耦合水霧的聲團聚消除火災(zāi)煙霧的實驗研究

姚輝輝，張光學(xué)，吳林陶，陳子越，龐穎鋼，林宸煜

(中國計量大學(xué)能源工程研究所，浙江 杭州 310018)

0 引 言

火災(zāi)煙霧是由可燃物燃燒或熱解時產(chǎn)生的固體顆粒、液體液滴以及夾帶的空氣形成的復(fù)雜混合物[1]?；馂?zāi)煙霧由于其強烈的遮光性和毒害性而成為火災(zāi)中最為致命的因素[2]。當逃生通道內(nèi)充滿濃度較高的火災(zāi)煙霧時，被困人員對逃生路徑的判斷將會出現(xiàn)極大偏差，這將導(dǎo)致人員火場滯留時間增加，而吸入大量毒性的火災(zāi)煙霧將導(dǎo)致胸悶、心悸、心率加快、惡心以及視線模糊等不良反應(yīng)，甚至可能引起昏迷和抽搐[3]。據(jù)統(tǒng)計，近10年來，我國共發(fā)生高層建筑火災(zāi)3萬余起，死亡人數(shù)500余人，火災(zāi)造成的直接經(jīng)濟損失15.6億元，其中不乏特大火災(zāi)及重大火災(zāi)，我國的建筑火災(zāi)預(yù)防和控制形勢非常嚴峻[4]。

建筑火災(zāi)初期階段是人員逃生的關(guān)鍵時期，有效的控煙手段可以大幅提高人員逃生成功率[5]?，F(xiàn)有的控煙手段包括圍護結(jié)構(gòu)擋煙、隔室控煙、機械加壓送風排煙、自然排煙等[6]，但仍存在不足之處。例如用于建筑物的防火和防煙隔層，由于其在高度上有所限制，并不能起到很好的煙霧防控作用，甚至還可能阻礙消防人員的緊急救援[7]。自然排煙的效果不夠穩(wěn)定，排煙窗無法及時開啟；機械排煙的效果較好，但存在引入新鮮空氣助長火勢的隱患[8]。水霧作為一種廣泛使用的滅火方法，不僅能有效降低火焰熱輻射，同時還可快速抑制煙霧濃度的增長[9-11]。然而，也有部分學(xué)者指出，在一些情況下，水霧的散射和吸收可能導(dǎo)致能見度的降低[12]。

聲波團聚是一種氣溶膠處理技術(shù)，對氣溶膠施加高強聲場使得顆粒之間發(fā)生相對運動，碰撞并團聚成大顆粒，從而降低氣溶膠顆粒濃度[13]。劉建忠等[14]使用聲壓級為147 dB、頻率為1.4 kHz的低頻聲波對燃煤飛灰氣溶膠進行團聚處理，降低了68.4%的氣溶膠數(shù)量濃度。陳厚濤等[15]使用聲波團聚技術(shù)對顆粒濃度峰值為0.07 μm的超細顆粒物進行清除，160 dB聲壓級時，PM2.5顆粒數(shù)量濃度減少了58.9%。Volk等[16]將粒徑范圍為0.1～1 μm的炭黑固體顆粒作為測試氣溶膠，研究聲壓級、頻率、顆粒濃度以及停留時間對聲波團聚效果的影響，發(fā)現(xiàn)其最佳頻率為 3 kHz。聲波團聚技術(shù)對液滴氣溶膠同樣有著不錯的降低濃度的效果。在頻率為6 kHz、聲壓級為148 dB的聲場中，10 s內(nèi)液滴氣溶膠透光率從 0提高至 90%，質(zhì)量濃度減少了99%[17]。林宸煜[18]等通過區(qū)別聲波的頻率和聲壓級發(fā)現(xiàn)存在聲流與聲渦現(xiàn)象，而這兩者隨著頻率與聲壓級的變化對顆粒物團聚的作用強弱也相應(yīng)改變，提供了宏觀層面的聲波團聚研究基礎(chǔ)。

聲波團聚技術(shù)在細顆粒物處理領(lǐng)域表現(xiàn)出了巨大潛力，而火災(zāi)煙霧同樣適用于該技術(shù)。張光學(xué)等[19]以聲壓級為141 dB、聲頻率為1.5 kHz的聲波作用于充滿聚苯乙烯材料燃燒煙霧的密閉團聚室。在30 s處理時間內(nèi)，透光率從24%提高到75%，達到了人員安全逃生的閾值。兩分鐘后，團聚室內(nèi)的火災(zāi)煙霧被完全消除。

