冷激波滅火系統(tǒng)中激波對(duì)滅火效果和周邊環(huán)境的影響＊

蔣耀港，馬宏昊，沈兆武，程揚(yáng)帆，范志強(qiáng)，汪 泉

（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系，安徽 合肥 230027）

針對(duì)特殊火場(chǎng)火災(zāi)（如高樓火災(zāi)、森林火災(zāi)等），各種新的滅火思想和消防設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，如激波滅火［1］。對(duì)激波滅火的真正研究始于20世紀(jì)90年代初，A.M.Grishin等［2］從實(shí)驗(yàn)、模擬和實(shí)際觀察等方面對(duì)激波與林冠火相互作用做了研究。張艷等［3］、常熹鈺等［4］通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)激波可以撲滅林冠火。但激波的高溫、高壓特性使激波在滅火的同時(shí)也會(huì)對(duì)火場(chǎng)周邊造成不同程度的損傷。沈兆武等［5－6］結(jié)合 FAE （fuel－air explosive）戰(zhàn)斗部思想提出了冷激波滅火的方法，該方法通過把激波能量轉(zhuǎn)化為滅火介質(zhì)的動(dòng)能作用于火場(chǎng)區(qū)域來實(shí)現(xiàn)滅火。M.W.Glass［7］通過對(duì)FAE的研究發(fā)現(xiàn)，中心裝藥爆轟后，82%的能量用于液體燃料的動(dòng)能和內(nèi)能增加，18%的能量用于爆生氣體的動(dòng)能和內(nèi)能增加，但并不能據(jù)此準(zhǔn)確推測(cè)FAE起爆后在空中形成的激波強(qiáng)度。而作為冷激波滅火系統(tǒng)，滅火介質(zhì)不僅有水基滅火介質(zhì)，還有粉基滅火介質(zhì)。因此，為了有效研究冷激波的滅火機(jī)理，必須研究冷激波滅火彈起爆后形成的激波對(duì)滅火效果及周邊環(huán)境的影響。

1 紋影實(shí)驗(yàn)

紋影實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示：爆炸箱采用45鋼焊接而成，尺寸為300mm×300mm×300mm，壁厚為10mm；窗口采用150mm×150mm×10mm的鋼化玻璃；攝像采用OPTRONIS CR1000高速攝影機(jī)，拍攝頻率為104s－1。爆炸拋撒裝置如圖2所示，滅火介質(zhì)裝填直徑為6.8mm，長(zhǎng)度根據(jù)裝填質(zhì)量而定。實(shí)驗(yàn)時(shí)，爆炸拋撒裝置被豎直固定在實(shí)驗(yàn)箱頂部中心處，紋影視場(chǎng)高120mm，寬11.5mm。

采用碳酸氫鈉粉體和水作為滅火介質(zhì)，粉體的表觀密度為1.1g／cm3，水的密度為1g／cm3，其他參數(shù)見表1，me為RDX炸藥的質(zhì)量，mm為滅火介質(zhì)的質(zhì)量。點(diǎn)火時(shí)刻為零時(shí)刻，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

從圖3（a）～（b）的粉基滅火介質(zhì)爆炸拋撒紋影圖片中能觀察到激波現(xiàn)象，已用黑線標(biāo)出；而圖3（c）～（d）的水基滅火介質(zhì)爆炸拋撒紋影圖片中，即使增大比藥量，也未觀察到激波現(xiàn)象，即水基滅火介質(zhì)爆炸拋撒后未能在空中形成激波。根據(jù)窗口尺寸比率和拍攝頻率計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2的激波速度分別約為443和473m／s。

圖1 紋影裝置Fig.1 Schlieren apparatus

圖2 滅火介質(zhì)爆炸拋撒裝置Fig.2 An explosion and dispersion apparatus for fire－extinguishing media

表1 紋影實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table1 Parameters of schlieren experiment

圖3 紋影實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Results of schlieren experiment

