基于高強超聲波的電力隧道火災煙霧顆粒試驗研究

呂洪坤，陳 云，毛智超，郭玉鑫，余 斌，張光學

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.浙江浙能電力股份有限公司，杭州 310007；3.中國計量大學能源工程研究所，杭州 310018）

0 引言

近年來，各省市普遍采用地下隧道鋪設電纜供電方案，在增加城市整潔度和美觀度的同時，方便了后續的維護和設備更換工作［1］，但也帶來了火災安全隱患。部分城市已經發生多起地下電纜造成的火災事故［2-3］。電纜隧道內一旦發生火災，高分子類有機化合物在受熱燃燒時，會在短時間內產生大量有毒煙霧［4］。而電力隧道空間往往比較狹小，煙霧短時間就可以降低能見度，影響施救人員的救援工作以及受困人員的逃生［5］。防排煙裝置只能起到部分作用，并無法在短時間內提高區域能見度［6-7］。

為克服傳統火災消煙手段的不足，文獻［8-11］提出了聲波團聚消煙新技術，該技術利用特定頻率的高強聲波對火場煙霧進行處理，煙霧中的顆粒物受聲波作用發生振蕩，顆粒之間相互靠近，直至發生碰撞團聚，長大為更大一級粒徑的顆粒，在重力的作用下發生沉降，迅速提高火場的能見度［12］。文獻［8］在國際上首次提出聲波團聚消煙的技術路線并進行了實驗驗證，研究采用聚丙乙烯作為可燃物的火災煙霧，發現在頻率為1.4 kHz、聲壓級為141 dB 的聲波作用下，煙霧透過率將在0.5 min 內從初始值0.24 增加到0.75，僅需0.75 min即可使火場的能見度達到人員逃生閾值。文獻［10］探究了聲波團聚技術對于儲能電站火災煙霧的清除作用，發現在聲壓級為140 dB、頻率為1 000 Hz的聲波作用下，20 s內火災煙霧的透光率從22%提高到90%，效果顯著。文獻［11］對聲波消煙的微觀機理進行了深入探討，認為聲場中的聲流和聲渦機制對團聚的影響很大。

盡管聲波團聚消煙技術效果顯著，發展潛力巨大，然而目前的操作條件仍以低頻高強聲波為主，聲壓級高達140 dB以上，頻率范圍為1 000～2 000 Hz［8］，在人耳可聽范圍內。如果未來該技術投入實際應用，將對人體聽覺系統構成很大的潛在危害。因此，亟需開發超聲波頻率范圍的聲波團聚消煙技術，使之工作于人耳可聽范圍之外，以避免不利影響。遺憾的是，這方面的研究工作目前尚未開展。

本文開展了利用聲波消除電力隧道火災煙霧的研究，首先利用數值模擬技術作為輔助，設計了能夠在空氣介質中產生20 kHz 高強超聲波的換能器；隨后，對電纜燃燒產生的固相及液相煙霧的聲波消除效果進行了實際測試，獲得了透光度和能見度變化規律，研究結果為進一步推進超聲波團聚的發展應用提供了依據。

1 聲波團聚消煙機理

1.1 同向團聚機理

火災煙霧在聲場中的快速團聚主要過程可以用同向團聚機理解釋［13］，其核心思想是懸浮在周期性振動氣體中的兩個粒子之間存在速度差，從而導致它們之間發生碰撞或凝聚。這種速度差是由不同粒徑的氣溶膠顆粒聲波夾帶系數的差異引起的，不同幅度的振蕩作用導致顆粒之間的相對運動和碰撞。對于不同粒徑的氣溶膠顆粒，其夾帶系數在不同的聲頻上是不同的，較高的聲波頻率使顆粒的夾帶系數較小，顆粒不易與氣體介質一起發生振動；較低的聲波頻率下正好相反，顆粒傾向于發生較大程度的正弦振動。從顆粒粒徑的影響來看，情況也是如此，較細的顆粒物容易跟隨聲場發生振動，慣性更大的顆粒則振幅較小，這樣大小不同的顆粒之間就存在了速度差，導致顆粒靠近團聚。