然而，現(xiàn)階段關(guān)于聲波團聚處理火災(zāi)煙霧的研究還十分匱乏。實驗多以密閉的小容積團聚室為主，聲波能量較為集中，可以取得較好的團聚效果，而對于動態(tài)火災(zāi)煙霧聲波處理的研究不夠深入，并且過高聲壓級的聲波可能在人員逃生時造成進一步的恐慌，甚至聽覺受損。同時，聲波耦合其他方法處理火災(zāi)煙霧的效果也還有待實驗探究。本文以炭黑顆粒作為研究對象，利用聲波團聚耦合水霧消除火災(zāi)煙霧，并探究聲波頻率、聲功率、水霧濃度、煙霧濃度、停留時間等因素對團聚效果的影響，為今后的消防及實際工業(yè)應(yīng)用提供實驗依據(jù)和指導(dǎo)。

1 聲波耦合水霧消煙機理

顆粒在聲場中發(fā)生團聚的過程較為復(fù)雜，而關(guān)于聲波團聚的研究發(fā)展至今，同向團聚機理是最為重要的顆粒團聚機理[20]。同向團聚機理由Mednikov[21]首次提出，它是聲波團聚機理中最重要的機理之一。由于氣體介質(zhì)在聲波的作用下會產(chǎn)生振蕩，而氣體存在黏性，振蕩的同時挾帶氣溶膠顆粒一起運動。不同尺寸的顆粒所帶有的慣性不同，因此其被聲波所挾帶的程度也有差異，這將導(dǎo)致它們之間產(chǎn)生相對運動并發(fā)生碰撞和粘附[22]。

在聲波團聚過程中，顆粒振幅與氣體介質(zhì)振幅的比值稱為挾帶系數(shù)，記作μ，表達式為[19]

式中：μij為顆粒i和顆粒j的相對挾帶系數(shù)，μi和μj分別為顆粒i和顆粒j的挾帶系數(shù)，τi和τj分別為顆粒i和顆粒j的粒子弛豫時間。

圖1顯示了聲場中兩個固體顆粒之間的相對挾帶系數(shù)μp,p，以及固體顆粒與液滴之間的相對挾帶系數(shù)μp,d。以粒徑20 μm的液滴和具有代表性的2、5 μm固體顆粒氣溶膠進行計算，其中液滴和固體顆粒密度分別為 1 000 kg·m-3和 2 500 kg·m-3。由圖 1可知，在不添加液滴的情況下，最佳團聚頻率范圍內(nèi)固體顆粒之間的相對挾帶系數(shù)一般不高于 0.6，即固體顆粒間的相對運動較弱，團聚效率也較為一般。添加水霧液滴后，氣溶膠分散性及相對挾帶系數(shù)提高明顯，最佳團聚頻率范圍也相應(yīng)拓寬[25]。

圖1 頻率與顆粒粒徑間相對挾帶系數(shù)關(guān)系圖Fig.1 Relationship of frequency with the relative entrainment coefficient between particles of different diameters

聲波團聚過程中，顆粒之間碰撞導(dǎo)致團聚的概率稱之為黏著系數(shù)，范圍為0～1[26-27]。顆粒間以范德華力粘附結(jié)塊，其黏著系數(shù)一般較低。有實驗證明，在高強聲場中，團聚體結(jié)構(gòu)可能發(fā)生破裂而降低團聚效率[28]。向固體顆粒氣溶膠中加入液滴后，強度更大的液橋力成為團聚體內(nèi)顆粒間的主要作用力，團聚體破碎概率降低，團聚效率提高[29-30]。

2 實驗設(shè)備及方法

實驗裝置如圖2所示，以炭黑顆粒為原料模擬火災(zāi)煙霧，由微量給料機(瑞士 LAMBDA 0-1L/M型)調(diào)節(jié)給料量，炭黑顆粒在文丘里混合器中與送風均勻混合形成粒徑分布在1～5 μm之間的煙霧氣溶膠。聲源系統(tǒng)由信號發(fā)生器(SFG-1013)、功率放大器(RMX 2450)、壓縮式驅(qū)動器(SH7531-8Ω)組成。信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦電信號，該信號經(jīng)功率放大器進行功率放大后由壓縮式驅(qū)動器產(chǎn)生穩(wěn)定的聲波，其聲壓級在 115～130 dB之間。團聚室內(nèi)徑為10 cm、高度為1.5 m，材質(zhì)為亞克力有機玻璃，便于觀察團聚室內(nèi)火災(zāi)煙霧流動情況。送風機空氣流量控制為2.5 m3·h-1，煙霧在團聚室內(nèi)停留時間約為17 s，即為聲波對煙霧作用時長。能見度測量系統(tǒng)是由激光發(fā)射器及激光功率計(LP1)組成，通過測得的透射光強值計算其煙霧能見度、透光率、團聚效率等參數(shù)。水霧發(fā)生裝置產(chǎn)生粒徑范圍為5～20 μm的水霧氣溶膠。