2 理論分析

對(duì)于水基滅火介質(zhì)，由于水具有不可壓縮性，且水的波阻抗遠(yuǎn)大于空氣的波阻抗，因此在圖3（c）～（d）的紋影實(shí)驗(yàn)圖片中未觀察到激波現(xiàn)象；而對(duì)于粉基滅火介質(zhì)，由于其存在大量孔隙［8］，中心裝藥爆轟后沖擊波在粉體內(nèi)傳播，使顆粒破碎、重排等，從而不斷壓縮顆粒間的孔隙空氣，使粉體介質(zhì)爆炸拋撒后在空氣中形成激波。

火焰面處激波強(qiáng)度和波后質(zhì)點(diǎn)速度分別為：

式中：Δp為波陣面上的超壓（100kPa）；v0、p0和V0分別為波前介質(zhì)速度（m／s）、壓強(qiáng)（取100kPa）和氣體質(zhì)量體積（取0.775 2m3／kg）；v1和p1分別為波后介質(zhì)速度和壓強(qiáng)；vd為激波速度（m／s）；K 為氣體的多方指數(shù)，取1.4。

假定初始速度v0為零，把實(shí)驗(yàn)所得出口處激波速度代入式（1）～（2）可得：波后壓強(qiáng)p1為194kPa，超壓為94kPa，波后質(zhì)點(diǎn)速度為165m／s。盡管出口處波后質(zhì)點(diǎn)速度較大，但是激波在空氣中傳播時(shí)，由于幾何耗散，激波強(qiáng)度會(huì)隨傳播距離的增加而急劇衰減，其衰減關(guān)系［9］為

實(shí)驗(yàn)中激波速度測(cè)點(diǎn)距離拋撒裝置5cm，而以尺寸為1m×1m的油盆火為例，激波要驅(qū)動(dòng)可燃?xì)怏w進(jìn)入火焰面，需要傳播約1m的距離，即折合距離增大20倍，由式（3）可得，爆炸超壓衰減95%以上。波后質(zhì)點(diǎn)速度

波后質(zhì)點(diǎn)速度也衰減95%以上，即此時(shí)1m處的質(zhì)點(diǎn)速度低于8.25m／s。實(shí)驗(yàn)1中滅火粉體被裝填在強(qiáng)約束的管中，裝填長(zhǎng)度為5mm，滅火粉體在爆生氣體作用下沿管道向外噴射，因此可假設(shè)為一維情況；而空中爆炸拋撒是三維情況，需考慮幾何耗散，由量綱分析可得

圖4 介質(zhì)拋撒位移時(shí)程曲線Fig.4 Displacement－time profile of dispersion medium

式中：Δp0為拋撒裝置出口處的爆炸超壓；Δp′0為球形裝藥結(jié)構(gòu)下，同等藥量、同等距離處的爆炸超壓為實(shí)驗(yàn)1中的折合距離。

實(shí)驗(yàn)2中冷激波滅火彈中拋撒藥采用柱形裝藥，裝藥質(zhì)量me為3g，裝藥密度為1.2g／cm3，內(nèi)徑r為6.8mm，粉體裝填半徑為5.2cm，因此，有［10］

式中：Δp1為冷激波滅火彈粉體邊緣處的爆炸超壓；Δp′1為球形裝藥結(jié)構(gòu)下，同等藥量、同等距離處的爆炸超壓為實(shí)驗(yàn)2中的折合距離。

綜合式（6）和式（7）可得：Δp0＞Δp1。因此對(duì)于普通冷激波滅火彈（比藥量小于0.3%），即使是粉基滅火介質(zhì)，爆炸拋撒所形成的激波強(qiáng)度也是非常微弱的。當(dāng)弱激波到達(dá)燃燒火焰面時(shí)，所引起的波后質(zhì)點(diǎn)速度（即可燃?xì)怏w運(yùn)動(dòng)速度）低于8.25m／s。對(duì)比介質(zhì)拋撒所引起的可燃?xì)怏w運(yùn)動(dòng)，如圖4所示，介質(zhì)前沿以近似恒定的速度穿越油盆區(qū)域，其速度約為80m／s，即介質(zhì)前沿可燃?xì)怏w向外運(yùn)動(dòng)的速度約為80m／s，遠(yuǎn)大于激波引起可燃?xì)怏w向外運(yùn)動(dòng)的速度。因此冷激波滅火彈爆炸所形成的激波對(duì)加快可燃?xì)怏w的燃燒作用和后續(xù)的阻氧作用幾乎可以忽略；同時(shí)由于激波較弱，其對(duì)周邊環(huán)境的影響也可以忽略不計(jì)。

