CO2和ABC干粉滅火劑撲滅火旋風(fēng)火焰實驗對比分析*

解北京，杜玉晶，曾 臏

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室——省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454000)

0 引言

火旋風(fēng)在浮力火羽流和流場耦合作用下被誘發(fā)，火旋風(fēng)形成后，螺旋上升運(yùn)動使燃燒劇烈程度加劇，產(chǎn)生的飛火會導(dǎo)致火災(zāi)蔓延[1-3]。因此，從火旋風(fēng)形成機(jī)制、火焰溫度場分布特征以及燃燒特性等方面入手，研究火旋風(fēng)火焰的撲滅與抑制是重要且有意義的。為了研究火旋風(fēng)的火焰燃燒特性，目前在實驗室條件下，國內(nèi)外學(xué)者主要通過設(shè)計圓筒式或垂直壁面式裝置來滿足火旋風(fēng)形成所需的旋轉(zhuǎn)流、摩擦力與流體匯3個基本條件，模擬火旋風(fēng)的產(chǎn)生[4-9]。

對于火旋風(fēng)火焰燃燒特性的研究，武紅梅等[10]采用2 m×2 m×15 m的大尺寸火旋風(fēng)發(fā)生裝置，通過實驗與數(shù)值模擬得到火焰中心溫度與軸向速度隨高度的分布規(guī)律；張光輝等[11]利用6壁面的火旋風(fēng)發(fā)生裝置生成火旋風(fēng)，通過模擬分析得到火旋風(fēng)臨界環(huán)量與火焰尺寸的線性關(guān)系；解北京等[12]、楊春英等[13]依據(jù)火旋風(fēng)火焰實際燃燒特征將火焰分為根部、中部和頂端3個燃燒區(qū)域；對于火旋風(fēng)火焰的撲滅研究，秦俊等[14-15]對比分析了超細(xì)水霧對一般池火和火旋風(fēng)的撲滅效果，發(fā)現(xiàn)細(xì)水霧能通過冷卻和稀釋氧氣濃度來抑制火旋風(fēng)。

目前尚未有火旋風(fēng)火焰滅火抑制的相關(guān)研究，為深入研究滅火劑對火旋風(fēng)火焰的燃燒抑制作用，在實驗室條件下利用自制火旋風(fēng)發(fā)生測量裝置[16]生成火旋風(fēng)，選用ABC干粉滅火劑和CO2滅火劑分別進(jìn)行滅火實驗，對2種滅火劑作用下火旋風(fēng)在降溫階段火焰溫度場變化特征進(jìn)行擬合分析，探討2種滅火劑撲滅火旋風(fēng)的效果，實驗結(jié)果對預(yù)防和撲滅火旋風(fēng)災(zāi)害具有重要意義。

1 實驗系統(tǒng)設(shè)計

1.1 實驗方案

選擇正庚烷作為燃料，風(fēng)機(jī)出風(fēng)口速度設(shè)為1.5 m/s，使用自制小型火旋風(fēng)發(fā)生裝置[16]生成火旋風(fēng)，在3種不同實驗條件下進(jìn)行滅火實驗。滅火劑通過人工手持的方式，由豎直槽道頂端中心位置釋放，噴射時長由秒表計時進(jìn)行控制，具體實驗方案見表1。其中，實驗2第1次噴射滅火劑時長過短，火焰復(fù)燃，在火焰回燃至穩(wěn)定燃燒狀態(tài)后于47.6 s時進(jìn)行滅火劑的2次噴射，增加滅火劑釋放時長至2 s。

表1 實驗方案Table 1 Experimental scheme

1.2 實驗裝置

實驗室自制火旋風(fēng)發(fā)生裝置由旋風(fēng)罩與豎直槽道2部分組成[12,16]。撲滅火旋風(fēng)火焰的實驗數(shù)據(jù)收集所用傳感器和數(shù)據(jù)信號采集設(shè)備如下：1)鎧裝K型熱電偶：直徑1 mm，測溫范圍0～1 200℃，響應(yīng)時間<200 ms，置于豎直槽道200～1 100 mm火焰中軸線上，間距100 mm，共10個；2)火焰?zhèn)鞲衅鳎簷z測760～1 100 nm范圍內(nèi)光源，于豎直槽道一側(cè)每間隔250 mm放置1個，共4路；3)攝像儀：HD高清索尼HDR-PJ820E攝像儀；4)8937電壓/溫度單元：采樣速率1 MS/s，溫度測量4 kS/s；5)HIOKI 8842T存儲記錄儀：采樣速率1 KS/s。圖1為撲滅火旋風(fēng)火焰實驗系統(tǒng)裝置圖和以正庚烷為燃料生成的火旋風(fēng)火焰。

