LDV/APV系統(tǒng)研究縱向通風(fēng)作用下細(xì)水霧霧場(chǎng)特性

劉江虹，朱 偉，廖光煊

(1.上海海事大學(xué)海洋環(huán)境與工程學(xué)院，上海 201306;2.北京城市系統(tǒng)工程研究中心，北京 100036;3.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230026)

1 前言

細(xì)水霧以其無毒害、滅火迅速、耗水量小等顯著優(yōu)點(diǎn)，已成為傳統(tǒng)哈龍(Halon)滅火系統(tǒng)的主要替代品之一，已在許多高新技術(shù)領(lǐng)域和重大工業(yè)危險(xiǎn)源得到應(yīng)用，并不斷拓展應(yīng)用領(lǐng)域[1～3]。即使在較弱的通風(fēng)作用下，氣體滅火系統(tǒng)也容易受到外界氣流的影響而導(dǎo)致滅火失敗[4]，因此在一些滅火階段仍需要保持通風(fēng)的場(chǎng)合，已經(jīng)考慮采用細(xì)水霧滅火技術(shù)，并已有工程使用[5～8]。

縱向通風(fēng)是一種常見的強(qiáng)制通風(fēng)形式，目前開展的全尺度實(shí)驗(yàn)表明細(xì)水霧在這樣的情況下能夠有效抑制火災(zāi)[6，7]，但是縱向通風(fēng)對(duì)細(xì)水霧的影響也是比較顯著的，尤其是氣流擾動(dòng)導(dǎo)致霧滴飄移對(duì)細(xì)水霧霧滴速度的影響，可以改變細(xì)水霧的作用范圍、霧動(dòng)量等參數(shù)，從而影響細(xì)水霧與火相互作用的過程。因此對(duì)細(xì)水霧速度場(chǎng)特性進(jìn)行研究，有助于提高對(duì)細(xì)水霧在縱向通風(fēng)作用下滅火機(jī)理的認(rèn)識(shí)。由于一般的接觸式速度測(cè)量方法會(huì)對(duì)流動(dòng)產(chǎn)生干擾，在細(xì)水霧霧場(chǎng)診斷方面，已有應(yīng)用激光多普勒測(cè)速儀(LDV)進(jìn)行非接觸式速度測(cè)量[9～11]。

然而縱向通風(fēng)通常存在于相對(duì)封閉的狹長(zhǎng)空間內(nèi)，這使得與以往的開放空間下細(xì)水霧速度場(chǎng)的LDV測(cè)量有所不同。因此，本文將利用小型低速風(fēng)洞形成較為穩(wěn)定的縱向通風(fēng)，同時(shí)在風(fēng)洞內(nèi)施加細(xì)水霧，通過調(diào)整光路在風(fēng)洞狹長(zhǎng)空間內(nèi)形成測(cè)量體進(jìn)行LDV測(cè)量，采用逐點(diǎn)測(cè)量的方法獲取全場(chǎng)信息，從而研究在不同的縱向通風(fēng)作用下氣流對(duì)細(xì)水霧運(yùn)動(dòng)特性的影響。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置可以分為三維LDV/APV系統(tǒng)、霧發(fā)生系統(tǒng)和小型低速風(fēng)洞3個(gè)部分，如圖1所示。

2.1 三維LDV/APV系統(tǒng)

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental apparatus

實(shí)驗(yàn)中采用的三維LDV/APV系統(tǒng)為美國(guó)TSI公司的雙鏡頭式三維激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)，激光光源為1 W氬離子激光器，通過光分束分色器將光束分為3對(duì)平行的發(fā)射光。要實(shí)現(xiàn)三維速度測(cè)量，必須保證這3對(duì)發(fā)射光束的焦點(diǎn)能匯聚一點(diǎn)，形成一個(gè)橢圓的測(cè)量體。粒子通過該測(cè)量體時(shí)產(chǎn)生散射光，經(jīng)接收器傳送并進(jìn)行光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，自動(dòng)分析后實(shí)現(xiàn)三維速度的實(shí)時(shí)測(cè)量。

