細(xì)水霧作用下煙氣組分濃度變化規(guī)律的模擬研究

房玉東

（國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局通信信息中心，北京100013）

1 前言

通常在建筑火災(zāi)中煙氣造成的人員傷亡比例最大。研究表明，在火災(zāi)人員的傷亡中，大約50%是由煙氣中一氧化碳（CO）中毒引起的，而其余50%由燒傷、爆炸及其他有毒氣體引起。細(xì)水霧進(jìn)入煙氣層后會與之發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)作用，在細(xì)水霧的作用下煙氣中氧氣（O2）、CO和二氧化碳（CO2）濃度都會發(fā)生變化[1，2]。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室建成了ISO 9705全尺寸多功能熱釋放速率測試儀，該實驗裝置是參照國際標(biāo)準(zhǔn)化組織在1993年制定的ISO ROOM實驗方法建設(shè)的，可同步測量火災(zāi)煙氣中CO、CO2和O2濃度，同時可測量噴水滅火系統(tǒng)作用下上述特性參數(shù)的變化規(guī)律[3～6]。由于是全尺寸大型實驗，能夠模擬真實火災(zāi)條件，所以其測試結(jié)果比較可靠，為室內(nèi)火災(zāi)模擬和滅火系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計提供了有力的實驗數(shù)據(jù)支持。本文利用上述實驗平臺深入研究細(xì)水霧作用下煙氣組分濃度的變化規(guī)律，為細(xì)水霧技術(shù)用于火災(zāi)煙氣抑制提供了必要的參考依據(jù)。

2 實驗描述

實驗中選用柴油作為發(fā)煙材料，油盤位于房間的墻角處，油盆尺寸長×寬×高=0.4 m×0.4 m×0.05 m，利用酒精引燃柴油。利用高壓泵式細(xì)水霧發(fā)生裝置產(chǎn)生細(xì)水霧，采用兩種不同類型的噴頭：噴頭1霧滴粒徑為50～100μm，工作壓力為7～10MPa；噴頭2霧滴粒徑為300～500μm，工作壓力為1～4MPa。實驗中柴油預(yù)燃60 s，每種工況施加細(xì)水霧100 s。圖1給出了實驗系統(tǒng)示意圖，表1給出了實驗工況。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

表1 實驗工況Table 1 Experimental case

ISO 9705的測量系統(tǒng)由集煙罩、排煙系統(tǒng)和測試段構(gòu)成。集煙罩的開口尺寸為3m×3m，位于燃燒室出口的正上方，集煙罩上方與排煙管道系統(tǒng)相連，下邊緣與燃燒室頂相齊，這樣可以收集實驗中通過門離開燃燒室的所有燃燒產(chǎn)物。排煙管的一端與集煙罩相連，另一端與變頻風(fēng)機(jī)相連。風(fēng)機(jī)流量范圍為0～4 kg/s。測試段中的氣體采樣設(shè)備與Servomex400氣體分析儀連接，測量煙氣中的O2、CO和CO2濃度。實驗中用取樣探針采集氣體，經(jīng)過碳黑過濾器過濾后，通過控制臺的冷卻柱進(jìn)行冷卻，再經(jīng)過無水硅膠的干燥后通向氣體分析儀，其量程為O2（0～25%）、CO（0～1%）、CO2（0～10%）。每5 s采集一次數(shù)據(jù)。圖2給出了煙氣采樣分析的流程圖。

3 典型實驗結(jié)果與分析

3.1 細(xì)水霧作用下O2濃度變化規(guī)律分析

從圖3可以看出，施加細(xì)水霧之后O2濃度明顯上升并最終穩(wěn)定在某個值附近，O2濃度的回升量隨著風(fēng)機(jī)速率的增大而增加。為了研究細(xì)水霧作用下O2濃度的變化規(guī)律，定義一個變量，即氧氣濃度回升量

圖2 煙氣采樣分析流程圖Fig.2 Smoke sam p ling and analysis flow chart

式（1）中，in代表O2濃度回升量，%；代表細(xì)水霧作用后O2濃度平穩(wěn)時刻的濃度，%代表施加細(xì)水霧之前穩(wěn)定燃燒階段的O2濃度，%。

圖3 O2濃度隨時間變化曲線（1.5 kg/s）Fig.3 Time-varying curves of O2 concentration(1.5 kg/s)

從圖4可以看出，O2濃度的回升量隨著風(fēng)機(jī)速率的增大而增加，在噴頭1產(chǎn)生的細(xì)水霧作用下，O2濃度回升量要遠(yuǎn)大于噴頭2，這表明霧滴粒徑較小的細(xì)水霧更有利于O2濃度的回升。這是因為霧滴粒徑較小的細(xì)水霧的比表面積更大，從而能夠更加有效地吸收熱量，有效地冷卻煙氣溫度，降低煙氣對火源的輻射熱反饋并抑制燃燒，大大降低了燃燒反應(yīng)的耗氧量。同時隨著風(fēng)機(jī)速率的增大，細(xì)水霧的卷吸作用被強(qiáng)化，大量的新鮮空氣不斷進(jìn)入火場環(huán)境，這也加速了O2濃度的回升過程。

