加細水霧時峰值溫度(即Tpeak·o)的差值；Δ(dT/dt)peak表示施加細水霧后的熱煙氣層峰值溫升速率與未施加細水霧時峰值溫升速率的差值。

表3 不同細水霧壓力下熱煙氣層溫升速率

從表3可看出，隨著細水霧工作壓力增加，熱煙氣層峰值溫度降幅增大，細水霧對轟燃的抑制效果最直接地體現在抑制熱煙氣層溫度上。但是溫度并不能解釋所有的試驗結果，如前所述，在0.3～0.4 MPa的細水霧抑制轟燃試驗中，盡管峰值溫度沒有達到600 ℃，仍然發生了轟燃。

為全面描述細水霧對轟燃抑制的效果，需要綜合考慮熱煙氣層溫度及其溫升速率的變化情況，因此，提出轟燃抑制度的概念作為判定轟燃抑制效果的參量，即：

IF·C值越大，表明轟燃被抑制的程度越高，或所采取的抑制工況越有效。表3中列出了不同細水霧噴出壓力工況下轟燃抑制度的值，由此可看出，對于抑制轟燃失敗的工況，IF·C均小于1 ℃·s-1。

3.2 轟燃抑制度的臨界值

表1和表3中的數據表明，細水霧流量越大，轟燃抑制效果越好；進一步分析發現，二者近似成二次曲線關系，即：

前面提到，轟燃得到抑制的細水霧流量界限為2.33～3.58 L·min-1，將其代入式(3)，可得到轟燃抑制度(IF·C)的范圍，即0.82～2.56 ℃·s-1。依據表2中的試驗結果，轟燃得到抑制時的轟燃抑制度范圍為1.08～2.29 ℃·s-1，則可取轟燃抑制度的范圍為1.08～2.56 ℃·s-1。這樣取值相對比較保守，但對于轟燃抑制措施選擇更有利于安全。

以上分析說明，轟燃抑制度大于1.08 ℃·s-1時，對應的抑制手段能控制轟燃不發生；如果轟燃抑制度不小于2.56 ℃·s-1，則室內火災燃燒開始衰減，火焰逐漸熄滅。

3.3 轟燃抑制效果的分級

依據轟燃抑制度，可將轟燃抑制效果分為三級，見表4。圖7描述了轟燃抑制度與熱煙氣層溫度的關系。

表4 轟燃抑制效果分級

圖7 轟燃抑制度與熱煙氣層溫度的關系

根據圖7，參照轟燃抑制效果分級，可相應地將熱煙氣層溫度分為三個區域：在I區，熱煙氣層溫度大于550 ℃，此時的轟燃抑制是失效的；在II區，熱煙氣層溫度為370～550 ℃，此時的轟燃抑制是成功的，但無法完全熄滅火焰；在III區，熱煙氣層溫度小于370 ℃，此時不但可抑制轟燃，還可熄滅火焰。從圖7還可看出，熱煙氣層溫度越低，施加細水霧抑制轟燃越有效。在火災發展過程中，熱煙氣層溫度不斷上升，因此越早施加細水霧，抑制轟燃的效果越明顯。應盡量在熱煙氣層溫度低于370 ℃時施加細水霧；熱煙氣層溫度超過550 ℃后再施加細水霧，抑制作用失效。

3.4 大規模火災試驗驗證

大規模火災實驗室為磚混結構，其內部尺寸為長3.0 m、寬3.0 m、高2.8 m，開口大小為寬2.0 m、高1.2 m。燃料為柴油，燃料盤面積0.4 m2，置于地面中央處；細水霧噴頭共設置為4個，每個噴頭采用的流量為1 L·min-1。

圖8所示為大規模火災試驗中測得的熱煙氣層溫度變化曲線。從圖中可看出，著火60 s后施加細水霧，熱煙氣層峰值溫度為306 ℃，轟燃得到抑制；450 s時，這一溫度接近50 ℃，而后火焰被撲滅。

圖8 大規模火災熱煙氣層溫度變化曲線

根據式(1)和(3)，可得到Tpeak為320 ℃，這與上述測定值(即306 ℃)比較接近；還可得到IF·C為3.11 ℃·s-1，即其大于2.56 ℃·s-1，根據轟燃抑制效果分級，火焰應該熄滅，這與上述實際情況也是吻合的。由此可見，大規模火災試驗結果在一定程度上驗證了上述小規模試驗研究結果。

4 結論

4.1 細水霧可有效減弱室內火災噴出火焰，降低熱煙氣層溫度，增加轟燃延遲時間。熱煙氣層峰值溫度(Tpeak)與細水霧流量(qw)的關系可表達為Tgpeak=865.6-136.4qw，抑制轟燃的細水霧流量應大于2.33 L·min-1。

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(責任編輯 馬 龍)

Experimental Studies on Controlling Flashover in Enclosure by the Water Mist

CHEN Aiping1, WANG Chao2

(1. Department of Scientific Research, The Armed Police Academy, Langfang, Hebei Province 065000, China; 2. Kaifeng Municipal Fire Brigade, He’nan Province 475004, China)

Experiments were conducted in a small-scale firebox equipped with water mist system and data acquisition one to explore flashover control in enclosure fires by the water mist. Twelve fire scenarios under different operating flow rates (qw) of water mist were experimentally investigated to show the influence of water mist on the extrusive flame, hot gas layer temperature and delay time of flashover; the critical flow rate needed for restraining flashover by the water mist was determined. An indicator (IF·C) that can be used to judge the effectiveness of flashover control by the water mist was proposed, and the critical value ofIF·Cneeded for restraining flashover and the relationship betweenIF·Candqwwas obtained. The relevant results were verified in a full-scale experiment.

flashover; water mist; temperature of hot gas layer; indicator of flashover control; enclosure fire

2017-05-25

陳愛平(1964— )，男，湖北浠水人，教授； 王超(1988— )，男，河南輝縣人，工程師。

TK121；D631.6

A

1008-2077(2017)08-0005-05