對于氣溶膠體系中存在多種不同粒徑顆粒物的情況而言，比如火災煙霧中包含的炭黑顆粒粒徑差異是非常大的，同向團聚機理非常適用，因為此時聲場振動引起的顆粒振幅差異很大。

一旦顆粒發生碰撞，是否發生團聚就取決于粘附力和分離力的大小對比，其中粘附力主要包括范德華力和靜電力，對于細顆粒而言是非常強的；分離力主要是流動引起的曳力和重力等，對于微米級的顆粒而言往往是非常弱的，綜合效應是顆粒碰撞后發生團聚的概率較高。

1.2 聲學尾流效應

除了同向團聚機理外，煙霧顆粒在高頻超聲波作用下的另一個團聚機理是聲學尾流效應［14］。該機理是對同向作用機理的重要補充，尤其是當氣溶膠顆粒在振動氣體介質中的振幅小于其分離距離時。聲學尾流效應是基于Oseen 流動區域（雷諾數Re＜1）條件下兩個粒徑接近的顆粒之間的流體動力學相互作用的基礎上提出的。根據這一理論，聲場中運動顆粒周圍的擾動速度場分布具有很強的前后不對稱性，上游的擾動速度分布區域較小，作用范圍也有限，而下游存在一個很長的低壓尾流區域，影響范圍遠大于顆粒自身的聲學振動幅值。如果某個顆粒出現在其他顆粒的尾流區域中，會受到該低壓影響而相互靠近。換言之，每個顆粒下游的尾流區域會吸引該區域內的所有顆粒向其靠近。在快速切換振動方向的聲場中，這樣的效應頻繁變換，使顆粒之間均存在很強的吸引作用。經過多次聲波循環后，顆粒之間的分離距離越來越小，直到它們碰撞并凝聚在一起。

2 試驗設備及方法

試驗系統如圖1所示，主要由聲源系統、光強測量系統、煙霧發生收集裝置、團聚室等裝置組成。團聚煙霧由YJV型電纜在燃燒室內受熱產生，通過管道和止逆閥連接到團聚室內。團聚室為有機玻璃材質，便于測量煙霧團聚情況，內徑為100 mm，高度為300 mm，內壁面采用疏水劑進行化學預處理，防止液相顆粒沉積在壁面上。電纜切割成長度為80～100 mm的樣品，置于置物架上，底部由酒精燈點燃后持續燃燒，以模擬電纜隧道火災現場中的電纜燃燒狀況。聲源系統由一臺20 kHz 的超聲換能器和電源箱組成，超聲換能器由支撐架固定在團聚室上部，可以保證超聲換能器振動圓盤穩定工作。

圖1 試驗系統示意

光強測量系統由激光發射器（AG-650）及激光功率計（Sanwa LP1，測量精度為±5%）組成，通過采集試驗前后的煙霧透射光強變化，可以得出電纜煙霧的透光率、能見度、產煙速率等參數信息。聲壓級采用精度為1 級的精密脈沖聲級計測量。

根據Lambert-Beer 定律，由于電纜煙霧對入射光強的吸收和散射，透過團聚室的光強度會隨著煙霧濃度的增高而降低［14］。其中透光率T的定義如式（1）所示：

式中：Iλ為穿過電纜煙霧的透射光強；Iλ0為團聚室內無電纜煙霧時的初始光強，團聚室壁面因素對透射光強的影響已經納入計算，在初始時已扣除。

根據透光度，可以進一步計算電纜煙霧對光強的消光系數K，該系數體現了電纜煙霧對光線削減程度的強弱，公式如下：

式中：L為激光穿過團聚室的光路長度。

為了更好地評價火場中的煙霧對人體的影響，可以計算獲得能見度數據，其定義為觀察者可將目標物從背景中識別出來的最大臨界距離，計算公式如下：

式中：S為團聚室內煙霧能見度；C表示通過煙霧觀察的物體類型恒定特征常數，對于發光物體而言，C=8，對于不發光物體，C=3［8］。

3 高強氣介超聲波換能器設計

圖2是開發的夾心式超聲換能器示意圖，由壓電陶瓷、后蓋板、變幅桿及振動圓盤組成，諧振頻率設計值為20 kHz。壓電陶瓷是壓電換能器的核心部件，為換能器提供振動激勵，選用內徑17 mm、外徑50 mm、厚度為6.5 mm 的PZT-4 型材料。后蓋板外徑與壓電陶瓷片外徑相同，均為50 mm，用于吸收反方向傳遞的聲波。變幅桿長度60.4 mm，直徑32 mm，有聚焦及放大作用，能夠把能量集中于輻射面上；同時使得能量由超聲換能器有效地向空氣域傳遞；對于換能器整體而言，變幅桿可起到固定整個機械系統的作用。由于超聲波換能器工作于空氣中，而空氣的密度小，聲阻抗比較低，常溫下約為420 Pa·s/m，遠小于液體和固體的聲阻抗［15］，因此氣介超聲波換能器需要更大的聲輻射面，以便與空氣的低聲阻抗匹配，從而提高聲傳遞效率。本文設計的換能器振動圓盤直徑為120 mm，能夠向外側輻射超聲波。最終換能器整體總長度為180 mm，總重量約1.5 kg。

