受限空間開口對(duì)細(xì)水霧滅火有效性影響實(shí)驗(yàn)研究*

周　洋，卜蓉偉，陳　波，張武暉

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 湖南 410075；2.廣州中國(guó)科學(xué)院工業(yè)技術(shù)研究院，廣州 廣東 511458；3.慶陽(yáng)市公安消防支隊(duì)，甘肅 慶陽(yáng)，745000)

0　引言

建筑受限空間火災(zāi)在日常生活中極為常見，如臥室、儲(chǔ)物間、辦公室、廚房等，受限空間內(nèi)部可燃物種類繁多、火災(zāi)載荷大，引發(fā)火災(zāi)后給生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)極大的威脅。細(xì)水霧滅火作為鹵代烷系列的主要替代技術(shù)之一，具有高效、穩(wěn)定、成本低、易于得到、無(wú)環(huán)境污染、對(duì)防護(hù)對(duì)象破壞性小等特點(diǎn)[1-5]。

細(xì)水霧的滅火有效性不僅與細(xì)水霧的滅火機(jī)理有關(guān)，且同時(shí)與火災(zāi)場(chǎng)景密切相關(guān)[6]。盡管近年國(guó)內(nèi)外細(xì)水霧滅火有效性的研究取得了新的進(jìn)展，但是對(duì)受限空間內(nèi)細(xì)水霧滅火有效性影響研究較少。Liu[7-8]等人通過(guò)測(cè)定室內(nèi)溫度、CO2和O2濃度，利用全尺寸實(shí)驗(yàn)研究了不同通風(fēng)條件下細(xì)水霧的滅火效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通風(fēng)情況是影響細(xì)水霧滅火效果的一個(gè)重要因素，指出在強(qiáng)制通風(fēng)條件下細(xì)水霧滅火效果會(huì)因?yàn)榉块g和周圍環(huán)境強(qiáng)烈的質(zhì)量交換而降低，但同時(shí)也指出通風(fēng)對(duì)細(xì)水霧滅火效果的影響取決于火場(chǎng)中的火源位置和所選用的細(xì)水霧滅火系統(tǒng)；Mawhinney[9]等人指出通風(fēng)情況下細(xì)水霧的噴霧動(dòng)量應(yīng)足夠大，在通風(fēng)條件未知的情況下，即使細(xì)水霧滅火系統(tǒng)可以快速滅火，細(xì)水霧施加時(shí)間也應(yīng)該設(shè)置得更長(zhǎng)；Yang[10]等人利用全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法研究了細(xì)水霧的滅火特性，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合的很好，并提出建立用于預(yù)測(cè)細(xì)水霧滅火特性數(shù)值模型的思想；Jenft[11]等人發(fā)現(xiàn)當(dāng)細(xì)水霧施加在火災(zāi)充分燃燒階段時(shí)，火災(zāi)能夠被快速地?fù)錅纾?dāng)細(xì)水霧應(yīng)用在火災(zāi)發(fā)展的初期時(shí)，要實(shí)現(xiàn)滅火則需要細(xì)水霧較長(zhǎng)時(shí)間的施加；房玉東[12]等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)施加細(xì)水霧之后，煙顆粒中的球形基本粒子吸收了煙氣中的飽和水蒸汽，體積和重量均有所增大；另一方面，速度較大的細(xì)水霧能更有效的沖擊煙顆粒，強(qiáng)化霧滴與煙顆粒之間的碰撞運(yùn)動(dòng)，有利于霧滴與煙顆粒之間發(fā)生凝聚和合并，從而加速煙顆粒的沉降過(guò)程；此外，房玉東[13]還通過(guò)全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)研究了細(xì)水霧作用下煙氣組分濃度的變化規(guī)律；陸強(qiáng)[14]等人研究了細(xì)水霧滅油池火時(shí)各種影響因素的相對(duì)重要度；黃鑫、劉江虹[15]等人研究了細(xì)水霧撲滅油池火的臨界條件；叢北華[6]等人做了細(xì)水霧抑制熄滅室內(nèi)火災(zāi)的有效性模擬實(shí)驗(yàn)研究；李曉康[16]等人基于數(shù)值模擬技術(shù)研究了在受限空間內(nèi)不同周期脈沖細(xì)水霧的滅火效率。本文就單一開口，通過(guò)依次改變開口位置以及開口尺寸，對(duì)特殊受限空間內(nèi)開口位置和開口尺寸對(duì)細(xì)水霧滅火有效性影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1　實(shí)驗(yàn)裝置

