泡沫滅火綜合教學實驗平臺的設計與實踐

顏 龍， 關晶晶， 朱志輝， 徐志勝

（中南大學a.土木工程學院；b.土木工程國家級實驗教學示范中心，長沙 410075）

0 引 言

建設教育強國是中華民族偉大復興的基礎工程，全面培養和提升人才綜合素質和綜合能力是高校教育工作不斷探索和實踐的重要任務和目標［1-2］。實驗教學是培養學生綜合素質和綜合能力的重要手段，開設綜合性實驗平臺是實驗教學的重要措施，是提高學生實踐、科研和創新能力以及實施素質教育的有效方式［3-4］。教育部發布的《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》中明確提出：“加強實踐育人平臺建設，綜合運用校內外資源，建設滿足實踐教學需要的實驗實習實訓平臺。加強校內實驗教學資源建設，構建功能集約、資源共享、開放充分、運作高效的實驗教學平臺。”因此，高校應基于現有實驗條件，積極整合各項實驗資源，不斷改進實驗教學內容，進行綜合性、設計性實驗平臺的探索、研究與開發，以實現培養高素質和高能力人才的目的［5］。

消防工程專業屬于專業性和實踐性較強的學科，專業理論知識不足以滿足目前人才培養需求，還需通過針對性的教學實驗對理論學習進行開拓與補充［6-7］。“滅火技術”作為消防工程專業的核心課程，涉及各類滅火劑、滅火系統和滅火技術原理及應用的理論知識，對學生從事消防滅火領域的相關工作和研究具有重要的指導作用，故開展“滅火技術”課程的教學實驗意義重大［8-9］。泡沫滅火技術是撲救石化火災最有效的手段之一，在現實應用和科學研究中具有重要地位，開展泡沫滅火教學實驗有利于學生對泡沫滅火技術進行全面綜合的認識和研究，還能為學生能力提升和未來發展帶來幫助［10］。

本文設計和搭建了泡沫滅火綜合教學實驗平臺，包含泡沫滅火劑的發泡、析液、蔓延、滅火和抗燒實驗，能夠實現學生對于泡沫滅火劑理化性能和滅火性能進行測試研究的目的。實驗教學內容涵蓋實踐操作和結果分析部分，鞏固學生理論知識的同時，增強學生的動手能力和解決問題能力，培養學生辯證思維方式和創新意識。

1 實驗平臺設計

泡沫滅火綜合教學實驗平臺主要包括發泡實驗平臺、析液實驗平臺、蔓延實驗平臺、滅火實驗平臺以及抗燒實驗平臺。析液實驗平臺和蔓延實驗平臺用于測量和分析泡沫的理化性能，析液特性關乎泡沫滅火劑的穩定性，穩定性低會導致泡沫滅火劑滅火效率下降；蔓延性能決定滅火時泡沫滅火劑鋪展的速度，直接影響其滅火時間［11］。滅火實驗平臺和抗燒實驗平臺用于測試泡沫滅火劑的滅火性能，滅火效能直接影響泡沫滅火劑的滅火性能，而抗燒性能通過影響火災復燃的概率，間接影響泡沫滅火劑的滅火性能［12］。泡沫滅火綜合教學實驗平臺具體內容與功能如圖1 所示，實驗平臺裝置示意圖見圖2。

圖1 泡沫滅火綜合教學實驗平臺內容與功能

圖2 泡沫滅火綜合教學實驗平臺裝置示意圖

1.1 發泡實驗平臺

雙注射器發泡裝置如圖2（a）所示，由2 支體積為100 mL的注射器組成，一支裝泡沫液，另一支裝空氣，2 支注射器間用軟管連接。雙注射器發泡具有可重復性強、泡沫分布均勻等特點。壓縮氮氣泡沫產生裝置，主要由壓縮氮氣氣瓶、泡沫液儲罐、流量計、氣液混合腔組成。壓縮氮氣氣瓶和泡沫液儲罐主要用于存放能夠產生滅火泡沫的氣體和泡沫液，氣體流量計和液體流量計用于獲得泡沫不同的氣液比。氣液混合腔是滅火系統的核心裝置，主要由泡沫混合裝置和整流裝置組成，泡沫混合裝置的作用是將壓縮氣體注入腔內的泡沫溶液中，使氣液兩相充分接觸而產生均勻穩定的滅火泡沫；整流裝置通過改變整流顆粒粒徑大小，調整初始氣泡尺寸和狀態，從而影響泡沫的穩定性。壓縮氮氣通過管路一路流向泡沫液儲罐為內部泡沫液提供動力流至氣液混合腔，另一路進入氣液混合腔內與泡沫液充分混合產生壓縮氮氣泡沫。壓縮氮氣產生泡沫具有尺寸小、壓力高，氣泡均勻穩定等特點。