圖4 in隨S e變化曲線Fig.4 Curves of in with S e

下面以工況1～4為例，將O2濃度回升量與風(fēng)機(jī)速率按如下函數(shù)形式進(jìn)行多項式擬合

式（2）中，Se為風(fēng)機(jī)速率；ki（i=1，2，3）為多項式系數(shù)。表2給出了擬合函數(shù)的ki系數(shù)。

表2 擬合函數(shù)的ki系數(shù)Table2 The coefficient ki of fitting function

從圖5可看出ki系數(shù)與工作壓力之間滿足一定的函數(shù)關(guān)系，將ki系數(shù)和工作壓力P按如下函數(shù)形式進(jìn)行曲線擬合

式（3）中，a、b、C均為多項式擬合系數(shù)。則可給出ki系數(shù)與工作壓力P之間的函數(shù)關(guān)系如下

將式(4)～式(6)帶入式(2)可得如下函數(shù)關(guān)系

圖5 ki系數(shù)與P的相關(guān)曲線Fig.5 Correlation curves of ki with P

從圖6可以看出，O2濃度的回升量隨著細(xì)水霧工作壓力的增大而增加，隨著風(fēng)機(jī)速率的增大而增加，當(dāng)風(fēng)機(jī)速率超過1.5 kg/s時，O2濃度回升量的增加速率加快。這是因為通風(fēng)使得火災(zāi)環(huán)境O2濃度增大，這有助于燃燒反應(yīng)的進(jìn)行；同時通風(fēng)擾動火災(zāi)環(huán)境的流場，使燃燒變得不穩(wěn)定，這有助于火焰的熄滅。當(dāng)風(fēng)速超過一定值后，通風(fēng)對火焰的熄滅作用占主導(dǎo)地位。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和計算曲面可以判定，實驗中O2濃度快速上升的臨界風(fēng)機(jī)速率為1.5 kg/s。

圖6 in與P和S e的相關(guān)曲面Fig.6 Correlation surface of in with P and S e

3.2 細(xì)水霧作用下CO濃度變化規(guī)律分析

從圖7可以看出，在沒有細(xì)水霧作用的情況下，CO濃度緩慢上升，并最終維持在120μL/L左右。施加細(xì)水霧之后，CO濃度上升速度加快；細(xì)水霧作用一段時間后，CO濃度恒定在某個值附近，此時CO濃度要大于無細(xì)水霧作用時的CO濃度。造成CO濃度上升的原因是細(xì)水霧有效抑制了燃燒，使燃燒不充分，從而加快了CO的生成速率，使其濃度快速上升。由于細(xì)水霧無法直接進(jìn)入火焰區(qū)域，只能通過冷卻煙氣和蒸發(fā)吸熱來抑制燃燒，作用一定時間后，燃燒系數(shù)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，此時CO濃度上升緩慢，并最終恒定在某個值附近。

圖7 CO濃度隨時間變化曲線（1.5 kg/s）Fig.7 Time-varying curves of CO concentration(1.5 kg/s)

為了研究細(xì)水霧作用下CO濃度的變化規(guī)律，定義一個無量綱參數(shù)，即CO濃度增大倍數(shù)

式（8）中，InCCO代表CO濃度增大倍數(shù)；代表細(xì)水霧作用下穩(wěn)定階段的CO濃度，μL/L；代表無細(xì)水霧作用下穩(wěn)定階段的CO濃度，μL/L。

從圖8可以看出，CO濃度同風(fēng)機(jī)速率之間滿足一定的函數(shù)關(guān)系，將InCCO與Se按照式（9）進(jìn)行多項式擬合。表3給出了擬合函數(shù)的ki值。

從圖9可看出，ki系數(shù)與工作壓力P之間滿足一定的函數(shù)關(guān)系。利用二次多項式的函數(shù)形式對ki值和P進(jìn)行多項式擬合，可給出ki與P的數(shù)學(xué)關(guān)系將式(10)～式(12)帶入式(9)可得CO濃度增大倍數(shù)InCCO與工作壓力P和風(fēng)機(jī)速率Se之間的數(shù)學(xué)關(guān)系

圖8 In C CO隨S e變化曲線Fig.8 Curves of In C CO with S e

表3 擬合函數(shù)ki系數(shù)Table3 The coefficients ki of fitting function

從圖10可以看出，當(dāng)風(fēng)機(jī)速率小于1.5 kg/s時，CO濃度增大倍數(shù)InCCO隨著細(xì)水霧工作壓力P的增大而增加；當(dāng)風(fēng)機(jī)速率大于1.5 kg/s時，P增大到10MPa后，InCCO開始下降。這是因為當(dāng)風(fēng)機(jī)速率超過1.5 kg/s時，通風(fēng)對火焰的熄滅作用占主導(dǎo)地位；同時工作壓力增大到10MPa后，細(xì)水霧的冷卻和蒸發(fā)吸熱作用得到強(qiáng)化，在細(xì)水霧和通風(fēng)的耦合作用下，火焰尺寸明顯變小，燃燒強(qiáng)度明顯減弱，使得CO濃度的上升速度開始下降。