圖2 超聲換能器示意

4 結果及討論

4.1 換能器發聲的數值模擬及實際效果

為了解夾心式超聲換能器工作時的發聲特性，利用COMSOL軟件進行模擬分析［16］。由于模擬對象幾何上為軸對稱結構，本文采用二維軸對稱方法對換能器進行模擬。首先如圖2所示，建立幾何模型；隨后定義材料屬性，其中壓電陶瓷為各向同性壓電材料，選擇應力-電荷壓電材料，且不考慮介電損耗；最后在進行模型頻率響應分析時，在壓電材料電極間施加100～250 V電勢作為激勵。

模擬采用的壓力聲學方程如式（4）所示：

式中：?為拉普拉斯算子；p為聲壓；ρ0為流體介質密度；q為偶極源；ω為角頻率；c為流體介質中的聲速；Qm為單極源。

由于聲波團聚效果主要受聲源聲壓級影響，因此，需要在上述基礎上進一步研究換能器在空氣域中的輻射聲場特性及聲強分布情況。本文采用聲-結構邊界耦合，將半徑280 mm 設置為近場區，即模擬團聚室內的聲場分布，同時為了解換能器聲場的衰減情況，采用COMSOL自帶的完美匹配層模擬無限遠處的聲場分布。

當超聲信號的頻率處于換能器的諧振頻率附近時，壓電陶瓷振子就會發生諧振并輸出最大的電壓，而此時換能器的機電轉換效率最高［17］。換能器通常存在基波振動頻率和高次振動頻率。模擬得到頻率為10～40 kHz 下聲壓級最大值分布如圖3 所示，可以看出，在頻率20 kHz 附近及28 kHz 附近存在諧振頻率，此時換能器的轉換效率最高，對應的聲壓級可達150 dB以上。

圖3 頻率與聲壓級幅值分布關系

圖4 為模擬得到的超聲波換能器在20 kHz 諧振頻率時振動圓盤上部空氣域中的聲壓級分布情況，可以看出，該激勵頻率下的聲場具有一定的指向性，沿換能器軸線方向聲壓級較高，中心軸線上聲壓級最大可達150 dB 以上。根據文獻［8］，該聲強滿足聲波團聚所需的高強聲源特性。

圖4 頻率為20 kHz時聲壓級分布

在完成設計及通過數值模擬驗證發聲效果的前提下，加工制作了超聲波換能器實物。經試驗發現，實際換能器的發聲諧振頻率為19.6 kHz，與前期模擬得到的20 kHz 結果非常接近，偏差僅為2%，可以忽略。另外，采用精密脈沖聲級計測量后發現，圓盤表面中心實測的聲壓級為148 dB，基本達到了設計值，能夠滿足消除火災煙霧對高聲強的要求。

4.2 固相煙霧的團聚結果

火災煙霧成分比較復雜，不同的可燃物燃燒形成的煙霧顆粒也各不相同。當火災煙霧主要為固相顆粒時，超聲波團聚消煙的試驗結果如圖5所示。初始時，煙霧均勻分布于團聚室內，透光率僅為1%；在20 kHz 的高強超聲波作用下，煙霧中的顆粒發生快速團聚，30 s內團聚室內的透光率迅速升高，達到25%，此時由于團聚室內煙霧濃度降低，在30—70 s區間內，團聚效率達到最快；整個團聚過程可以在60 s 內使透光率達到60%以上，在持續工作130 s后，透光率達到90%。相比之下，無聲波作用時，僅靠自然沉降，電纜煙霧的透光率增加緩慢，在沉降130 s后透光率仍不足20%。

圖5 有無聲波作用下固相煙霧的透光率變化

火災中，一般認為人員安全逃生的消光系數閾值為1.2 m-1，結合相關公式，可得人員逃生能見度閾值為2.5 m［18］，在大于該值的能見度情況下，火場人員可有效識別逃生指示信號及逃生路徑，大大提高逃生成功率。