1.2 析液實驗平臺

析液實驗平臺采用自制析液裝置，如圖2（b）所示。該裝置主要由泡沫收集裝置、恒溫加熱裝置、析液收集裝置、液體稱量裝置、數據采集裝置構成。泡沫收集裝置由雙層玻璃制成，并且上下兩端采用橡膠管與恒溫加熱裝置相連，達到保持溫度恒定的作用。泡沫收集裝置析液口處要設置泡沫濾網，并與放在液體稱量裝置上的析液收集裝置保持平行，以此保障液體能夠持續、穩定、均勻地流入析液收集裝置。液體稱量裝置與數據采集裝置相連接，能夠實時記錄析液收集裝置中液體質量。

1.3 蔓延實驗平臺

蔓延實驗裝置如圖2（c）所示，平臺利用壓縮氮氣泡沫產生裝置發泡，蔓延容器為自制敞口立方體水槽，尺寸為150 cm×50 cm×15 cm。水槽長邊一側裝有刻度尺，可以觀察泡沫蔓延距離，高清攝像機能夠實時記錄泡沫蔓延過程。

1.4 滅火實驗平臺

滅火實驗平臺利用壓縮氮氣泡沫產生裝置發泡，實驗裝置包括溫度采集儀、高清攝像機等，如圖2（d）所示。油盤面積為0.25 m2，噴頭和油盤之間的距離為1.5 m。油盤上方10 cm處開始，每隔20 cm布置一個熱電偶，通過溫度采集儀記錄泡沫滅火實驗過程中的溫度變化。高清攝像相機能夠全程記錄滅火過程的動態圖像。

1.5 抗燒實驗平臺

抗燒實驗平臺利用壓縮氮氣泡沫產生方式供泡，抗燒實驗裝置參考GB 15308-2006《泡沫滅火劑》自制，主要由油盤、抗燒罐、支架、高清攝像機構成，裝置如圖2（e）所示。油盤和抗燒罐由鋼材料制成，能夠抵抗高溫、防止變形。油盤的主要作用是盛放液體燃料和泡沫滅火劑，抗燒罐主要用于停止供泡后引燃油盤，達到測量抗燒時間的目的。高清攝像機可以實時記錄實驗過程中泡沫滅火劑的抗燒過程。

2 實驗設計

2.1 析液實驗

泡沫滅火劑的穩定性可由析液特性進行評估，一般以25%或50%析液時間作為性能判別指標。析液收集裝置中收集到的液體的質量為初始泡沫液質量的25%或50%時所對應的時間為25%或50%析液時間［13］。

實驗步驟：進行析液特性測試前，需先打開恒溫加熱裝置進行預熱并且調節加熱溫度；采用雙注射器技術發泡，一支注射器裝一定質量的泡沫液，另一只注射器裝空氣，兩只注射器經過多次反復推拉產生泡沫；待溫度持續穩定后，快速將泡沫倒入泡沫收集裝置，注意時刻觀察析液口處狀態；液體流入析液收集裝置時開始計時，析液收集裝置中的液體質量為25%或50%的初始泡沫液質量計時終止；記錄下25%或50%析液時間。

2.2 蔓延實驗

實驗開始前，保證蔓延水槽水平放置在泡沫滅火劑釋放口下端，將燃料倒入水槽中；打開氣瓶閥門，調節系統壓力，并調節液體流量計和氣體流量計；驅動氣體和泡沫液在氣液混合腔內充分混合發泡后噴射于水槽中；時刻觀察泡沫的蔓延過程并記錄泡沫前鋒蔓延至關鍵位置處的時間（如距離每隔10 cm記錄一次時間）。

2.3 滅火實驗

實驗開始前，保證油盤水平放置在泡沫滅火劑釋放口下端，將燃料倒入油盤中；使用酒精引燃燃料，等到盤內處于穩定燃燒階段后，打開氣瓶閥門，調節系統壓力，并調節液體流量計和氣體流量計；驅動氣體和泡沫液在氣液混合腔內充分混合發泡后噴射于燃料表面，觀察火勢變化情況，記錄滅火時間和滅火過程中熱電偶溫度變化。

2.4 抗燒實驗

泡沫的抗燒性能由抗燒時間作為判別指標，抗燒時間為點燃抗燒罐至一定燃料表面被引燃需要的時間［13］。實驗步驟參考GB 15308-2006《泡沫滅火劑》如下：實驗開始前，先用水將油盤洗凈，待油盤干燥后加入適量燃料；將抗燒罐放于安全位置，并向罐內加入燃料；打開通風裝置，點燃油盤并預燃（60 ±5）s；打開氣瓶閥門，調節系統壓力，并調節液體流量計和氣體流量計；驅動氣體和泡沫液在氣液混合腔內充分混合發泡后向油盤供泡（180 ±2）s；停止供泡后等待（60 ±5）s，將抗燒罐放置于油盤中央并點燃，記錄抗燒時間。