圖2 系統(tǒng)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental facilities

根據(jù)Lambert-Beer定律，由于煙霧顆粒對光的散射和吸收，穿過煙霧的激光強度會降低。透光率T的定義為[17]

式中：Iλ為穿過煙霧的透射激光光強， Iλ0為團聚室內(nèi)無煙霧時透射激光光強，團聚室壁面因素對透射光強的影響已經(jīng)納入計算。

煙霧體積分數(shù)、質(zhì)量濃度與透光率之間的計算關(guān)系為[31]

式中：Tλ為實驗條件下煙霧透光率，T0為煙霧初始透光率，Vλ為實驗條件下煙霧體積分數(shù)，V為煙霧初始體積分數(shù)，Mλ為實驗條件下煙霧質(zhì)量濃度，M0為煙霧初始質(zhì)量濃度。

為了定量地比較團聚效果，將實驗條件下氣溶膠質(zhì)量濃度減少百分比定義為團聚效率η，公式為[23]

煙霧對光的散射系數(shù)和吸收系數(shù)之和稱之為消光系數(shù)，記作K，該系數(shù)表征煙霧對光強的削減程度強弱，公式為[19]

式中：L為激光透過觀察室的光路長度。

根據(jù)透光率計算得到的消光系數(shù)，可以進一步計算得出更直觀的煙霧氣溶膠可見度參數(shù)，該參數(shù)定義為觀察者可識別物體相對于背景的距離，計算公式為[19]

式中：S為團聚室內(nèi)煙霧可見度，C表示通過煙霧觀察的物體類型恒定特征[18]。

3 結(jié)果與討論

3.1 煙霧粒徑分布變化

在團聚室尾部使用撞擊式氣溶膠采樣儀(FA-3)對火災(zāi)煙霧進行采樣分析，該儀器測量粒徑范圍為0.5～10 μm，測量結(jié)果如圖3所示。顆粒的粒徑分布特點通常利用幾何分布加以描述，即隨lgd的變化，其中d 是液滴顆粒的粒徑；N 是顆粒數(shù)目濃度，dN表示單位體積內(nèi)尺寸為lgd到lg d+d( lg d )之間的顆粒數(shù)目，且由于顆粒粒徑分布范圍較廣，一般使用對數(shù)坐標。初始狀態(tài)下，煙霧濃度為 50 g·m-3，氣溶膠顆粒數(shù)量濃度較大。施加頻率為1.5 kHz、功率為10 W的聲波，各個粒徑范圍下的顆粒物濃度均出現(xiàn)一定程度下降，0.9 μm與2.7 μm粒徑的顆粒濃度降低明顯，而其他粒徑的濃度降低幅度較小。聲波團聚耦合水霧技術(shù)中水霧濃度為 30 g·m-3，各個粒徑范圍顆粒物濃度均明顯下降，而相比較僅聲波處理的效果，聲波耦合水霧處理條件下細顆粒數(shù)量減少了80%以上，團聚效率大幅提高。

圖3 聲和水霧作用下的煙霧氣溶膠的粒徑分布Fig.3 Particle size distributions of smoke aerosol under the action of sound and water mist

圖4為場發(fā)射掃描電鏡觀測到的微觀顆粒物樣貌。原始條件下以圖4(a)小顆?；蛘咝F聚體的形式存在，這些顆粒的直徑大多處于 5 μm以下，符合上文的撞擊器測量結(jié)果。施加頻率為1.5 kHz的聲波后，團聚體體積明顯增大，且團聚體內(nèi)顆粒數(shù)目顯著增加，存在大量如圖4(b)所示的典型鏈狀團聚體，顆粒之間以范德華力為主要作用力相聯(lián)結(jié)，團聚體尺寸在10～50 μm之間。圖4(c)為僅加入水霧時呈現(xiàn)的小團聚體，液橋力將細小顆粒收集進內(nèi)部，團聚體多呈球狀，尺寸在10～100 μm間不等。聲波團聚耦合水霧技術(shù)的團聚體微觀樣貌如圖4(d)所示，團聚效果非常明顯，團聚體尺寸也較大，能夠增加至 100 μm以上，圖中所示團聚體已遠大于100 μm，呈球狀結(jié)構(gòu)并且內(nèi)部顆粒緊密聯(lián)結(jié)，其周圍分布著大量小型團聚體，可在聲波作用下進一步團聚。