所測(cè)速度和多普勒頻率的關(guān)系為

式(1)中:Fd為多普勒頻率，Hz;Fshift為頻移，Hz;Df為光學(xué)條紋間距，mm。由瞬時(shí)速度再結(jié)合有效測(cè)量時(shí)間，就可以得到速度場(chǎng)的有關(guān)統(tǒng)計(jì)量。為了使3對(duì)發(fā)射光能夠相聚在一點(diǎn)，還需要合理調(diào)整系統(tǒng)布局。實(shí)驗(yàn)采用的細(xì)水霧霧滴粒徑范圍在10～100 m，遠(yuǎn)大于入射光波長(zhǎng)(～0.1 μm)，因而可以近似采用幾何光學(xué)散射理論來確定光路布局參數(shù)，主要包括入射光束和接收光束的焦距均為310 mm，兩個(gè)分離的接收器夾角為12°，偏軸角均為48°。該系統(tǒng)還有智能化三維坐標(biāo)位移機(jī)構(gòu)，通過對(duì)其的操縱可以準(zhǔn)確定位改變測(cè)量點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)速度測(cè)量。

2.2 霧發(fā)生系統(tǒng)

細(xì)水霧由YC－LA型超聲波細(xì)水霧發(fā)生器產(chǎn)生，其原理是利用高頻超聲波振動(dòng)，產(chǎn)生霧滴尺寸小而均勻的細(xì)水霧。發(fā)生器有9個(gè)噴霧口，產(chǎn)生的細(xì)水霧通過連接噴霧口的軟管進(jìn)入一個(gè)收集容器，再由一個(gè)出口導(dǎo)出進(jìn)入測(cè)量空間。這樣可以通過調(diào)節(jié)使用的噴霧口數(shù)量改變霧通量，也便于控制進(jìn)入空間的噴霧方向。

2.3 小型低速風(fēng)洞

風(fēng)洞是一種使用動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)一股可控制的氣流的管道系統(tǒng)，它可以提供穩(wěn)定的、可測(cè)的速度場(chǎng)，能夠準(zhǔn)確改變風(fēng)洞內(nèi)的氣流參數(shù)。在研究中，設(shè)計(jì)了一個(gè)低速小型風(fēng)洞作為細(xì)水霧運(yùn)動(dòng)的狹長(zhǎng)空間。風(fēng)洞裝置可分為動(dòng)力及輸送段、整流段、收縮段和實(shí)驗(yàn)段4部分，再通過變頻風(fēng)機(jī)可得到穩(wěn)定可調(diào)的縱向氣流。由于速度比較低，Mach數(shù)一般小于0.02，因此氣體可以看作不可壓的[12]。在不可壓氣體流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，Reynolds數(shù)(Re)是最主要的相似準(zhǔn)則數(shù)，另外風(fēng)洞的湍流度不能超過一定的限度。風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)段橫截面積為15 cm×10 cm，長(zhǎng)80 cm。由于霧滴粒徑遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)空間，并假設(shè)洞壁足夠光滑，因而可以忽略流動(dòng)受到風(fēng)洞本體的干擾。

為了使LDV/APV系統(tǒng)的發(fā)射光能在風(fēng)洞內(nèi)匯聚，同時(shí)保證空間的相對(duì)封閉性，在風(fēng)洞的一側(cè)設(shè)置一個(gè)觀察窗口。觀察窗口采用折射率接近為1的透明PE聚乙烯薄膜作為介質(zhì)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

利用上述實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)通風(fēng)影響下的細(xì)水霧霧滴運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過改變風(fēng)機(jī)電機(jī)頻率調(diào)節(jié)風(fēng)洞內(nèi)的縱向風(fēng)速，分別為 0、0.25 m/s、0.5 m/s、0.75 m/s、1 m/s、1.25 m/s、1.5 m/s、1.75 m/s、2 m/s、2.25 m/s、2.5 m/s，每個(gè)風(fēng)速條件下選取不同軸向等距離的幾個(gè)截面中的測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，與進(jìn)風(fēng)口的距離為 0、20 cm、40 cm、60 cm、80 cm 的截面分別記為 A、B、C、D、E，采集時(shí)間為60 s。然后對(duì)這個(gè)時(shí)間段采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到通過該點(diǎn)的細(xì)水霧霧滴速度和粒徑統(tǒng)計(jì)分布。

3.1 速度分布

以進(jìn)流截面至出流截面的方向?yàn)閦方向，垂直向下為y方向。圖2和圖3分別給出了各個(gè)測(cè)量點(diǎn)下不同風(fēng)速情況下細(xì)水霧霧滴z方向和y方向速度沿軸向的變化情況。從圖2可看出，在各個(gè)風(fēng)速情況下，在同一軸心線上霧滴沿著縱向飄移的速度都比較一致，這是由于霧滴顆粒細(xì)小，受氣流運(yùn)動(dòng)的影響相對(duì)就比較大，而風(fēng)洞內(nèi)氣流的縱向速度比較穩(wěn)定，因而霧滴能夠隨著氣流沿著通風(fēng)方向穩(wěn)定地運(yùn)動(dòng)。但是在實(shí)驗(yàn)采用的風(fēng)速范圍內(nèi)，隨著氣流速度的增大，霧滴軸向運(yùn)動(dòng)速度總體上呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，這與氣流攜帶下整個(gè)霧場(chǎng)的顆粒密度、懸浮時(shí)間等條件有關(guān)。