利用合理的尺度間動(dòng)力學(xué)法則，參照科學(xué)的尺度關(guān)系，建立小尺寸滅火實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。采用特殊受限空間模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖1所示，簡(jiǎn)化后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。實(shí)驗(yàn)臺(tái)外部尺寸為1.2 m×1.2 m×1.2 m，考慮到特殊受限空間內(nèi)的煙氣層溫度可能超過(guò)600℃，為避免實(shí)驗(yàn)艙因高溫而變形，整個(gè)受限空間外圍為6 mm厚的鋼板。由于實(shí)驗(yàn)艙應(yīng)該具備一定的隔熱效果，在無(wú)開口的內(nèi)壁面上嵌入8.5 mm厚的防火板。為方便實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，在實(shí)驗(yàn)艙左右兩側(cè)壁面上安裝封閉的防火玻璃觀察口，并利用右側(cè)觀察口處的攝像機(jī)記錄火災(zāi)的發(fā)展與變化的全過(guò)程。將正面壁面換成8.5 mm厚的隔火板。在隔火板上的不同位置開口，進(jìn)行細(xì)水霧滅火實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)細(xì)水霧發(fā)生裝置采用罐式系統(tǒng)，細(xì)水霧壓力額定為0.7 MPa。此外，實(shí)驗(yàn)中引燃火源之后開始計(jì)時(shí)，利用秒表來(lái)控制細(xì)水霧的開啟時(shí)間，并通過(guò)錄像來(lái)確定點(diǎn)火時(shí)刻，細(xì)水霧的施加時(shí)刻和火焰的熄滅時(shí)間。

圖1　特殊受限空間模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.1　Schematic of the special confined experimental system

圖2　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意Fig.2　Simplified experimental system

本實(shí)驗(yàn)采用9路熱電偶分2層測(cè)煙氣層溫度，分布方式如圖3所示，第一層5個(gè)短熱電偶距頂部250 mm，第二層4個(gè)長(zhǎng)熱電偶距頂部500 mm，考慮細(xì)水霧影響，將中心兩路熱電偶偏離中心位置向右200 mm，向前200 mm。熱電偶H和C靠近開口。熱電偶的規(guī)格為直徑1.2 mm的鎳鉻—鎳硅K型鎧裝熱電偶，測(cè)溫范圍為0～1 000℃。然而，為了方便數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，需將A至I的9個(gè)熱電偶溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)如下處理轉(zhuǎn)換為熱煙氣層的平均溫度。

圖3　熱電偶分布示意Fig.3　Diagram of thermocouple distribution

首先，對(duì)每一層熱電偶所測(cè)的溫度求平均，得到2個(gè)不同高度下的平均溫度T1，T2。然后利用狀態(tài)方程平均法[17]，求得煙氣層平均溫度。

(1)

再對(duì)上式的分母離散化，得到：

(2)

式中：H2，H1分別表示上層熱電偶和下層熱電偶的高度，mm；h2，h1分別表示T2，T1對(duì)應(yīng)的熱電偶的高度，mm。

2　實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

為了達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的，弄清開口對(duì)特殊受限空間內(nèi)細(xì)水霧滅火有效性的影響，就要分清開口位置的影響和開口大小的影響。故選取150 mm×150 mm，200 mm×200 mm 2種不同大小的油盆，采用汽油和柴油2種不同的燃料，并采用不同的開口尺寸，改變開口位置，設(shè)計(jì)56個(gè)實(shí)驗(yàn)工況，見表1。

表1　開口對(duì)特殊受限空間內(nèi)細(xì)水霧滅火有效性影響實(shí)驗(yàn)工況設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1　Experimental conditions and results under theinfluence of vents on water mist suppression effectiveness

續(xù)表1

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及比較分析

不同工況下細(xì)水霧的啟動(dòng)時(shí)間不同，細(xì)水霧的滅火時(shí)間也不相同，具體的細(xì)水霧滅火實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。發(fā)現(xiàn)大多數(shù)情況細(xì)水霧均不能有效滅火，但能以控火的形式抑制火焰和煙氣層溫度。根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，細(xì)水霧在工況48下雖不能有效滅火，但控火作用顯著，因此以典型工況48為例進(jìn)行如下分析。

如圖4所示，圖中為9組重復(fù)實(shí)驗(yàn)曲線。在施加細(xì)水霧之前，受限空間煙氣層溫度迅速上升，但上升速率越來(lái)越小，在140 s左右施加細(xì)水霧后，煙氣層溫度下降，但細(xì)水霧不能有效滅火，只能控火，讓煙氣層溫度維持在一個(gè)平衡的范圍內(nèi)波動(dòng)，直至燃料燃完。為進(jìn)一步說(shuō)明細(xì)水霧的抑制作用，設(shè)置一組未施加水霧組作為對(duì)照，其與工況48唯一不同為實(shí)驗(yàn)中不施加水霧。圖5顯示了工況48與其未施加水霧時(shí)的煙氣層平均溫度變化對(duì)比。