3.3 細(xì)水霧作用下CO2濃度變化規(guī)律分析

圖9 ki系數(shù)與P相關(guān)曲線Fig.9 Correlation curves of ki with P

圖10 In C CO與S e和P的相關(guān)曲面Fig.10 Correlation surface of In C CO with S e and P

從圖11可看出，進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段CO2濃度恒定在1.8%左右，施加細(xì)水霧之后CO2濃度快速下降，CO2濃度下降幅度隨著工作壓力的增大而增加，并最終恒定在某個值附近。這主要是因為施加細(xì)水霧之后，有效地降低了火災(zāi)環(huán)境的溫度，抑制了燃燒反應(yīng)，導(dǎo)致CO2的生成速率減小。同時大量的CO2吸附在煙顆粒表面，還有部分CO2溶解在空間中的細(xì)水霧顆粒中，隨著工作壓力的增大細(xì)水霧沖刷煙氣的效率被強(qiáng)化，這也加快了火災(zāi)環(huán)境中CO2濃度的下降。

圖11 CO2濃度隨時間變化曲線（1.5 kg/s）Fig.11 Time-varying curves of CO2 concentration(1.5 kg/s)

為了研究細(xì)水霧作用下CO2濃度的變化規(guī)律，定義一個無量綱參數(shù)，即二氧化碳濃度衰減比例

式（14）中，DCO2代表細(xì)水霧作用后CO2濃度的衰減比例；代表穩(wěn)定燃燒階段的CO2濃度，%；代表細(xì)水霧作用后CO2的最終濃度，%。

圖12給出了CO2濃度衰減比例DCO2與風(fēng)機(jī)速率Se之間的曲線關(guān)系。從圖12中可以看出，噴頭1抑制CO2的效果要好于噴頭2。這是因為噴頭1產(chǎn)生細(xì)水霧的粒徑要小于噴頭2，因此噴頭1的冷卻作用和全淹沒效果要好于噴頭2，隨著細(xì)水霧工作壓力的增大，其對火焰的抑制程度加強(qiáng)。CO2濃度的衰減比例隨著細(xì)水霧工作壓力的增大而增加，從圖12可看出，CO2濃度衰減比例DCO2隨著風(fēng)機(jī)速率Se的增大先增大后減小。對DCO2和Se按式（15）進(jìn)行多項式擬合

圖12 D CO2隨S e變化曲線Fig.12 Curves of D CO2 with S e

表4給出了擬合函數(shù)的ki系數(shù)。從表4可以看出，在不同工作壓力下，k2、k3、k4基本為常數(shù)，只有k1隨著工作壓力的增大而增加。圖13給出了k1與壓力P之間的二次多項式擬合曲線，k1與P之間滿足如下數(shù)學(xué)關(guān)系

表4 擬合函數(shù)ki系數(shù)Table 4 The coefficients ki of fitting function

圖13 k1與P相關(guān)曲線Fig.13 Relation curve of k1 and P

將式(16)和k2、k3、k4的平均值帶入式(15)可得DCO2與Se之間的數(shù)學(xué)關(guān)系如下

圖14給出了CO2濃度衰減比例與工作壓力和風(fēng)機(jī)速率之間的曲面關(guān)系。從圖14中可以看出，當(dāng)風(fēng)機(jī)速率達(dá)到1.5 kg/s時，工作壓力超過10MPa后，CO2濃度衰減比例下降。這是因為在通風(fēng)和細(xì)水霧的耦合作用下，火焰尺寸變小，燃燒強(qiáng)度減弱，此時火焰逐步開始熄滅，使得CO2生成速率快速下降，從而導(dǎo)致了CO2濃度衰減比例下降。

圖14 D CO2與P和S e相關(guān)曲面Fig.14 Correlation surface of D CO2 with P and S e

4 結(jié)語

本文通過實驗研究和計算分析得出如下結(jié)論。

1）施加細(xì)水霧后，煙氣中的O2濃度快速回升，CO濃度上升速度加快，CO2濃度快速下降。隨著細(xì)水霧工作壓力的增大，O2濃度回升速度加快，CO濃度上升速度減慢，CO2濃度下降速度加快。

2）通風(fēng)作用既可以提高火場O2濃度，助燃火焰，又可以破壞火焰燃燒的穩(wěn)定性，加速火焰熄滅。實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)機(jī)速率小于1.5 kg/s時，通風(fēng)造成的助燃火焰發(fā)揮主導(dǎo)作用；當(dāng)風(fēng)機(jī)速率大于1.5 kg/s時，通風(fēng)造成的熄滅火焰發(fā)揮主導(dǎo)作用。

3）利用實驗數(shù)據(jù)建立了O2濃度回升量、CO濃度增大倍數(shù)和CO2濃度衰減比例隨風(fēng)機(jī)速率和細(xì)水霧工作壓力變化的數(shù)學(xué)模型。

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