圖1 實驗裝置及火旋風(fēng)火焰Fig.1 Experimental device and fire whirlwind flame

1.3 滅火劑性能參數(shù)選擇

實驗選用CO2滅火劑和高效多功能ABC干粉滅火劑。其中，CO2滅火劑純度≥99.5%，高效多功能ABC干粉滅火劑型號為MFJ520L。CO2滅火劑通過CO2的迅速汽化，吸收熱量并排擠稀釋燃燒區(qū)空氣降低空間氧氣含量，通過窒息和冷卻作用使火焰熄滅[17]。高效多功能ABC干粉滅火劑通過化學(xué)反應(yīng)消耗火焰中的·OH 和·H自由基中斷燃燒的連鎖反應(yīng)，粉粒受高溫作用發(fā)生分解吸收部分熱量，起到使火焰熄滅的抑制作用[18]。

2 火焰溫度場變化特征實驗結(jié)果分析

實驗1生成的火旋風(fēng)在正常燃燒至自然熄滅過程中火焰的溫度場變化，如圖2(a)所示；圖2(b)為實驗2使用CO2滅火劑下火旋風(fēng)火焰溫度場變化曲線；圖2(c)為實驗5使用ABC干粉滅火劑下火旋風(fēng)火焰溫度場變化曲線。

圖2 火旋風(fēng)火焰溫度場變化Fig.2 Temperature field change of fire whirlwind flame

由圖2可以看出，火旋風(fēng)的燃燒過程按溫度變化情況可以分為點火后溫度迅速升高的升溫階段，火焰溫度保持穩(wěn)定的燃燒階段以及隨燃料燃盡火焰溫度逐漸下降的降溫階段。實驗1中火旋風(fēng)在保持穩(wěn)定燃燒至147.60 s后，由于正庚烷燃料不足，蒸發(fā)量減小，火旋風(fēng)火焰溫度場呈“上凸”型緩慢下降，降溫階段耗時約150 s；實驗2分別于40.1 s和47.6 s進(jìn)行了CO2滅火劑的釋放，由于CO2滅火劑第1次噴射僅持續(xù)1 s，CO2釋放量不足導(dǎo)致火旋風(fēng)火焰復(fù)燃，于47.6 s再次噴射CO2滅火劑，由于2次滅火劑噴射間隔較短，燃料消耗小且火焰已重新恢復(fù)穩(wěn)定燃燒狀態(tài)，故認(rèn)為2次滅火行為之間相互影響關(guān)系較小，第2次噴射CO2滅火劑后火焰溫度場變化可視為1次完整的滅火過程，取47.6 s后火焰溫度場變化結(jié)果進(jìn)行分析。在CO2或ABC干粉滅火劑作用下，火旋風(fēng)火焰不同高度的溫度呈現(xiàn)出相同的“下凹”型變化趨勢，且降溫時間明顯縮短。因此，以實驗2～5滅火劑噴射時刻作為火焰降溫的起始時刻，截取不同滅火劑作用下火旋風(fēng)降溫階段火焰溫度場的變化曲線并進(jìn)行擬合分析。

2.1 CO2滅火劑作用下火焰溫度場變化

以實驗2第2次滅火劑噴射時刻與實驗3滅火劑噴射時刻作為火焰降溫的起始時刻，截取CO2滅火劑作用下火焰溫度場衰減曲線。其中，實驗3火旋風(fēng)火焰溫度場的衰減曲線如圖3所示。

圖3 實驗3 CO2滅火劑作用下火旋風(fēng)火焰溫度場變化Fig.3 Temperature field change of fire cyclone flame under the action of CO2 fire extinguishing agent of experiment 3

由圖3可以看出，在接觸CO2滅火劑后，火旋風(fēng)火焰溫度場在短時間內(nèi)迅速衰減，火焰不同高度溫度均呈“下凹”型衰減趨勢。CO2滅火劑由豎直槽道頂端進(jìn)行噴射，因此，火焰不同高度溫度變化按接觸滅火劑時間不同存在先后之分，最先接觸滅火劑的火焰頂端區(qū)域溫度場先發(fā)生下降，其次是火焰中部，最后是火焰根部。CO2滅火劑通過釋放大量CO2氣體降低火旋風(fēng)火焰周圍氧濃度，并通過CO2的汽化吸收大量熱量，通過對火焰燃燒的冷卻及窒息作用撲滅火旋風(fēng)火焰。

2.2 ABC干粉滅火劑作用下火焰溫度場變化

實驗4與實驗5對生成的穩(wěn)定火旋風(fēng)火焰由豎直槽道頂端中心噴射ABC干粉滅火劑，其中，實驗5火旋風(fēng)火焰在ABC干粉滅火劑作用下溫度場變化如圖4所示。