圖4 不同條件下炭黑煙霧顆粒微觀樣貌Fig.4 Electron microscope images of smoke aerosol particles under different conditions

單一聲波條件下小顆粒團聚體內(nèi)部的作用力主要為范德華力。該作用力強度較弱，在聲場強度達到一定閾值后繼續(xù)增加聲功率輸入，團聚效率會保持原有水平甚至可能減弱[28]。向火災(zāi)煙霧中僅添加水霧作為團聚劑，其效果也較為一般。僅由空氣流動造成的顆粒間碰撞概率較低，團聚收集效果較差。另外，水霧液滴間也存在團聚現(xiàn)象，若沒有團聚并沉降，同樣會對光線造成散射和吸收而影響能見度[12]。向聲場中添加水霧可以將兩者的技術(shù)優(yōu)勢相結(jié)合，水霧可以充當收集核并且為團聚體顆粒間提供液橋力，使得團聚體結(jié)構(gòu)緊密，不易發(fā)生破碎；而聲波對顆粒有著良好的挾帶作用，不同慣性的顆粒間發(fā)生相對運動，為團聚創(chuàng)造碰撞條件。聲波團聚耦合水霧消除火災(zāi)煙霧技術(shù)產(chǎn)生的團聚體顆粒粒徑普遍較大，而當顆粒的質(zhì)量達到一定程度后重力沉降因素也成為提高煙霧能見度的重要因素[32]。

3.2 頻率對透光率的影響

已有相關(guān)的研究表明，聲波團聚技術(shù)中頻率是重要參數(shù)之一，對于給定粒徑分布的氣溶膠存在某個最佳頻率范圍，在該頻率范圍內(nèi)聲波團聚效率達到最佳，而偏離該范圍將會使得團聚效果不同程度減弱[14,33]。

如圖5所示，火災(zāi)煙霧初始透光率僅為34.5%。向火災(zāi)煙霧中施加功率為10 W的聲場后，透光率得到了大幅提高。

圖5 不同條件下煙霧透光率對比Fig.5 Transmittances of smoke aerosol under different conditions

由圖5可知，頻率為1.5 kHz的聲波效果較好，達到了87.5%的透光率，而頻率為0.5 kHz聲波效果較差，也達到了 65.6%。向聲場中加入濃度為30 g·m-3的水霧，頻率1.5 kHz的聲波的透光率提高至95.1%，而效果一般的頻率6 kHz的聲波也達到了77.5%的透光率。

聲波對火災(zāi)煙霧起到了較好的團聚作用，透光率也有了較大幅度的提高，但受頻率影響較大，最佳團聚頻率的范圍較窄。添加水霧液滴作為收集核，氣溶膠分散性提高。依據(jù)同向團聚機理，粒徑相差較大的顆粒間產(chǎn)生的相對挾帶系數(shù)也越大，相對運動劇烈，顆粒間碰撞次數(shù)增多。最佳團聚頻率范圍擴大，偏移該頻率范圍時，團聚效率下降趨勢較為平緩。水霧產(chǎn)生的液橋力使得煙霧顆粒碰撞后團聚有效性提高，擴大了火災(zāi)煙霧中可適用的聲波頻率范圍。由此可知，聲波團聚耦合水霧技術(shù)優(yōu)于單一的聲波團聚技術(shù)，該技術(shù)可將團聚效率進一步提高，并且擴大最佳團聚頻率范圍，該技術(shù)更適合于消除火災(zāi)煙霧。

火災(zāi)中，人員安全逃生的消光系數(shù)閾值為1.2 m-1[34]，結(jié)合式(8)，可得人員逃生能見度閾值為2.5 m。在大于該值的能見度情況下，火場人員可有效識別逃生指示信號及逃生路徑，大大提高逃生成功率。

如圖6所示，以本實驗團聚室為實驗空間，監(jiān)測火災(zāi)煙霧在不同處理條件下達到逃生能見度閾值所需聲功率。僅聲波作為處理條件時，其聲功率較大，頻率為1.5 kHz的聲波需9.1 W功率輸入，而效果較差的頻率為0.5 kHz和6 kHz的聲波則分別需要13.2和13.6 W功率輸入才能使得團聚室內(nèi)火災(zāi)煙霧能見度提升至閾值。向火災(zāi)煙霧中加入濃度為30 g·m-3的水霧，達到同樣的能見度閾值所需功率明顯下降。頻率為6 kHz聲波的聲功率最高，為8.7 W，而頻率為1.5 kHz聲波所對應(yīng)的聲功率僅為5.0 W。