圖4　典型細(xì)水霧滅火過(guò)程中溫度變化情況(工況48)Fig.4　Temperature profiles during water mist fire suppression (Condition 48)

圖5　不同工況下煙氣層平均溫度變化對(duì)比 Fig.5　Variation curves of average smoke temperature under different conditions

3.1　開口位置對(duì)細(xì)水霧滅火有效性的影響

由于對(duì)稱性，即左上開口與右上開口雷同，本實(shí)驗(yàn)考慮的開口位置有3種，即上、中、下。至于左右不對(duì)稱開口、上下小移動(dòng)距離開口、2個(gè)以上復(fù)合開口，由于實(shí)驗(yàn)條件所限，本文不予討論。

3.1.1典型工況41，45，49的典型結(jié)果與分析

這3組實(shí)驗(yàn)開口大小均為0.3 m × 0.3 m，燃料均為400 g的93#汽油，油盆大小均為150 mm × 150 mm，分別對(duì)應(yīng)上、中、下3種開口位置，其特殊受限空間內(nèi)煙氣層平均溫度變化如圖6所示。

圖6　煙氣層平均溫度變化Fig.6　Variation curves of average smoke layer temperature

由圖6可知，細(xì)水霧施加之后，相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)煙氣層平均溫度繼續(xù)升高，因此火災(zāi)在工況41，45，49下并未能得到有效的抑制，也即滅火失敗。這是因?yàn)閷?duì)于低閃點(diǎn)的汽油，低流量的細(xì)水霧(0.7 MPa)不僅難以通過(guò)稀釋作用使可燃?xì)怏w濃度降低至臨界濃度之下，也難以通過(guò)冷卻作用達(dá)到滅火的效果。但是相對(duì)而言，通過(guò)對(duì)開口位置不同的3組實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，開口位置由下至上，由于煙氣排放越來(lái)越容易，施加細(xì)水霧以后特殊受限空間內(nèi)煙氣層溫度由高到低，可見細(xì)水霧抑制火災(zāi)有效性同樣是由低至高。但由于開口大小相同，空氣卷吸難度雖有所不同，但卷吸量卻差不多，煙氣成分分析得氧氣濃度相差不多，由下至上，分別為19.2%，18.1%，20.1%左右，二氧化碳濃度卻由高到低，分別為2.2%，1.3%，0.5%左右。

為得到上述結(jié)論，僅1組實(shí)驗(yàn)結(jié)果還不能證明該結(jié)論的準(zhǔn)確性，因此通過(guò)改變開口尺寸、火源大小、燃料驗(yàn)證該結(jié)論的正確性。

3.1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)論的驗(yàn)證

1.不同開口尺寸

1)工況29，33，37這3組實(shí)驗(yàn)開口大小為0.3 m×0.6 m，開口位置、火源大小、燃料均與典型工況(工況41，45，49)相同。其特殊受限空間內(nèi)煙氣層平均溫度變化如圖7所示。

圖7　煙氣層平均溫度變化Fig.7　Variation curves of average smoke layer temperature

通過(guò)對(duì)3組實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)開口位置由下至上，細(xì)水霧抑制火災(zāi)有效性由低至高，即工況37，33，29的抑制火災(zāi)有效性逐漸升高，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)論相符，工況33細(xì)水霧能夠有效的抑制火災(zāi)的發(fā)展。

2)工況17，21，25 3組實(shí)驗(yàn)開口大小為0.6 m×0.6 m，開口位置、火源大小、燃料均與典型工況相同。其特殊受限空間內(nèi)煙氣層平均溫度變化如圖8所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)論相符，工況25細(xì)水霧有效滅火。

圖8　煙氣層平均溫度變化Fig.8　Variation curves of average smoke layer temperature

2. 不同火源面積

工況42，46，50 這3組實(shí)驗(yàn)油盆大小改為200 mm×200 mm，開口位置、燃料、開口尺寸與典型工況相同。其特殊受限空間內(nèi)煙氣層平均溫度變化如圖9所示。發(fā)現(xiàn)其溫度分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)論相符。由于火源尺寸變大，熱釋放速率變高，故平均溫度較高。