圖4 實驗5 ABC滅火劑作用下火旋風(fēng)火焰溫度場變化Fig.4 Temperature field change of fire whirlwind flame under the action of ABC fire extinguishing agent of experiment 5

由圖4可以看出，燃燒穩(wěn)定的火旋風(fēng)火焰在ABC干粉滅火劑作用下，短時間內(nèi)火焰不同高度的溫度迅速衰減并且呈現(xiàn)規(guī)律性地“下凹”型變化，火焰頂部、中部以及根部區(qū)域溫度下降同樣存在先后之分。ABC干粉滅火劑噴出的干粉進(jìn)入燃燒區(qū)與火焰混合，對火焰中的·OH和·H自由基進(jìn)行化學(xué)抑制，迅速降低維持燃燒所需要的自由基濃度，從而使燃燒反應(yīng)終止，撲滅火旋風(fēng)火焰。

3 火旋風(fēng)火焰溫度場衰減擬合分析

火旋風(fēng)火焰的溫度場變化是分析滅火劑滅火效果的主要依據(jù)，CO2氣體或干粉顆粒物對火焰燃燒有直接影響，火焰的降溫速率與滅火劑滅火性能緊密相關(guān)[19]。利用軟件Origin8.0對實驗2～5噴射滅火劑后火旋風(fēng)火焰溫度場隨時間的衰減規(guī)律用下式進(jìn)行指數(shù)方程擬合[20-22]：

y=k×Tm×e-ax

(1)

式中：Tm為各組實驗噴射滅火劑后火旋風(fēng)火焰降溫階段的初始溫度，℃；k為溫度平衡常數(shù)，用以修正實驗中熱電偶等因素帶來的溫度測量誤差；a為滅火劑對火焰溫度場降溫及滅火的影響系數(shù)；x為噴射滅火劑后火旋風(fēng)火焰溫度場降溫耗時，s。

基于文獻(xiàn)[12]和文獻(xiàn)[13]中的火旋風(fēng)火焰分區(qū)及各區(qū)域火焰燃燒特征，選取各組實驗中火旋風(fēng)火焰根部300 mm處，火焰過渡區(qū)800 mm處和火焰頂端1 000 mm處的溫度衰減曲線進(jìn)行擬合。由于火旋風(fēng)火焰根部區(qū)域的火焰旋轉(zhuǎn)劇烈，溫度最高，以實驗3和實驗5火焰300 mm處溫度衰減曲線及指數(shù)方程擬合曲線為例(見圖5～6)進(jìn)行火旋風(fēng)火焰的滅火效果分析。實驗2～5火焰300 ，800和1 000 mm處的擬合結(jié)果見表2。

圖5 實驗3 CO2滅火劑下火焰300 mm處降溫及擬合曲線Fig.5 Cooling curve and fitting curve of fire cyclone flame at 300 mm under CO2 fire extinguishing agent of experiment 3

圖6 實驗5 ABC滅火劑下火焰300 mm處降溫及擬合曲線Fig.6 Cooling curve and fitting curve of fire cyclone flame at 300 mm under ABC fire extinguishing agent of experiment 5

由圖5和圖6可以看出，燃燒穩(wěn)定的火旋風(fēng)火焰在CO2滅火劑或ABC干粉滅火劑作用下溫度場呈指數(shù)形式衰減，開始時降溫速度快且溫度下降幅度大，降溫曲線呈“下凹”型。當(dāng)溫度下降至正庚烷自燃點附近，火焰降溫速率與降溫幅度有所減小，隨后火焰降溫曲線緩慢下降至環(huán)境溫度(最低溫度)后保持不變。對比圖5與圖6，相較于CO2滅火劑，ABC干粉滅火劑作用下火旋風(fēng)火焰300 mm處溫度擬合曲線斜率、降溫速率及溫度下降幅度更大。

表2 火旋風(fēng)火焰溫度場擬合參數(shù)值Table 2 Fire cyclone flame temperature field fitting parameter value

由表2可以看出，火焰根部區(qū)域、火焰過渡區(qū)域與火焰頂端區(qū)域的降溫初始溫度相差較大，各組實驗中火焰同區(qū)域的降溫初始溫度在修正后相差不大，與前人研究的火旋風(fēng)火焰分區(qū)結(jié)果保持一致。受滅火劑由豎直槽道頂端噴射的影響，CO2滅火劑或ABC干粉滅火劑在火焰根部、中部及頂端3個不同分區(qū)的影響系數(shù)a不同，由于各組實驗中噴射滅火劑時火焰不同高度的初始溫度不同，可以通過計算CO2滅火劑或ABC干粉滅火劑作用下火焰溫度場的降溫速率，結(jié)合降溫過程火焰光信號變化數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析2種滅火劑對于火旋風(fēng)火焰的滅火效果。