圖2 不同風(fēng)速情況下細(xì)水霧霧滴速度Fig.2 Water mist velocity under different wind velocity

圖3 不同風(fēng)速情況下細(xì)水霧霧滴速度Fig.3 Water mist velocity under different wind velocity

從圖3可看出，無通風(fēng)情況下，在進(jìn)風(fēng)截面附近的測(cè)量點(diǎn)上，霧滴下落速度較大，而后迅速降低，而在有通風(fēng)情況下，霧滴垂直向下的速度一直都比較小，這也說明粒徑小的霧滴受氣流運(yùn)動(dòng)影響較大，氣流的運(yùn)動(dòng)也增加了霧滴下落所受到的阻力系數(shù)，使得在有通風(fēng)情況下大多數(shù)霧滴都隨著氣流的運(yùn)動(dòng)方向而運(yùn)動(dòng)。下落速度小，可以減少由于重力作用影響到達(dá)空間底部的霧滴數(shù)量，使得更多的霧滴彌漫在空間或蒸發(fā)，而這樣可以有效增強(qiáng)細(xì)水霧的吸熱能力。

圖4a～圖4e是不同截面采樣點(diǎn)的平均霧滴縱向速度隨風(fēng)速變化的情況。如果設(shè)氣流速度為vg，霧滴縱向速度為vf，那么vg和vf之間近似存在如下的線性關(guān)系

式(2)中:a和b為系數(shù)。雖然前面假設(shè)霧滴經(jīng)出口垂直向下噴出，但是實(shí)際上總會(huì)存在一定的縱向速度，因此在vg=0的情況下，也存在一定的初始vf，a即與此有關(guān)。b則是主要與風(fēng)洞內(nèi)流動(dòng)情況，尤其是阻尼系數(shù)Cd有關(guān)的一個(gè)量。雷諾數(shù)Re與阻尼系數(shù)Cd之間的關(guān)系可以用下式表示[13]

圖4 各個(gè)測(cè)量點(diǎn)霧滴速度與氣流速度的變化關(guān)系(z方向)Fig.4 Relationship between water mist velocity and wind velocity at different measure points(z direction)

擬合得到的系數(shù)見表1，vg＜2.0 m/s的系數(shù)為a1、b1;vg＞2.0 m/s的系數(shù)為 a2、b2。可以看出，在vg＜2.0 m/s的情況下，霧滴的軸向速度呈緩慢上升的趨勢(shì)，而在vg＞2.0 m/s后，霧滴速度顯著上升。這是因?yàn)闅饬魉俣仍龃?，風(fēng)洞內(nèi)氣體流動(dòng)的雷諾數(shù)Re也增大，達(dá)到一定程度后，可能導(dǎo)致流動(dòng)湍流程度的急劇增加，從式(3)可以看出，在Re變化到一定程度后，阻尼系數(shù)Cd的趨勢(shì)突然變化，并在一定的Re值區(qū)段內(nèi)趨近于一個(gè)穩(wěn)定值。Cd減小，那么氣流攜帶的霧滴運(yùn)動(dòng)也隨之加快，因此式(2)中的b值與阻尼系數(shù)Cd的變化趨勢(shì)存在相反的關(guān)系。同時(shí)，由于風(fēng)洞內(nèi)沿軸線方向的流動(dòng)比較均勻，幾個(gè)采樣點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果擬合曲線的系數(shù)都比較接近。

表1 各個(gè)測(cè)量點(diǎn)擬合曲線的系數(shù)Table 1 Fitting curve coefficient ofdifferent measure points

3.2 粒徑分布

為了進(jìn)一步研究霧滴在風(fēng)洞內(nèi)的運(yùn)動(dòng)特性，還需要對(duì)不同風(fēng)速下霧滴在風(fēng)洞內(nèi)的粒徑分布進(jìn)行分析。在本文細(xì)水霧運(yùn)動(dòng)特性研究中，采用的粒徑分布是 Sauter平均粒徑(SMD)[14]。