3 實驗教學和實踐

3.1 析液實驗

本實驗能夠改變恒溫加熱裝置的加熱溫度，研究溫度對泡沫滅火劑穩定性的影響。此外，穩定劑的加入能夠提高泡沫的穩定性，然而穩定劑的類型、濃度和配比等對穩定性的影響不同，也可以通過實驗研究穩定劑不同變量與泡沫滅火劑穩定性的關系。利用實際操作觀察和數據處理分析過程，加深學生對泡沫滅火劑穩定性的規律認識，幫助學生掌握影響泡沫滅火劑穩定性的主要因素。

從圖3 可以看出，25%析液時間隨著溫度的升高而逐漸降低，說明溫度越高，泡沫液膜析液速率越快，泡沫穩定性越差。泡沫析液會使泡沫結構破壞，穩定性喪失，無法在燃料表面形成起窒息作用的隔絕層，最終導致泡沫滅火性能降低。

圖3 不同溫度下自制有機硅泡沫滅火劑的25%析液時間

3.2 蔓延實驗

利用實驗平臺開展泡沫蔓延實驗，能夠觀察泡沫滅火劑的蔓延現象，對比不同類型泡沫滅火劑的蔓延性，研究氣液比、濃度等因素對泡沫滅火劑蔓延性的影響。實驗操作過程能夠增強學生的實踐能力和學習興趣，并通過實驗現象觀察、實驗數據記錄和實驗數據處理過程，幫助學生了解泡沫蔓延規律，理解泡沫蔓延的原理，實現理論知識與實踐知識的結合。

從圖4 可以看出，開始釋放泡沫滅火劑時會出現泡沫堆積現象，隨著泡沫向前鋪展，泡沫層厚度逐漸減小。并且由于泡沫與燃料界面的作用力的影響，泡沫滅火劑在整個蔓延過程中速度逐漸減緩［14-15］。

圖4 自制有機硅泡沫滅火劑油面蔓延過程

3.3 滅火實驗

利用實驗平臺可以開展泡沫滅火劑撲滅多種類型火災的滅火實驗。通過實驗可以研究不同變量對泡沫滅火劑滅火效能的影響，如氣液比、噴射角度、滅火劑種類等，需要注意的是在研究過程一般采用控制變量法。實踐操作有利于學生熟悉壓縮氮氣泡沫產生裝置的使用方法，理解壓縮氮氣泡沫的產生原理。對高清攝像機和溫度采集儀記錄的滅火全程影像和溫度進行分析和處理，幫助學生了解不同類型火災特點以及滅火過程火勢變化，理解泡沫滅火劑撲救火災的滅火機理，掌握影響泡沫滅火劑滅火效能的關鍵參數，加深學生對泡沫滅火理論知識的理解。

從圖5 可以看出，油盤內燃料火勢隨著泡沫滅火劑的持續釋放而得到控制，火焰在泡沫滅火劑釋放過程中明顯減弱并最終熄滅。實驗結果可知，氣液比是泡沫滅火劑的滅火效能的影響因素之一，當氣液比為17 時，滅火效能最優。

圖5 不同氣液比α下自制有機硅滅火劑的滅火過程

3.4 抗燒實驗

本實驗可以對比不同類型泡沫滅火劑的抗燒性能，也可以通過改變泡沫滅火劑的氣液比、濃度等，研究各因素對泡沫滅火劑的抗燒性能的影響規律。通過實踐操作和結果處理過程，學生能夠觀察泡沫滅火劑的抗燒現象，了解不同類型泡沫滅火劑抗燒特征，理解不同類型泡沫滅火劑的抗燒機理，掌握泡沫滅火劑抗燒性能的影響因素。

從圖6 可以看出，在抗燒過程中，泡沫層厚度會隨著水分的蒸發和析出而下降。隨著整個泡沫層厚度減小，與抗燒罐接觸的油面會出現火焰并快速蔓延使得油盤內燃料復燃。由抗燒時間可知，自制有機硅泡沫滅火劑具有更加優異的抗燒性能。

圖6 自制有機硅泡沫滅火劑（a）和市售滅火劑AFFF（b）的抗燒過程

4 結 語

泡沫滅火綜合教學實驗平臺主要包括發泡實驗平臺、析液實驗平臺、蔓延實驗平臺、滅火實驗平臺以及抗燒實驗平臺，能夠實現泡沫滅火劑理化性能和滅火性能的測試研究。實驗操作過程可以幫助學生充分吸收專業基礎知識，增強學生的動手能力，培養學生學習興趣和創新意識；結果分析過程能夠增強學生的邏輯分析能力，培養學生辯證思維。總體而言，泡沫滅火綜合教學實驗平臺滿足培養學生綜合素質和綜合能力的目標要求，可為培養具有工程實踐和創新能力的高素質和高質量消防工程人才提供實驗平臺支撐。