實驗2～5生成的火旋風(fēng)火焰在不同高度降溫曲線的擬合決定系數(shù)R2均在0.90以上，說明函數(shù)擬合效果較好，即在CO2滅火劑或ABC干粉滅火劑作用下，火旋風(fēng)火焰的溫度場隨時間的下降趨勢符合指數(shù)衰減的變化規(guī)律。

4 火旋風(fēng)火焰滅火效果分析

由于火旋風(fēng)火焰根部區(qū)域燃燒劇烈，溫度最高，分析該區(qū)域火焰在CO2或ABC干粉滅火劑噴射作用下的溫度場變化特征對于研究火旋風(fēng)撲滅有重要意義。因此，選取火焰根部300 mm處溫度變化曲線為分析對象，計算實驗2～5在噴射滅火劑10 s內(nèi)火旋風(fēng)火焰下降溫度，結(jié)合降溫階段火焰光信號數(shù)據(jù)，分析2種滅火劑對火旋風(fēng)火焰的滅火效果。其中，實驗2～5火焰300 mm處10 s內(nèi)降溫數(shù)值見表3，火焰根部區(qū)域獲取的光信號變化如圖7所示。

表3 火旋風(fēng)火焰根部300 mm處降溫數(shù)據(jù)Table 3 Cooling data at 300 mm of the root of the whirlwind flame ℃

由表3可知，實驗2～4火旋風(fēng)火焰300 mm處的初始降溫溫度分別為713.00，738.75，805.00和772.50℃；實驗2和實驗3火旋風(fēng)300 mm處火焰在噴射CO2滅火劑后10 s內(nèi)分別降溫509.37℃和495.01℃；實驗4和實驗5火旋風(fēng)300 mm處火焰在噴射ABC干粉滅火劑10 s內(nèi)分別降溫568.02℃和526.55℃。相同時間內(nèi)ABC干粉滅火劑作用下火焰下降溫度遠(yuǎn)大于CO2滅火劑作用下火旋風(fēng)火焰根部下降溫度，說明對燃燒起抑制及冷卻作用的ABC干粉滅火劑降溫效率更高，滅火效果更好。

圖7描述了經(jīng)STA/LTA算法處理后實驗2～5火旋風(fēng)火焰450 mm處的光信號振幅及STA/LTA比值變化，計算可得實驗2～5火焰根部對應(yīng)的脈沖數(shù)分別為11 022，6 263，10 236和10 280。

圖7 火旋風(fēng)火焰根部區(qū)域光信號Fig.7 Fire whirlwind flame root area light signal

由圖7可以看出，正常燃燒階段火焰根部的光信號波動頻率低且穩(wěn)定，噴射CO2滅火劑或ABC干粉滅火劑后火焰光信號變?nèi)跚也▌用黠@，實驗2第1次噴射CO2滅火劑后出現(xiàn)火焰回溫現(xiàn)象。相比于CO2滅火劑，ABC干粉滅火劑作用下火焰根部光信號低閾值波動分量多，波動頻率明顯減弱，火焰滅火效果更好。

由滅火劑作用下火旋風(fēng)火焰降溫速率及光信號變化可知，噴射CO2滅火劑和ABC干粉滅火劑對火旋風(fēng)火焰均有良好的滅火效果，但CO2滅火劑作用下火旋風(fēng)火焰會出現(xiàn)復(fù)燃現(xiàn)象，相同時間內(nèi)火旋風(fēng)火焰在ABC干粉滅火劑作用下降溫速率更快，且光信號波動明顯減弱，高閾值分量明顯減弱。因此，對火旋風(fēng)火焰燃燒起抑制作用的ABC干粉滅火劑降溫效率更高，滅火效果更好。

5 結(jié)論

1)火旋風(fēng)在CO2滅火劑或ABC干粉滅火劑作用下，火焰的溫度場衰減曲線呈明顯“下凹”型變化，并且下降溫度與降溫時間之間存在確定的指數(shù)關(guān)系。

2)對CO2滅火劑或ABC干粉滅火劑作用下火旋風(fēng)火焰溫度場衰減曲線進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)2種滅火劑對火焰的影響系數(shù)不同，并且受滅火劑由槽道頂端噴射的影響，火焰根部、中部及頂端不同區(qū)域的滅火劑影響系數(shù)不同。

3)對比2種滅火劑作用下火旋風(fēng)火焰溫度場的降溫速率及光信號變化情況，相較于對火焰燃燒起冷卻與窒息作用的CO2滅火劑，對火焰燃燒起抑制作用的ABC干粉滅火劑對火旋風(fēng)火焰的降溫效率更高，火旋風(fēng)火焰的撲滅效果更好。