障礙物遮擋條件下細(xì)水霧與油池火相互作用的實(shí)驗(yàn)研究

朱小勇，房玉東，廖光煊

（1.安徽省蕪湖市消防支隊(duì)，蕪湖，241000；2.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）

0 引言

在火災(zāi)環(huán)境中，障礙物的遮擋使滅火變得更加困難。實(shí)驗(yàn)證明障礙物的存在對(duì)預(yù)混火焰或者非預(yù)混火焰都有穩(wěn)定作用［1］，傳統(tǒng)的水噴淋滅火系統(tǒng)無(wú)法有效撲救障礙物遮擋火焰。研究人員在沒有障礙物的情況下進(jìn)行了大量的細(xì)水霧滅火實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明對(duì)于航空煤油火焰，在噴射覆蓋范圍之內(nèi)細(xì)水霧可以迅速的熄滅火焰，滅火時(shí)間基本小于20秒［2－6］。美國(guó)NIST研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)水霧撲救計(jì)算機(jī)箱體內(nèi)部有遮擋火焰的實(shí)驗(yàn)研究［7］，結(jié)果表明在細(xì)水霧工作壓力低于1MPa的情況下，很難撲滅機(jī)箱內(nèi)部有遮擋的火焰；當(dāng)壓力升高到2MPa時(shí)，滅火效果有所改善，細(xì)水霧可以撲滅某些遮擋火焰，但他們沒有進(jìn)行細(xì)水霧工作壓力大于2MPa的實(shí)驗(yàn)。此外，已有研究表明細(xì)水霧對(duì)煙氣有顯著的沖刷作用。細(xì)水霧不僅能提高火場(chǎng)的能見度，還能吸附與溶解有毒產(chǎn)物，促使煙顆粒凝聚沉降，降低火災(zāi)中煙氣的危害性［8，9］。目前國(guó)際上關(guān)于細(xì)水霧與障礙物火相互作用的研究基本局限在工作壓力小于2MPa范圍內(nèi)［10－15］，因此有必要進(jìn)行更高壓力的細(xì)水霧與障礙物火相互作用的研究工作。本文主要針對(duì)障礙物油池火進(jìn)行了細(xì)水霧滅火有效性的全尺寸實(shí)驗(yàn)研究，深入了解了高壓細(xì)水霧對(duì)障礙物油池火的抑制熄滅作用。同時(shí)研究了障礙物與火焰的相對(duì)位置、細(xì)水霧的工作壓力、噴頭距離火焰垂直距離等關(guān)鍵因素對(duì)滅火有效性的影響，分析了在有障礙物遮擋的情況下細(xì)水霧滅火的主導(dǎo)機(jī)理。揭示了細(xì)水霧作用下火災(zāi)煙氣中CO、CO2、O2濃度的變化規(guī)律，驗(yàn)證了高壓細(xì)水霧在滅火過程中可以有效提高火場(chǎng)氧氣濃度并降低煙氣中一氧化碳及二氧化碳的濃度。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及工況

實(shí)驗(yàn)是在8m×10m×5m的全尺寸受限空間內(nèi)進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)中采用0.85m×0.75m×0.75m的鐵制桌子作為障礙物，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。桌子安放在噴頭正下方、距噴頭中心軸線約0.5m和1.0m處。在受限空間其中一長(zhǎng)邊側(cè)墻（10m）靠近頂角處設(shè)置一機(jī)械排煙口（如圖1所示），排煙量約為0.114m3／s。機(jī)械排煙只在每次測(cè)試結(jié)束后開啟。實(shí)驗(yàn)受限空間有兩個(gè)門，但在實(shí)驗(yàn)時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)中采用RP5型航空煤油作為燃料，油盤直徑為0.16m、深度為0.01m，水平放置于地面，位于桌子的下方，測(cè)試時(shí)考慮桌子下中心和距中心約0.3m兩個(gè)位置，油盤與桌子的擺放位置如圖1、圖2所示。細(xì)水霧噴頭安置在受限空間的中心位置，測(cè)試中噴頭考慮距地面4.5m和2.7m兩個(gè)高度，且只考慮細(xì)水霧垂直下噴方式。利用M9000型煙氣成份分析儀測(cè)量細(xì)水霧作用前后CO、CO2、O2的濃度，煙氣分析儀采樣探頭設(shè)置在距地面約2.5m高度處（中心線上方、距火源1.0m），以著重研究細(xì)水霧作用對(duì)上部煙氣的影響。采樣探頭每隔1s采樣一次。選用高壓瓶組式細(xì)水霧滅火系統(tǒng)進(jìn)行滅火實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)可提供的最高工作壓力為4MPa。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental apparatus

