細(xì)水霧抑制室內(nèi)轟燃的試驗(yàn)研究

陳愛(ài)平，王 超

(1．武警學(xué)院 科研部，河北 廊坊 065000； 2．開(kāi)封市消防支隊(duì)，河南 開(kāi)封 475004)

●消防理論研究

細(xì)水霧抑制室內(nèi)轟燃的試驗(yàn)研究

陳愛(ài)平1，王 超2

(1．武警學(xué)院 科研部，河北 廊坊 065000； 2．開(kāi)封市消防支隊(duì)，河南 開(kāi)封 475004)

為探索細(xì)水霧抑制室內(nèi)轟燃問(wèn)題，在小規(guī)?；馂?zāi)實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)開(kāi)展了試驗(yàn)研究。針對(duì)不同流速(qw)的12種火災(zāi)場(chǎng)景，探討了細(xì)水霧對(duì)噴出火焰、熱煙氣層溫度及轟燃延遲時(shí)間的影響，得到了細(xì)水霧抑制轟燃所需臨界流速。在此基礎(chǔ)上，提出了判定細(xì)水霧抑制轟燃效果的指標(biāo)——轟燃抑制度(IF·C)，找到了IF·C和qw之間的關(guān)系，相關(guān)研究結(jié)果在大規(guī)模室內(nèi)火災(zāi)試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。

轟燃；細(xì)水霧；熱煙氣層溫度；轟燃抑制度；室內(nèi)火災(zāi)

0 引言

在室內(nèi)火災(zāi)中，轟燃的發(fā)生往往會(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[1-2]，因此，室內(nèi)轟燃抑制問(wèn)題引起了越來(lái)越多研究者的興趣和關(guān)注。作為一種新型滅火技術(shù)，細(xì)水霧系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，針對(duì)室內(nèi)火災(zāi)中細(xì)水霧的滅火機(jī)理和效果，研究者們通過(guò)試驗(yàn)探索和數(shù)值模擬開(kāi)展了大量工作[3-6]。細(xì)水霧滅火機(jī)理主要包括火焰冷卻、燃料表面冷卻、置換氧氣等，但其滅火過(guò)程往往是多種機(jī)理共同作用的結(jié)果，只是對(duì)特定火災(zāi)場(chǎng)景而言某種滅火機(jī)理可能起主導(dǎo)作用。細(xì)水霧對(duì)轟燃也具有抑制作用，主要是因?yàn)樗芙档褪覂?nèi)火災(zāi)的熱煙氣層溫度及其熱輻射。部分研究者對(duì)細(xì)水霧抑制轟燃的問(wèn)題進(jìn)行了研究[7-10]，但目前關(guān)于這一研究領(lǐng)域的報(bào)道尚不多見(jiàn)。本文旨在通過(guò)試驗(yàn)探討細(xì)水霧對(duì)轟燃抑制的效果，并藉此提出相關(guān)判定指標(biāo)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 火災(zāi)實(shí)驗(yàn)箱及數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)

火災(zāi)實(shí)驗(yàn)箱以ISO 9705標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)房間[11]的1/4尺寸規(guī)模進(jìn)行設(shè)計(jì)，外觀尺寸為長(zhǎng)1.0 m、寬0.7 m、高0.7 m，內(nèi)部尺寸分別為0.9 m、0.6 m、0.6 m，如圖1所示。在實(shí)驗(yàn)箱的一側(cè)面設(shè)置觀察窗，它由4塊高0.3 m、寬0.2 m的耐高溫石英玻璃板構(gòu)成。箱體各側(cè)面均可開(kāi)啟，但關(guān)閉后能保證密封良好，并能依據(jù)試驗(yàn)需要改變開(kāi)口大小。

圖1 室內(nèi)火災(zāi)實(shí)驗(yàn)箱

火災(zāi)數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)主要用于檢測(cè)實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)熱煙氣層的溫度。為得到這一溫度的平均值，根據(jù)一些研究者的建議[12]，在箱內(nèi)設(shè)置了由3排、共計(jì)12支傳統(tǒng)K型鎧裝熱電偶構(gòu)成的熱電偶組，其中，L2是噴頭正下方的熱電偶組，L1、L3是位于噴頭兩側(cè)的熱電偶組，如圖2所示。試驗(yàn)設(shè)定每隔5 s讀取并記錄一次溫度數(shù)據(jù)?；馂?zāi)實(shí)驗(yàn)箱及數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)更為詳細(xì)的信息可在筆者的其他文獻(xiàn)[13-14]中找到。

圖2 熱電偶分布圖

1.2 細(xì)水霧滅火系統(tǒng)