圖9　煙氣層平均溫度變化Fig.9　Variation curves of average smoke layer temperature

3.不同燃料種類

工況44，48，52與典型工況相比，這3組實(shí)驗(yàn)將燃料改為350 g柴油，50 g汽油引燃，油盆大小改為200 mm×200 mm，其他條件不變。其特殊受限空間內(nèi)煙氣層平均溫度變化如圖10所示。發(fā)現(xiàn)這3組實(shí)驗(yàn)溫度較為符合實(shí)驗(yàn)結(jié)論，但不是特別明顯。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景52在380 s左右，由于柴油中水滴積累較多，突然發(fā)生劇烈燃燒。

圖10　煙氣層平均溫度變化Fig.10　Variation curves of averaged smoke layer temperature

3.1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)論

綜上所述，可得以下結(jié)論：開口位置由下至上，細(xì)水霧抑制火災(zāi)有效性由低至高。結(jié)合細(xì)水霧滅火機(jī)理，分析可能原因如下。

1)冷卻原因：開口位置越靠近下方，煙氣越容易聚集，煙氣層越厚，細(xì)水霧吸收熱量越多，越易蒸發(fā)，越不容易接觸火焰，減少能直接吸收火焰區(qū)熱量，降低火焰溫度的霧量，不能有效抑制火焰。

2)動(dòng)力學(xué)機(jī)制原因：開口位置越靠近下方，煙氣越容易聚集，煙氣層越厚，阻力越大，細(xì)水霧越不容易通過(guò)煙氣層，降低了細(xì)水霧的動(dòng)量，減弱細(xì)水霧對(duì)火焰的抑制作用。開口位置越靠近下方，卷吸空氣越容易，氧氣越容易補(bǔ)充，火焰越不容易撲滅，降低了細(xì)水霧對(duì)火災(zāi)的抑制作用。

3)外部原因：開口位置越靠近下方，煙氣越不容易排放，更容易對(duì)噴頭造成堵塞，降低了細(xì)水霧的霧通量，減弱細(xì)水霧對(duì)火災(zāi)的抑制作用。

3.2　開口尺寸對(duì)細(xì)水霧滅火有效性的影響

由于實(shí)驗(yàn)條件所限制，本文討論開口的尺寸有全尺寸1.2 m×1.2 m，半尺寸0.6 m×1.2 m，1/4尺寸0.6 m×0.6 m，1/8尺寸0.3 m×0.6 m，1/16尺寸0.3 m×0.3 m以及全封閉0 m×0 m等6種尺寸。

3.2.1典型實(shí)驗(yàn)工況1，21，45，53的結(jié)果與分析

這4組實(shí)驗(yàn)開口大小分別為1.2 m×1.2 m，0.6 m×0.6 m，0.3 m×0.3 m，0 m×0 m，燃料均為400 g 93#汽油，油盆大小均為150 mm×150 mm，開口位置均在開口面正中位置。其特殊受限空間內(nèi)煙氣層平均溫度變化如圖11所示。

圖11　煙氣層平均溫度變化Fig.11　Variation curves of smoke layer temperature

通過(guò)對(duì)開口尺寸不同的4組實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，開口尺寸由大至小，由于煙氣排放越來(lái)越難，施加細(xì)水霧以后特殊受限空間內(nèi)溫度由低到高，可見細(xì)水霧抑制火災(zāi)有效性也是由高至低。但對(duì)于工況53，可能由于全封閉不能卷吸空氣，氧氣不足，燃燒不充分，火焰較為容易抑制造成的。

為得到上述結(jié)論，僅一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果還不能證明該結(jié)論的準(zhǔn)確性，因此通過(guò)改變開口位置、火源大小、燃料驗(yàn)證該結(jié)論的正確性。

3.2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)論的驗(yàn)證

1.不同開口位置

1)工況9，17，29，41。這4組實(shí)驗(yàn)開口大小分別為0.6 m×1.2 m，0.6 m×0.6 m，0.3 m×0.6 m，0.3 m×0.3 m，開口位置均在開口面左上位置，火源大小、燃料均與典型工況(工況1，21，45，53)相同，其特殊受限空間內(nèi)煙氣層平均溫度變化如圖12所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：開口尺寸由大至小，細(xì)水霧抑制火災(zāi)有效性也是由高至低，即工況9，17，29，41的抑制火災(zāi)有效性逐漸降低，與實(shí)驗(yàn)結(jié)論相符，工況9和17出現(xiàn)強(qiáng)化燃燒現(xiàn)象。