圖2 障礙物、油盤位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the obstacle and oil pan locations

細(xì)水霧由7N型壓力霧化噴頭產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)中利用LDV／APV激光多普勒分析儀測(cè)量了細(xì)水霧的粒徑及速度。圖3給出了噴頭下方1m處不同徑向位置霧滴速度及其粒徑的測(cè)量結(jié)果。細(xì)水霧霧滴的速度隨壓力增大而增大，且隨徑向距離的增加而減小；霧滴粒徑隨壓力增大而減小，且隨徑向距離的增加而增大。細(xì)水霧噴頭的霧化錐角為120°。實(shí)驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度為30℃。

實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。每種工況進(jìn)行三次實(shí)驗(yàn)取平均測(cè)量結(jié)果。首先進(jìn)行噴頭距離地面高度為4.5米的實(shí)驗(yàn)，在每種工況下分別進(jìn)行多種細(xì)水霧工作壓力的滅火實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，首先調(diào)整好障礙物與油盆的相對(duì)位置。點(diǎn)燃油池火，經(jīng)過20秒左右的預(yù)燃時(shí)間，油池達(dá)到穩(wěn)定燃燒階段后，開始施加細(xì)水霧。當(dāng)火焰熄滅后，關(guān)閉供水閥，打開排煙通道，清理實(shí)驗(yàn)環(huán)境，進(jìn)行下一個(gè)工況的實(shí)驗(yàn)。然后進(jìn)行噴頭距離地面高度為2.7米的單個(gè)噴頭實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程同上。在實(shí)驗(yàn)中如滅火時(shí)間超過120秒，記錄滅火失敗。最后對(duì)采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

圖3 細(xì)水霧霧滴速度及其粒徑的測(cè)量結(jié)果Fig.3 Measurement results of droplet velocityand diameter of water mist

表1 實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Experimental cases

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 細(xì)水霧滅火有效性分析

由圖4可以看出，在工況1的條件下，細(xì)水霧只能抑制火焰的燃燒，火焰很難被熄滅。當(dāng)壓力升高時(shí)，這種情況也沒有得到改善，主要是因?yàn)檎系K物完全遮擋了火焰，只有少量的細(xì)水霧通過卷吸作用到達(dá)火焰區(qū)域，由于細(xì)水霧不能大量進(jìn)入火焰區(qū)域，表面冷卻的滅火機(jī)理不能充分發(fā)揮，因此細(xì)水霧的滅火性能受到了限制。在工況2的條件下，當(dāng)細(xì)水霧壓力增大到1MPa時(shí)可以在105秒左右的時(shí)間熄滅火焰，細(xì)水霧滅火所需時(shí)間隨著壓力的升高而縮短。當(dāng)壓力超過3MPa后繼續(xù)增大壓力滅火時(shí)間沒有明顯縮短。由圖4可以看出在工況7的條件下，細(xì)水霧還是難以快速熄滅火焰。在工況8的條件下當(dāng)細(xì)水霧工作壓力超過1MPa時(shí)，可以熄滅油池火。同工況2相比，在相同的工作壓力下細(xì)水霧滅火時(shí)間有所降低，這主要是因?yàn)閲婎^高度降低，到達(dá)火焰區(qū)域的細(xì)水霧動(dòng)量明顯增加，細(xì)水霧對(duì)火焰的沖擊作用大大增強(qiáng)，籠罩在桌子周圍的細(xì)水霧通量也明顯增加，強(qiáng)化了細(xì)水霧的隔絕氧氣和降溫作用，從而提高了細(xì)水霧的滅火效率。

圖4 滅火時(shí)間與水壓之間關(guān)系（工況1、2、7、8）Fig.4 Relationship between the fire extinguish time and water pressure（Case 1，2，7and 8）