本研究采用氣泡霧化細(xì)水霧滅火系統(tǒng)，如圖3所示。該系統(tǒng)能將少量霧化氣體以氣泡的方式注入到液體中，使得液體在噴出時(shí)形成兩相流，氣泡膨脹破裂后形成霧滴。盡管該系統(tǒng)水和壓縮氣體的工作壓力均較低，但能產(chǎn)生平均粒徑不大于200 μm的I級(jí)細(xì)水霧[15]。

1.氣體儲(chǔ)瓶；2.液體儲(chǔ)瓶；3、6.壓力表；4、5.針閥；7、8.球閥；9.噴頭；10.火災(zāi)實(shí)驗(yàn)箱；11.細(xì)水霧入口

需要說(shuō)明的是，細(xì)水霧入口位置對(duì)轟燃抑制效果的影響非常復(fù)雜，為便于試驗(yàn)研究，本文選擇最具代表性的位置(即實(shí)驗(yàn)箱頂棚中心位置)作為細(xì)水霧入口位置。

1.3 試驗(yàn)條件

采用正方形有機(jī)玻璃塊作為燃料，邊長(zhǎng)0.3 m，厚度0.7 cm，均置于地板中央的燃料托盤(pán)中。

細(xì)水霧噴出壓力較高時(shí)，流量較大，降溫效果較好，能有效抑制轟燃發(fā)生；相反，壓力降低，流量減小，降溫效果降低，此時(shí)不但可能無(wú)法滅火，甚至可能發(fā)生轟燃。Qin等人[3]發(fā)現(xiàn)：氣泡霧化細(xì)水霧作用于0.3 m見(jiàn)方的有機(jī)玻璃火時(shí)，有效滅火壓力在0.8 MPa以上、流量在3.0 L·min-1以上。鑒于此，本研究采用的細(xì)水霧工況見(jiàn)表1。

表1 細(xì)水霧抑制轟燃的試驗(yàn)壓力工況

2 結(jié)果及討論

2.1 細(xì)水霧對(duì)噴出火焰的影響

在噴出壓力足夠大時(shí)，細(xì)水霧能有效滅火，抑制轟燃發(fā)生，因而不會(huì)出現(xiàn)噴出火焰；當(dāng)細(xì)水霧工作壓力和流量減小到不能抑制轟燃發(fā)生時(shí)，會(huì)出現(xiàn)噴出火焰。圖4所示為不同細(xì)水霧壓力下的噴出火焰強(qiáng)弱圖像。

圖4表明，施加細(xì)水霧后，即使發(fā)生了轟燃，相對(duì)于未施加細(xì)水霧的噴出火焰也要減弱許多；細(xì)水霧壓力增加后，噴出火焰強(qiáng)度隨之降低，直到能抑制轟燃，噴出火焰不再出現(xiàn)。圖中顯示的就是這三種情況：(1)沒(méi)有施加細(xì)水霧，轟燃發(fā)生；(2)細(xì)水霧噴出壓力為0.4 MPa，不足以抑制轟燃；(3)細(xì)水霧噴出壓力為0.7 MPa，轟燃沒(méi)有發(fā)生。

2.2 細(xì)水霧對(duì)熱煙氣層溫度的影響

細(xì)水霧的滅火作用主要體現(xiàn)在其對(duì)熱煙氣層溫度的影響上，圖5所示為細(xì)水霧抑制轟燃的典型工況溫度變化曲線。

由圖5可知，隨著壓力增大，細(xì)水霧流量的增加，熱煙氣層峰值溫度降低。在0.7 MPa和0.9 MPa壓力下，熱煙氣層的峰值溫度基本不超過(guò)450 ℃，沒(méi)有發(fā)生轟燃；在0.2 MPa和0.4 MPa壓力下，雖然細(xì)水霧對(duì)熱煙氣層有局部降溫效果，但隨后會(huì)有所上升，沒(méi)有達(dá)到抑制轟燃的效果。需要特別指出的是，在0.4 MPa壓力下，雖然熱煙氣層峰值溫度沒(méi)有達(dá)到600 ℃，但也發(fā)生了轟燃，主要原因是溫度上升速率達(dá)到了轟燃條件[16]。

(a)0 MPa(發(fā)生轟燃)

(b)0.4 MPa(抑制轟燃失敗)

(c)0.7 MPa(抑制轟燃成功)