圖6為聲波作用下及自然沉降時固相煙霧的能見度變化對比。初始狀態下能見度僅為0.4 m，此時在火場中人員難以逃生和施救；在20 kHz 聲波作用下，由于聲波團聚對顆粒的消除作用，50 s后達到人員逃生能見度閾值2.5 m；在50—80 s 區間內，能見度從2.5 m 迅速增長到7 m；在持續工作130 s后能見度可達13 m。相比之下，僅靠自然沉降，130 s 后能見度僅為1 m，遠未達到火場中人員逃生能見度閾值。

圖6 有無聲波作用下固相煙霧的能見度變化

4.3 液相煙霧的團聚結果

電纜主要由外護套層、填充層及絕緣層三部分組成，各部分的燃燒性能存在差異。其中，外護套層燃燒時團聚室內充滿了大量白色煙霧，主要成分為聚氯乙烯外護套層發生脫氯化氫反應后生成的HCl 液滴［19］，因此電纜燃燒時液相煙霧也是重要的組成之一。

在聲波團聚過程中，粒子在聲波的作用下被不同程度地夾帶振蕩，引起粒子間的相對運動。一旦發生碰撞，它們就有可能凝聚在一起，但并不是每次碰撞都會導致凝聚。2個粒子碰撞時發生團聚的概率稱為粘附因子［13-14］，取值范圍為0～1。對于以固體顆粒為主的火災煙霧，氣溶膠中的顆粒主要由于相對較弱的范德華力而粘附在一起，因此粘附因子通常較低。試驗表明［14］，在高強度聲場中，隨著聲壓級的增加，團聚效率有時會下降，表明范德華力不足以將粒子在發生碰撞時保持在一起。然而，對于以液相為主的顆粒，液橋力成為顆粒之間的主要附著力，比范德華力強得多。因此，理論上而言，由于粘附因子比較高，液滴顆粒的聲波團聚效率也較高。

本文探究了電纜煙霧燃燒時液相煙霧的透光率變化情況，結果如圖7所示。初始狀態下，液相煙霧均勻分布于團聚室內，透光率僅為1%；在20 kHz 聲波作用下，團聚室的透光率迅速升高，在10—15 s 區間內，透光率可以從30%增長到78%；15 s 后透光率緩慢上升，35 s 時達到93%。而無聲波作用時，僅靠自然沉降35 s 內，透光率不足10%。與以固相顆粒為主的煙霧相比，顯然超聲波對液相顆粒的團聚效果更明顯，這與液滴之間較強的液橋力有關。

圖7 有無聲波作用下液相煙霧的透光率變化

圖8 為有無聲波作用時液相煙霧的能見度變化，在20 kHz 聲波作用下，12 s 即可達到人員逃生的能見度閾值2.5 m，35 s 內能見度可達46 m；而僅靠自然沉降，35 s內能見度仍不足1 m。相比之下，在超聲波的作用下，針對液相煙霧的團聚效果更為明顯，在15 s之內能見度能夠迅速提高，從而提高了火災的逃生率。

圖8 有無聲波作用下液相煙霧的能見度變化

5 結論

本文開展了高頻條件下利用聲波消除電力隧道火災煙霧的研究，借助數值模擬技術，設計了一款20 kHz 氣介高強超聲波換能器，測試了發聲特性和聲強分布，并探究了超聲波對固相及液相火災煙霧的實際團聚效果，得到如下結論：

1）超聲換能器利用大面積振動圓盤，使聲阻抗與空氣匹配，通過變幅桿的振動傳遞、放大和聚焦，在諧振頻率為20 kHz 時振動圓盤處于彎曲振動工作模式。實測結果表明，在諧振頻率為20 kHz 附近時，換能器振動圓盤的中心軸線處300 mm聲壓級可達150 dB左右，符合高強聲源特性，能夠用于氣溶膠聲波團聚和火災煙霧消除。

2）研發的超聲波換能器對顆粒物的團聚效果很好，能夠在短時間內提高固相煙霧的透光率及能見度。在20 kHz 高強聲波作用下，針對固相煙霧顆粒，在1 min 內即可使透光率達到60%以上，在50 s時能見度即可達到人員逃生閾值2.5 m。針對液相煙霧，超聲團聚消除火災煙霧技術具有更好的消除效果，聲波僅作用12 s 后，能見度即可達到人員逃生閾值。