圖6 有或無水霧情況下達到能見度閾值的聲功率對比Fig.6 Acoustic power consumption required to reach the visibility threshold with or without adding water mist

實驗所用頻率均在人耳的聽覺范圍內(nèi)，高功率的輸入將會導(dǎo)致聲音過大而損傷人耳。同樣的團聚效果，水霧的添加大幅降低了聲功率，如頻率為1.5 kHz聲波從9.1降至5 W，聲壓級也從122降至119 dB，在快速有效地消除火災(zāi)煙霧的同時也有助于保護火場逃生人員的聽覺健康。

3.3 水霧濃度的影響

水霧作為種子顆粒和收集核，其濃度的大小將會影響聲場中火災(zāi)煙霧的團聚效果。初始火災(zāi)煙霧濃度為50 g·m-3，聲功率為15 W，分別施加10、20、30、40和50 g·m-3五種不同濃度的水霧于聲場中，實驗結(jié)果如圖 7所示。30 g·m-3的水霧濃度條件達到了較好的能見度，在1.5 kHz頻率下能見度提升至 8.0 m。20 g·m-3和 40 g·m-3水霧濃度下能見度略有降低。水霧濃度10 g·m-3條件下，能見度提升程度較小。而水霧濃度50 g·m-3條件下能見度比僅聲波處理時更小，光線同時受到了火災(zāi)煙霧和水霧的遮擋。

圖7 水霧濃度對能見度的影響Fig.7 Effect of water mist concentration on visibility

水霧濃度是影響聲波耦合水霧團聚火災(zāi)煙霧的重要因素之一，過低或過高的濃度都將導(dǎo)致能見度提升效果減弱，過量的水霧甚至可能生成白霧蒸汽對光線造成二次阻擋[12]。因此，加入的水霧濃度需要加以控制以達到提升能見度的效果。

3.4 初始煙霧濃度的影響

理論上，氣溶膠初始濃度的大小表示了顆粒間的間距，初始濃度越大則顆粒間距越小，其碰撞的概率越高，團聚效率也更高。圖8為聲波團聚耦合水霧技術(shù)在不同初始煙霧濃度下的團聚效率影響，聲功率為 15 W，水霧濃度為 30 g·m-3。由圖 8可知，初始煙霧濃度越高，團聚效率也越高。初始煙霧濃度達到 50 g·m-3的情況下，頻率為 1.5 kHz的聲波耦合水霧團聚效率達到95.2%。當初始煙霧濃度降低時，團聚效率也開始下降，且初始濃度均勻遞減的情況下，團聚效率降低幅值開始增大。

圖8 初始煙霧濃度對團聚效率的影響Fig.8 Effect of initial smoke aerosol concentration on agglomeration efficiency

由上述實驗現(xiàn)象分析可知，聲波團聚耦合水霧技術(shù)在較高的初始煙霧濃度條件下將會取得顯著的效果，雖然該技術(shù)無法完全消除掉火災(zāi)煙霧，但在本實驗條件下聲波作用17 s內(nèi)可快速提高火災(zāi)煙霧能見度，為火場逃生人員創(chuàng)造有利條件。

4 結(jié) 論

本文通過改變聲波頻率、聲功率、水霧濃度和初始煙霧濃度等參數(shù)研究了耦合水霧的聲團聚消煙效果，得到如下結(jié)論：

(1) 水霧提供的液橋力保證了團聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及更好的消煙效果。在初始煙霧濃度為50 g·m-3、水霧濃度為30 g·m-3、聲功率10 W和聲波頻率1.5 kHz條件下，火災(zāi)煙霧顆粒數(shù)目減少了80%以上。

(2) 添加水霧后顆粒間的相對挾帶系數(shù)增大，相對運動增強，并且最佳團聚頻率范圍被擴大。在聲波頻率為1.5 kHz時，煙霧透光率可高達95.1%。

(3) 在耦合水霧的聲團聚消煙技術(shù)中，水霧的濃度需要加以控制，避免造成光線的二次遮擋。

(4) 初始煙霧濃度越高，則顆粒間距越小，團聚效率也越高，將聲波耦合水霧技術(shù)應(yīng)用在煙霧較濃的通道頂部區(qū)域，可能取得更好的消煙效果。