圖5 不同細(xì)水霧壓力下熱煙氣層溫度曲線

2.3 細(xì)水霧對(duì)轟燃延遲時(shí)間的影響

圖6所示為轟燃發(fā)生的延遲時(shí)間與細(xì)水霧流量之間的關(guān)系。從圖6可看出，隨著細(xì)水霧流量增大，轟燃延遲時(shí)間增加；當(dāng)流量足夠大時(shí)，轟燃延遲時(shí)間為無(wú)窮長(zhǎng)，可認(rèn)為其得到抑制。

圖6 不同細(xì)水霧流量下轟燃延遲時(shí)間

2.4 細(xì)水霧抑制轟燃的臨界流量

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得到12種工況下熱煙氣層峰值溫度及抑制轟燃的情況，見(jiàn)表2。綜觀表1和表2可知，發(fā)生轟燃和未發(fā)生轟燃時(shí)，細(xì)水霧流量界限大致為2.33～2.58 L·min-1；未發(fā)生轟燃與火焰被熄滅時(shí)，細(xì)水霧流量界限大致為3.46～3.58 L·min-1。因此，可初步得出：在本文研究條件下，細(xì)水霧抑制轟燃的臨界流量為2.33～3.58 L·min-1。

表2 不同流量細(xì)水霧抑制轟燃的情況

另外，表2中所列的熱煙氣層峰值溫度(Tgpeak)與表1中所列的細(xì)水霧流量(qw)之間存在較好的線性關(guān)系，擬合直線為：

3 轟燃抑制度

3.1 轟燃抑制度的概念

上述試驗(yàn)研究結(jié)果表明，細(xì)水霧對(duì)轟燃抑制的效果主要體現(xiàn)在降低熱煙氣層溫度上。以未施加細(xì)水霧時(shí)的轟燃情況為參考，表3列出了施加不同壓力的細(xì)水霧后熱煙氣層峰值溫度及其上升速率情況。在表3中，(dT/dt)peak表示熱煙氣層的峰值溫度上升速率；ΔTpeak表示施加細(xì)水霧后的熱煙氣層峰值溫度(即Tpeak)與未施加細(xì)水霧時(shí)峰值溫度(即Tpeak·o)的差值；Δ(dT/dt)peak表示施加細(xì)水霧后的熱煙氣層峰值溫升速率與未施加細(xì)水霧時(shí)峰值溫升速率的差值。

表3 不同細(xì)水霧壓力下熱煙氣層溫升速率

從表3可看出，隨著細(xì)水霧工作壓力增加，熱煙氣層峰值溫度降幅增大，細(xì)水霧對(duì)轟燃的抑制效果最直接地體現(xiàn)在抑制熱煙氣層溫度上。但是溫度并不能解釋所有的試驗(yàn)結(jié)果，如前所述，在0.3～0.4 MPa的細(xì)水霧抑制轟燃試驗(yàn)中，盡管峰值溫度沒(méi)有達(dá)到600 ℃，仍然發(fā)生了轟燃。

為全面描述細(xì)水霧對(duì)轟燃抑制的效果，需要綜合考慮熱煙氣層溫度及其溫升速率的變化情況，因此，提出轟燃抑制度的概念作為判定轟燃抑制效果的參量，即：

IF·C值越大，表明轟燃被抑制的程度越高，或所采取的抑制工況越有效。表3中列出了不同細(xì)水霧噴出壓力工況下轟燃抑制度的值，由此可看出，對(duì)于抑制轟燃失敗的工況，IF·C均小于1 ℃·s-1。

3.2 轟燃抑制度的臨界值

表1和表3中的數(shù)據(jù)表明，細(xì)水霧流量越大，轟燃抑制效果越好；進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，二者近似成二次曲線關(guān)系，即：

前面提到，轟燃得到抑制的細(xì)水霧流量界限為2.33～3.58 L·min-1，將其代入式(3)，可得到轟燃抑制度(IF·C)的范圍，即0.82～2.56 ℃·s-1。依據(jù)表2中的試驗(yàn)結(jié)果，轟燃得到抑制時(shí)的轟燃抑制度范圍為1.08～2.29 ℃·s-1，則可取轟燃抑制度的范圍為1.08～2.56 ℃·s-1。這樣取值相對(duì)比較保守，但對(duì)于轟燃抑制措施選擇更有利于安全。

以上分析說(shuō)明，轟燃抑制度大于1.08 ℃·s-1時(shí)，對(duì)應(yīng)的抑制手段能控制轟燃不發(fā)生；如果轟燃抑制度不小于2.56 ℃·s-1，則室內(nèi)火災(zāi)燃燒開(kāi)始衰減，火焰逐漸熄滅。

3.3 轟燃抑制效果的分級(jí)