超聲波細(xì)水霧發(fā)生器產(chǎn)生的霧滴粒徑在30 μm左右，由于粒徑小，當(dāng)水霧的濃度比較大時(shí)，霧滴之間容易粘接。因此利用三維LDV/APV系統(tǒng)對(duì)霧滴粒徑進(jìn)行測(cè)量和統(tǒng)計(jì)分析，就可以從霧滴凝并導(dǎo)致粒徑改變這個(gè)角度來分析其運(yùn)動(dòng)特性。不同風(fēng)速下幾個(gè)截面的中軸線上測(cè)得的霧滴粒徑結(jié)果如圖5所示。

在沒有通風(fēng)的情況下，霧滴粒徑在30～40 μm，這是由于水平速度較慢，氣流運(yùn)動(dòng)相對(duì)靜止，而且多數(shù)霧滴在較短的軸向距離內(nèi)即已沉降，有一些稍大于30 μm粒徑的顆粒存在，說明在霧滴運(yùn)動(dòng)過程中只是發(fā)生了少量的凝并。而在施加通風(fēng)后，霧滴的平均粒徑顯著增大。這說明加入通風(fēng)后，氣流運(yùn)動(dòng)明顯加劇，大大增加了細(xì)小霧滴之間的碰撞幾率，也就提供了更多霧滴凝并的機(jī)會(huì)，而在凝并過程中，粒徑的變化有以下關(guān)系

圖5 各個(gè)采樣點(diǎn)風(fēng)速與霧滴粒徑的關(guān)系Fig.5 Relationship between water mist velocityand wind velocity at different measure points

式(4)中:di為凝并后的霧滴粒徑;dj和dk為參與凝并的兩個(gè)霧滴的粒徑。

在實(shí)驗(yàn)采用的風(fēng)速范圍內(nèi)，霧滴Sauter平均粒徑一直趨于比較穩(wěn)定的值。但是對(duì)其變化情況深入分析可以看出，在vg＜2.0 m/s的情況下，霧滴的SMD隨著風(fēng)速vg的增加而增加，而當(dāng)vg＞2.0 m/s后，SMD則會(huì)隨之減小。之所以出現(xiàn)這樣的情況，可見除了風(fēng)速導(dǎo)致風(fēng)洞內(nèi)氣流狀態(tài)的改變之外，霧滴的凝并現(xiàn)象還受到霧滴密度、生存時(shí)間等參數(shù)的共同影響。雖然風(fēng)速越大霧滴凝并的機(jī)會(huì)越大，但是從前面的分析可以看出細(xì)小霧滴的生存時(shí)間也就在1 s左右，氣流運(yùn)動(dòng)加快后還可以加強(qiáng)霧滴表面的熱交換，從而在霧滴凝并和霧滴沉降加快的同時(shí)會(huì)降低風(fēng)洞內(nèi)的霧滴密度，這從另一方面對(duì)霧滴的凝并產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定程度后，可能使得霧滴的統(tǒng)計(jì)平均粒徑反而略微降低。另外，即使霧滴沿軸向運(yùn)動(dòng)過程中凝并現(xiàn)象會(huì)一直發(fā)生，然而沿著軸線方向霧滴的粒徑也只是呈略有增加的趨勢(shì)，這是由于霧滴密度和霧滴沉降也在產(chǎn)生影響的原因。

3.3 霧通量分布

霧通量不能通過三維LDV/APV系統(tǒng)直接測(cè)量得到，需要綜合分析速度場(chǎng)和粒子場(chǎng)的測(cè)量結(jié)果。本節(jié)討論的霧通量是面積霧通量VF，可以用下面的公式表示

式(5)中:N為所測(cè)的粒子數(shù);S為測(cè)量面積;t為采樣時(shí)間，即60 s。由于APV/LDV系統(tǒng)中，S即為兩束激光的交匯區(qū)域在縱截面上的投影面積。本實(shí)驗(yàn)中采用的焦距是300 mm，兩束激光發(fā)射源相距170 mm，激光光束的直徑為1.6 mm，可以得到S=7.37 mm2。

利用LDV/APV系統(tǒng)測(cè)量得到不同風(fēng)速下通過幾個(gè)測(cè)量點(diǎn)的粒子數(shù)N分布情況。通過式(5)計(jì)算可以得到A～E各個(gè)截面的霧通量情況。為了能夠避免不同實(shí)驗(yàn)初始霧通量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，在這里定義一個(gè)無量綱量霧通比率η，表征細(xì)水霧霧滴通過某個(gè)縱截面的霧通量占初始霧通量的比率，以定量的分析細(xì)水霧在通風(fēng)影響下隨氣流攜帶下縱向運(yùn)動(dòng)的飄移特性。霧通比率η的表達(dá)式如下