圖12　煙氣層平均溫度變化Fig.12　Variation curves of mean smoke layer temperature

2)工況5，25，37，49。這4組實(shí)驗(yàn)開口大小分別為0.6 m×1.2 m，0.6 m×0.6 m，0.3 m×0.6 m，0.3 m×0.3 m，開口位置均在開口面右下位置，火源大小、燃料均與典型工況相同。其特殊受限空間內(nèi)煙氣層平均溫度變化如圖13所示，發(fā)現(xiàn)施加細(xì)水霧以后特殊受限空間內(nèi)溫度由低到高，符合結(jié)論，工況25有效滅火。

圖13　煙氣層平均溫度變化Fig.13　Variation curves of average smoke layer temperature

2.不同火源面積

工況2，22，46，54 的4組實(shí)驗(yàn)油盆大小均改為200 mm×200 mm，開口位置、燃料、開口尺寸與典型工況相同，其特殊受限空間內(nèi)煙氣層平均溫度變化如圖14所示。通過(guò)對(duì)4組實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)與典型工況結(jié)論完全相同，但也出現(xiàn)了相同的問題，工況54處于全封閉環(huán)境，不能卷吸空氣，火焰較為容易抑制。對(duì)比工況53和54，發(fā)現(xiàn)氧氣濃度都一直處于20%左右，說(shuō)明并不是氧氣不足造成的，故可得：當(dāng)開口足夠小時(shí)，卷吸空氣擾動(dòng)火焰作用足夠小時(shí)，開口越小，細(xì)水霧越容易抑制火焰。

圖14　煙氣層平均溫度變化Fig.14　Variation curves of average smoke layer temperature

3.不同種類燃料

工況3，23，47，55的 4組實(shí)驗(yàn)燃料改成了350 g的柴油，用50 g汽油引燃，開口位置、火源大小、開口尺寸與典型工況相同。其特殊受限空間內(nèi)溫度變化如圖15所示，發(fā)現(xiàn)符合結(jié)論。工況23中溫度最后出現(xiàn)較大擾動(dòng)是因?yàn)殪F水進(jìn)入油盆，由于燃料是柴油，發(fā)生強(qiáng)化燃燒造成的。對(duì)于全封閉空間的結(jié)論，考慮工況55燃料是柴油，煙氣更多，故煙氣層平均溫度較高，但從抑制火焰的角度看是更為容易，符合結(jié)論。

圖15　煙氣層平均溫度變化Fig.15　Variation curves of average smoke layer temperature

3.2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

綜上所述，可得以下結(jié)論：開口尺寸由大至小，細(xì)水霧抑制火災(zāi)有效性先是由高至低，當(dāng)開口足夠小時(shí)，甚至接近全封閉，細(xì)水霧抑制火災(zāi)有效性則是由低至高。結(jié)合細(xì)水霧滅火機(jī)理，分析原因如下。

1.冷卻原因：開口尺寸越小，煙氣越不容易排放，煙氣層越厚，細(xì)水霧吸收熱量越多，越易蒸發(fā)，越不容易接觸火焰，減少能直接吸收火焰區(qū)熱量，降低火焰溫度的霧量，不能有效抑制火焰。

2.動(dòng)力學(xué)機(jī)制原因：開口尺寸越小，煙氣越不容易排放，煙氣層越厚，阻力越大，細(xì)水霧越不容易通過(guò)煙氣層，降低了細(xì)水霧的動(dòng)量，減弱細(xì)水霧對(duì)火災(zāi)的抑制作用。受限空間內(nèi)的火災(zāi)會(huì)受到卷吸空氣的影響，處于一個(gè)有擾動(dòng)的燃燒環(huán)境，而且這種擾動(dòng)是不利于細(xì)水霧抑制火災(zāi)的。

3.外部原因：開口尺寸越小，煙氣越不容易排放，更容易對(duì)噴頭造成堵塞，降低了細(xì)水霧的霧通量，減弱細(xì)水霧對(duì)火災(zāi)的抑制作用。

4　結(jié)論

1)特殊受限空間內(nèi)，在相同條件下，開口位置由下至上，細(xì)水霧抑制火災(zāi)有效性由低至高。

2)特殊受限空間內(nèi)，在相同條件下，開口尺寸由大至小，細(xì)水霧抑制火災(zāi)有效性由高至低。當(dāng)開口尺寸足夠小以后，細(xì)水霧抑制火災(zāi)有效性由低至高。

3)開口對(duì)特殊受限空間內(nèi)細(xì)水霧滅火有效性影響的主要原因是煙氣排放的難易不同，動(dòng)力學(xué)機(jī)制在滅火過(guò)程中起到了十分重要的作用。

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