由圖5可以看出，在工況3的條件下當(dāng)壓力增大到1MPa時(shí)，細(xì)水霧可以熄滅火焰，但滅火所需時(shí)間仍較長(zhǎng)。在這種工況下雖然不能快速滅火，但細(xì)水霧可以有效的抑制油池火。在工況4的條件下當(dāng)細(xì)水霧工作壓力達(dá)到0.5MPa時(shí)，火焰被熄滅。當(dāng)細(xì)水霧工作壓力增大到3MPa以上時(shí)，細(xì)水霧滅火時(shí)間降低到40秒左右，由此看出在該工況下細(xì)水霧的滅火效率隨著壓力增大明顯提高。主要是因?yàn)樵谠撐恢谜系K物沒有完全遮擋火焰，細(xì)水霧通過卷吸作用大量的進(jìn)入火焰區(qū)域，同時(shí)有一部分細(xì)水霧直接作用在火焰根部，隨著細(xì)水霧噴射動(dòng)量的增加細(xì)水霧的表面冷卻和拉伸火焰作用得到了顯著的提高。從圖5還可以看出，工況9滅火時(shí)間小于工況3。工況10的滅火時(shí)間隨著壓力的升高大大的降低了，滅火效果明顯好于工況4。當(dāng)壓力達(dá)到3MPa時(shí)細(xì)水霧滅火所需時(shí)間大約為4秒左右，原因主要有兩點(diǎn)：一是因?yàn)閴毫υ龃蠛?，?xì)水霧的粒徑減小，動(dòng)量增大，從而提高了霧滴的蒸發(fā)吸熱速率，增強(qiáng)了細(xì)水霧穿透火羽流的能力，同時(shí)細(xì)水霧噴射動(dòng)量增大之后可以更加有效地沖擊火焰根部，限制了火焰的發(fā)展；二是因?yàn)閲婎^高度降低使得卷吸進(jìn)入火焰區(qū)域的細(xì)水霧通量增大，強(qiáng)化了細(xì)水霧表面冷卻作用。由此看出火源在部分被遮擋的情況下，當(dāng)噴頭高度降低到2.7米時(shí)增大細(xì)水霧的工作壓力可以有效地提高細(xì)水霧的滅火效率。這表明噴頭距離火源的垂直距離及水平距離明顯地影響細(xì)水霧的滅火效率。

圖5 滅火時(shí)間與水壓之間的關(guān)系（工況3、4、9、10）Fig.5 Relationship between the fire extinguish time and water pressure（Case 3，4，9and 10）

圖6 滅火時(shí)間與水壓之間的關(guān)系（工況5、6、11、12）Fig.6 Relationship between fire extinguish time and water pressure（Case 5，6，11and 12）

由圖6可以看出，在工況5的條件下細(xì)水霧很難熄滅火焰，這主要是因?yàn)閲婎^距離油盆的水平距離過大，再加上障礙物的遮擋使得細(xì)水霧很難大量進(jìn)入到火焰區(qū)域，隨著水壓的升高細(xì)水霧對(duì)火焰的抑制效果有所提高。在工況6的條件下滅火情況得到了明顯的改善，當(dāng)壓力增大到3MPa時(shí)可以在50秒左右熄滅火焰。這主要是因?yàn)檎系K對(duì)火焰的遮擋程度變小，同時(shí)噴頭距離火焰的水平距離縮小。在工況11的條件下還是很難滅火。在工況12的條件下當(dāng)壓力增大到3MPa時(shí)，細(xì)水霧可以快速熄滅火焰，滅火時(shí)間在8秒鐘左右。由于工況12噴頭距離火源的水平距離大于工況10，因此滅火時(shí)間稍大于工況10。