依據(jù)轟燃抑制度，可將轟燃抑制效果分為三級(jí)，見(jiàn)表4。圖7描述了轟燃抑制度與熱煙氣層溫度的關(guān)系。

表4 轟燃抑制效果分級(jí)

圖7 轟燃抑制度與熱煙氣層溫度的關(guān)系

根據(jù)圖7，參照轟燃抑制效果分級(jí)，可相應(yīng)地將熱煙氣層溫度分為三個(gè)區(qū)域：在I區(qū)，熱煙氣層溫度大于550 ℃，此時(shí)的轟燃抑制是失效的；在II區(qū)，熱煙氣層溫度為370～550 ℃，此時(shí)的轟燃抑制是成功的，但無(wú)法完全熄滅火焰；在III區(qū)，熱煙氣層溫度小于370 ℃，此時(shí)不但可抑制轟燃，還可熄滅火焰。從圖7還可看出，熱煙氣層溫度越低，施加細(xì)水霧抑制轟燃越有效。在火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中，熱煙氣層溫度不斷上升，因此越早施加細(xì)水霧，抑制轟燃的效果越明顯。應(yīng)盡量在熱煙氣層溫度低于370 ℃時(shí)施加細(xì)水霧；熱煙氣層溫度超過(guò)550 ℃后再施加細(xì)水霧，抑制作用失效。

3.4 大規(guī)?；馂?zāi)試驗(yàn)驗(yàn)證

大規(guī)模火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室為磚混結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部尺寸為長(zhǎng)3.0 m、寬3.0 m、高2.8 m，開(kāi)口大小為寬2.0 m、高1.2 m。燃料為柴油，燃料盤(pán)面積0.4 m2，置于地面中央處；細(xì)水霧噴頭共設(shè)置為4個(gè)，每個(gè)噴頭采用的流量為1 L·min-1。

圖8所示為大規(guī)?；馂?zāi)試驗(yàn)中測(cè)得的熱煙氣層溫度變化曲線。從圖中可看出，著火60 s后施加細(xì)水霧，熱煙氣層峰值溫度為306 ℃，轟燃得到抑制；450 s時(shí)，這一溫度接近50 ℃，而后火焰被撲滅。

圖8 大規(guī)模火災(zāi)熱煙氣層溫度變化曲線

根據(jù)式(1)和(3)，可得到Tpeak為320 ℃，這與上述測(cè)定值(即306 ℃)比較接近；還可得到IF·C為3.11 ℃·s-1，即其大于2.56 ℃·s-1，根據(jù)轟燃抑制效果分級(jí)，火焰應(yīng)該熄滅，這與上述實(shí)際情況也是吻合的。由此可見(jiàn)，大規(guī)?；馂?zāi)試驗(yàn)結(jié)果在一定程度上驗(yàn)證了上述小規(guī)模試驗(yàn)研究結(jié)果。

4 結(jié)論

4.1 細(xì)水霧可有效減弱室內(nèi)火災(zāi)噴出火焰，降低熱煙氣層溫度，增加轟燃延遲時(shí)間。熱煙氣層峰值溫度(Tpeak)與細(xì)水霧流量(qw)的關(guān)系可表達(dá)為T(mén)gpeak=865.6-136.4qw，抑制轟燃的細(xì)水霧流量應(yīng)大于2.33 L·min-1。

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(責(zé)任編輯 馬 龍)

Experimental Studies on Controlling Flashover in Enclosure by the Water Mist

CHEN Aiping1, WANG Chao2

(1. Department of Scientific Research, The Armed Police Academy, Langfang, Hebei Province 065000, China; 2. Kaifeng Municipal Fire Brigade, He’nan Province 475004, China)

Experiments were conducted in a small-scale firebox equipped with water mist system and data acquisition one to explore flashover control in enclosure fires by the water mist. Twelve fire scenarios under different operating flow rates (qw) of water mist were experimentally investigated to show the influence of water mist on the extrusive flame, hot gas layer temperature and delay time of flashover; the critical flow rate needed for restraining flashover by the water mist was determined. An indicator (IF·C) that can be used to judge the effectiveness of flashover control by the water mist was proposed, and the critical value ofIF·Cneeded for restraining flashover and the relationship betweenIF·Candqwwas obtained. The relevant results were verified in a full-scale experiment.

flashover; water mist; temperature of hot gas layer; indicator of flashover control; enclosure fire

2017-05-25

陳愛(ài)平(1964— )，男，湖北浠水人，教授； 王超(1988— )，男，河南輝縣人，工程師。

TK121；D631.6

A

1008-2077(2017)08-0005-05