3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述理論結(jié)果，采用圖5所示的實(shí)驗(yàn)裝置拍攝冷激波滅火彈撲滅油盆火的過程。油盆尺寸為1m×1m，滅火彈尺寸為?110mm×180mm，拋撒藥質(zhì)量為3g，燃料選用90汽油，高速攝像的拍攝頻率為4×103s－1。油盆點(diǎn)火后，預(yù)燃一段時(shí)間，火焰面基本穩(wěn)定后起爆冷激波滅火彈，滅火過程如圖6所示。

圖5 冷激波滅火實(shí)驗(yàn)裝置Fig.5 Experimental apparatus for cold shock wave extinguishing fire

圖6 冷激波滅火實(shí)驗(yàn)過程Fig.6 Fire－extinguishing process by cold shock wave extinguishing bomb

以冷激波滅火彈起爆時(shí)刻為零時(shí)刻，0≤t＜3ms，火焰面向外折疊，由殼體高速膨脹運(yùn)動(dòng)和拋撒藥爆炸所形成的激波引起的擾動(dòng)向外傳播；t＝3ms，火焰面開始回縮，直到t＝5ms結(jié)束；冷激波滅火彈起爆后，滅火介質(zhì)穿越火場(chǎng)，推動(dòng)可燃?xì)怏w到達(dá)火焰面，使火焰面亮度逐漸增大，同時(shí)滅火介質(zhì)逐漸隔斷火焰面和汽油；t＝48ms后，明火被冷激波滅火彈撲滅。

圖7 區(qū)域A和B的位置Fig.7 Location of regions Aand B

本次高速攝影圖片像素為400×248，圖像由0～255個(gè)色階組成（0代表黑色，255代表白色），其中高色階色素所占圖片色素百分比越多，代表燃燒越劇烈。選取每張圖片同等位置處的A、B等2個(gè)區(qū)域，如圖7所示；考察A、B等2個(gè)區(qū)域高色階色素所占圖片色素的百分比隨時(shí)間的變化情況，如圖8所示。

由圖8可知，t＜5ms，各區(qū)域高階色素（230以上）百分比變化不大，即激波對(duì)燃燒速率的影響較?。籺≥5ms，滅火介質(zhì)推動(dòng)可燃?xì)怏w到達(dá)火焰面，使各區(qū)域的高階色素百分比逐漸增大，即各區(qū)域燃燒速率逐漸增大；隨后滅火介質(zhì)隔斷火焰面和油盆，各區(qū)域高階色素百分比逐漸減小，即燃燒速率逐漸減小，直至火焰熄滅。由此證明介質(zhì)拋撒對(duì)加快可燃?xì)怏w燃燒的作用大于激波的影響。因此該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了冷激波滅火彈中激波對(duì)滅火效果和周邊環(huán)境的影響可以忽略的結(jié)論。

圖8 不同區(qū)域色素百分比時(shí)程曲線Fig.8 Pigment percent－time profiles in different regions

4 結(jié) 論

（1）在0.3%的比藥量下，粉基冷激波滅火彈爆炸后會(huì)在空中形成弱激波，而水基冷激波滅火彈爆炸后只能在空中形成擾動(dòng)（由殼體高速運(yùn)動(dòng)引起）。

（2）對(duì)比滅火介質(zhì)拋撒加快可燃?xì)怏w燃燒（加快滅火）的效果，冷激波滅火彈爆炸形成的激波對(duì)加快可燃?xì)怏w燃燒的效果是可以忽略的；同時(shí)激波對(duì)周邊環(huán)境的危害也是可以忽略的。因此冷激波滅火系統(tǒng)通過能量轉(zhuǎn)換盡管降低了激波對(duì)滅火效果的影響，但同時(shí)也降低了激波危害，改善了激波滅火方法。

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