2.2 CO、CO2、O2濃度變化分析

為了考察在細(xì)水霧長(zhǎng)時(shí)間作用下火場(chǎng)氧氣、一氧化碳及二氧化碳濃度的變化規(guī)律，特選取滅火所需時(shí)間較長(zhǎng)的工況6（40s＜t＜80s）進(jìn)行煙氣組分濃度變化規(guī)律分析。由圖7可以看出，在沒有細(xì)水霧作用的情況下，火場(chǎng)的氧氣濃度隨著燃燒反應(yīng)過程的進(jìn)行不斷降低，這是由于燃燒反應(yīng)大量消耗氧氣造成的。當(dāng)施加了細(xì)水霧之后，火場(chǎng)氧氣濃度開始上升，火場(chǎng)氧氣濃度上升的速度隨著細(xì)水霧工作壓力的增大而增加。在1MPa和2MPa工作壓力下，細(xì)水霧不能熄滅障礙物火焰，但在細(xì)水霧的作用下火場(chǎng)氧氣濃度維持在19%左右；在4MPa工作壓力下，當(dāng)火焰熄滅時(shí)，火場(chǎng)氧氣的濃度上升到20.6%。這是因?yàn)榧?xì)水霧在滅火過程中抑制了燃燒反應(yīng)，從而降低了氧氣的消耗，同時(shí)由于細(xì)水霧的卷吸作用不斷的卷吸新鮮空氣進(jìn)入火場(chǎng)，因此在滅火過程中火焰附近氧氣濃度得到了提高。

圖7 氧氣濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.7 Variation of O2concentration via time

圖8 二氧化碳濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.8 Variation of CO2concentration via time

由圖8中可以看出，在沒有細(xì)水霧作用的情況下，火場(chǎng)二氧化碳濃度不斷上升，在燃燒20秒之后二氧化碳濃度已經(jīng)上升到2%，進(jìn)入充分燃燒階段二氧化碳濃度上升速度加快。當(dāng)施加細(xì)水霧之后火場(chǎng)的二氧化碳濃度隨之下降，二氧化碳濃度下降的速度隨著細(xì)水霧工作壓力的增大而增加。在4MPa的工作壓力下，當(dāng)火焰熄滅時(shí)，火場(chǎng)二氧化碳濃度下降到0.3%左右。這是因?yàn)榧?xì)水霧抑制了燃燒反應(yīng)過程，降低了二氧化碳的生成速率。同時(shí)大量的二氧化碳?xì)怏w吸附在煙顆粒上，在細(xì)水霧的沖刷作用下，大量的煙顆粒碰撞凝結(jié)并溶解在水中迅速沉降。因此在滅火過程中隨著工作壓力的增大，細(xì)水霧沖刷煙氣的能力不斷增強(qiáng)，從而有效地降低了火場(chǎng)二氧化碳的濃度。

圖9 一氧化碳濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.9 Variation of CO concentration via time

圖9表明，在沒有細(xì)水霧作用的情況下，由于燃燒反應(yīng)過程充分，火場(chǎng)一氧化碳濃度緩慢上升，在60秒之內(nèi)上升到200ppm左右。當(dāng)施加細(xì)水霧之后，在1MPa及2MPa工作壓力下，一氧化碳濃度上升速度加快，在細(xì)水霧施加40秒后，上升速度減慢，這是因?yàn)榛鹧鎱^(qū)內(nèi)細(xì)水霧受熱氣化之后體積迅速膨脹，占據(jù)了大量空間，降低了氧氣的體積分?jǐn)?shù)，從而使燃燒化學(xué)反應(yīng)過程不完全，導(dǎo)致一氧化碳大量產(chǎn)生。但在4MPa的工作壓力下，當(dāng)細(xì)水霧施加后一氧化碳濃度上升的速度明顯小于1MPa及2MPa的情況，且當(dāng)細(xì)水霧施加25秒之后，一氧化碳濃度開始下降，當(dāng)火焰熄滅時(shí)，火場(chǎng)一氧化碳濃度下降到30ppm左右。這是由于在壓力較低時(shí)，細(xì)水霧霧滴的粒徑較大、速度較低，其與火羽流相互作用中對(duì)火焰燃燒起到了一定抑制作用但不夠徹底，導(dǎo)致因局部燃燒不充分等原因致使CO濃度上升；當(dāng)壓力較高時(shí)，細(xì)水霧霧滴粒徑減小、速度增大，其與火羽流相互作用時(shí)對(duì)火焰燃燒的抑制作用增強(qiáng)，同時(shí)因其穿透力較強(qiáng)致使可到達(dá)燃料表面的液滴增多，導(dǎo)致熱解揮發(fā)份的產(chǎn)生降低且火焰燃燒得到較完全的抑制，因而這種情況下CO濃度有所下降。