根據(jù)這個(gè)定義，可以計(jì)算各個(gè)縱截面在不同風(fēng)速下的霧通比率，圖6a是風(fēng)速對(duì)霧通比率的影響，圖6b則是運(yùn)動(dòng)距離對(duì)霧通比率的影響。細(xì)水霧自出口噴出后，沿著軸向方向霧通量不斷減少，這是霧滴運(yùn)動(dòng)過程中在壁面粘附以及蒸發(fā)的結(jié)果。在沒有通風(fēng)作用的情況下，霧滴的水平移動(dòng)比較緩慢，因而能夠到達(dá)B～E的霧滴非常少，從而霧通量也急劇降低。而有了通風(fēng)的作用，能夠攜帶相當(dāng)數(shù)量的霧滴運(yùn)動(dòng)，而且風(fēng)速越大，霧通量也越大。從兩個(gè)圖的曲線形狀來看，除了無通風(fēng)情況，風(fēng)速和運(yùn)動(dòng)距離都與霧通比率有一定的線性關(guān)系，其相關(guān)性如表2和表3所示，可以看出都能夠比較好地接近線性關(guān)系。

圖6 不同影響因素與霧通比率的關(guān)系Fig.6 Effects of different wind velocity and moving distance on water mist flux

表2 不同運(yùn)動(dòng)距離霧通比率與風(fēng)速之間的線性相關(guān)性Table 2 Linear correlation between wind velocity andwater mist flux under different moving distance

為了考察它們對(duì)霧通比率各自的影響程度，假設(shè)如下方程來回歸求出兩個(gè)變量各自的權(quán)重

式(7)中:α和β為系數(shù)，γ為常數(shù)。為了消除不同量綱給數(shù)據(jù)帶來的不穩(wěn)定性，采用式(8)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[15]。

表3 不同風(fēng)速下霧通比率與運(yùn)動(dòng)距離之間的線性相關(guān)性Table 3 Linear correlation between moving distance and water mist flux under different wind velocity

式(8)中:xij為測(cè)量的原始樣本，為一列數(shù)據(jù)的平均值;x*ij為測(cè)量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化值。然后采用二元線性回歸方法，得到回歸參數(shù)和回歸方程的顯著性，結(jié)果如表4所示。

表4 回歸參數(shù)值和顯著性Table 4 Regression parameter values and significant

從表4可看出，參數(shù)α和β的顯著性均小于0.001，回歸效果顯著，變量風(fēng)速和運(yùn)動(dòng)距離對(duì)霧通比率都有重要的影響。另外，由于β的t值大于α的t值，可見運(yùn)動(dòng)距離的影響相對(duì)更大。也說明，即使增大相當(dāng)?shù)娘L(fēng)速，但如果在相對(duì)噴霧出口較遠(yuǎn)的距離處，細(xì)水霧的霧通量仍不能達(dá)到與噴霧出口處相當(dāng)?shù)乃剑驗(yàn)榫嚯x增加對(duì)霧通量所造成的影響要強(qiáng)于風(fēng)速改變所造成的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)利用三維LDV/APV技術(shù)對(duì)不同縱向風(fēng)速下風(fēng)洞內(nèi)的細(xì)水霧運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了測(cè)量，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

1)霧滴速度與風(fēng)速呈線性變化，但是由于風(fēng)速增大會(huì)使風(fēng)洞內(nèi)的空氣阻力系數(shù)發(fā)生變化，因此在測(cè)量范圍內(nèi)可以看到，兩者之間的線性關(guān)系出現(xiàn)了兩種不同的斜率。但不同運(yùn)動(dòng)距離霧滴的速度仍非常接近。

2)由于通風(fēng)對(duì)霧滴運(yùn)動(dòng)的劇烈擾動(dòng)，增加通風(fēng)后霧滴凝并現(xiàn)象顯著，使得霧滴平均粒徑也顯著增加，但風(fēng)速增大和運(yùn)動(dòng)距離的增加對(duì)整體平均粒徑影響不大。

3)霧通量同時(shí)受到風(fēng)速和運(yùn)動(dòng)距離的影響，經(jīng)過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二元線性回歸發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)距離對(duì)霧通量分布的影響更大。

4)從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，增加通風(fēng)后霧滴作用范圍增大，在空間的運(yùn)動(dòng)時(shí)間增長(zhǎng)，這對(duì)細(xì)水霧降低空間溫度抑制火災(zāi)有著促進(jìn)作用，但同時(shí)使霧滴粒徑增大，即表面積增大，這將降低細(xì)水霧的吸熱能力。通風(fēng)對(duì)偏離噴霧出口位置的細(xì)水霧滅火性能的促進(jìn)作用也是有限的。

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