3 結(jié)論

本文通過12種工況的實(shí)驗(yàn)，研究了細(xì)水霧與障礙物遮擋油池火相互作用的規(guī)律，得出如下主要結(jié)論：

（1）障礙物對(duì)火焰的遮擋程度對(duì)細(xì)水霧的滅火效果具有明顯的影響作用。當(dāng)障礙物完全遮擋住火焰時(shí)，由于細(xì)水霧無(wú)法直接進(jìn)入火焰區(qū)域和作用到燃料表面，其冷卻火焰和燃料表面的滅火機(jī)理受到限制，火焰很難被熄滅。但在壓力增大的情況下，細(xì)水霧可以有效地降低火焰溫度和火焰高度，控制燃燒的規(guī)模。

（2）當(dāng)障礙物部分遮擋火焰時(shí)，增大細(xì)水霧的工作壓力、縮短噴頭距離火源的水平距離和垂直高度，均可縮短細(xì)水霧的滅火時(shí)間，因此在細(xì)水霧的實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)充分考慮細(xì)水霧噴頭的布置以及優(yōu)化設(shè)計(jì)細(xì)水霧系統(tǒng)的工作壓力。

（3）在高壓細(xì)水霧的作用下，煙氣中一氧化碳及二氧化碳的濃度明顯下降，并最終維持在人能接受的安全范圍之內(nèi)；同時(shí)煙氣中氧氣的濃度明顯上升，說明細(xì)水霧的應(yīng)用還有利于火場(chǎng)人員的安全。

［1］崔正心，等.細(xì)水霧抑制障礙物穩(wěn)定火焰的實(shí)驗(yàn)研究［J］.火災(zāi)科學(xué)，2001，10（3）：174－177.

［2］Grant G，et al.Fire suppression by water sprays［J］.Progress in Energy and Combustion Science，2000，26（2）：79－130.

［3］Kim AK，et al.Water－mist system can replace halon for use on electrical equipment［J］.Canadian Consulting Engineer，1996，（5）：30－32.

［4］Mawhinney JR.Water－mist fire suppression systems for the telecommunication and utility industries［A］.Proceedings：Halon Alternatives Technical Working Conference［C］，Albuquerque，1994.

［5］Mawhinney JR.Findings of experiments using water mist for fire suppression in an electronic equipment room［A］.Proceedings：Halon Options Technical Working Conference［C］，Albuquerque，NM，1996.

［6］Ndubizu CC，et al.On water mist fire suppression mechanisms in a gaseous diffusion flame［J］.Fire Safety Journal，1998，31（3）：253－276.

［7］Grosshandler W，et al.Protection of data processing equipment with fine water sprays ［R］， NISTIR 5514，1994.

［8］張小艷，等.微細(xì)水霧除塵技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究［J］.環(huán)境污染與防治，2003，25（4）：234－236.

［9］張小艷.微細(xì)水霧除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2001，27（8）：1－4.

［10］Liu Z，et al.A review of water mist fire suppression technology：part II－application studies［J］.Journal of Fire Protection Engineering，2001，11（1）：16－43.

［11］叢北華，等.含添加劑的細(xì)水霧與油池火的相互作用［A］.全國(guó)高校工程熱物理會(huì)議［C］.2002，677－685.

［12］Richard G.Next generation fire suppression technology program［J］.Fire Technology，1998，34（4）：363－364.

［13］Finnerty AE. Water－based fire－extinguishing agents［A］.In：Proceedings of Halon Options Technical Working Conference［C］，Albuquerque，New Mexico.1995，461－471.

［14］Michelle D.King，et al.Evaporation of a small water droplet containing an additive［A］.Proceedings of the ASME National Heat Transfer Conference［C］..Baltimore，1997.

［15］Daniel Madrzykowski.Water additives for increased efficiency of fire protection and suppression ［A］.Fire Detection，F(xiàn)ire Extinguishment and Fire Safety Engineering［C］.NRIFD 50thAnniversary Symposium Proceedings.Tokyo，Japan，1998.