基于高強(qiáng)超聲波的電力隧道火災(zāi)煙霧顆粒試驗(yàn)研究

呂洪坤，陳 云，毛智超，郭玉鑫，余 斌，張光學(xué)

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.浙江浙能電力股份有限公司，杭州 310007；3.中國計(jì)量大學(xué)能源工程研究所，杭州 310018）

0 引言

近年來，各省市普遍采用地下隧道鋪設(shè)電纜供電方案，在增加城市整潔度和美觀度的同時(shí)，方便了后續(xù)的維護(hù)和設(shè)備更換工作［1］，但也帶來了火災(zāi)安全隱患。部分城市已經(jīng)發(fā)生多起地下電纜造成的火災(zāi)事故［2-3］。電纜隧道內(nèi)一旦發(fā)生火災(zāi)，高分子類有機(jī)化合物在受熱燃燒時(shí)，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量有毒煙霧［4］。而電力隧道空間往往比較狹小，煙霧短時(shí)間就可以降低能見度，影響施救人員的救援工作以及受困人員的逃生［5］。防排煙裝置只能起到部分作用，并無法在短時(shí)間內(nèi)提高區(qū)域能見度［6-7］。

為克服傳統(tǒng)火災(zāi)消煙手段的不足，文獻(xiàn)［8-11］提出了聲波團(tuán)聚消煙新技術(shù)，該技術(shù)利用特定頻率的高強(qiáng)聲波對火場煙霧進(jìn)行處理，煙霧中的顆粒物受聲波作用發(fā)生振蕩，顆粒之間相互靠近，直至發(fā)生碰撞團(tuán)聚，長大為更大一級粒徑的顆粒，在重力的作用下發(fā)生沉降，迅速提高火場的能見度［12］。文獻(xiàn)［8］在國際上首次提出聲波團(tuán)聚消煙的技術(shù)路線并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究采用聚丙乙烯作為可燃物的火災(zāi)煙霧，發(fā)現(xiàn)在頻率為1.4 kHz、聲壓級為141 dB 的聲波作用下，煙霧透過率將在0.5 min 內(nèi)從初始值0.24 增加到0.75，僅需0.75 min即可使火場的能見度達(dá)到人員逃生閾值。文獻(xiàn)［10］探究了聲波團(tuán)聚技術(shù)對于儲(chǔ)能電站火災(zāi)煙霧的清除作用，發(fā)現(xiàn)在聲壓級為140 dB、頻率為1 000 Hz的聲波作用下，20 s內(nèi)火災(zāi)煙霧的透光率從22%提高到90%，效果顯著。文獻(xiàn)［11］對聲波消煙的微觀機(jī)理進(jìn)行了深入探討，認(rèn)為聲場中的聲流和聲渦機(jī)制對團(tuán)聚的影響很大。

盡管聲波團(tuán)聚消煙技術(shù)效果顯著，發(fā)展?jié)摿薮?，然而目前的操作條件仍以低頻高強(qiáng)聲波為主，聲壓級高達(dá)140 dB以上，頻率范圍為1 000～2 000 Hz［8］，在人耳可聽范圍內(nèi)。如果未來該技術(shù)投入實(shí)際應(yīng)用，將對人體聽覺系統(tǒng)構(gòu)成很大的潛在危害。因此，亟需開發(fā)超聲波頻率范圍的聲波團(tuán)聚消煙技術(shù)，使之工作于人耳可聽范圍之外，以避免不利影響。遺憾的是，這方面的研究工作目前尚未開展。

本文開展了利用聲波消除電力隧道火災(zāi)煙霧的研究，首先利用數(shù)值模擬技術(shù)作為輔助，設(shè)計(jì)了能夠在空氣介質(zhì)中產(chǎn)生20 kHz 高強(qiáng)超聲波的換能器；隨后，對電纜燃燒產(chǎn)生的固相及液相煙霧的聲波消除效果進(jìn)行了實(shí)際測試，獲得了透光度和能見度變化規(guī)律，研究結(jié)果為進(jìn)一步推進(jìn)超聲波團(tuán)聚的發(fā)展應(yīng)用提供了依據(jù)。

1 聲波團(tuán)聚消煙機(jī)理

1.1 同向團(tuán)聚機(jī)理

火災(zāi)煙霧在聲場中的快速團(tuán)聚主要過程可以用同向團(tuán)聚機(jī)理解釋［13］，其核心思想是懸浮在周期性振動(dòng)氣體中的兩個(gè)粒子之間存在速度差，從而導(dǎo)致它們之間發(fā)生碰撞或凝聚。這種速度差是由不同粒徑的氣溶膠顆粒聲波夾帶系數(shù)的差異引起的，不同幅度的振蕩作用導(dǎo)致顆粒之間的相對運(yùn)動(dòng)和碰撞。對于不同粒徑的氣溶膠顆粒，其夾帶系數(shù)在不同的聲頻上是不同的，較高的聲波頻率使顆粒的夾帶系數(shù)較小，顆粒不易與氣體介質(zhì)一起發(fā)生振動(dòng)；較低的聲波頻率下正好相反，顆粒傾向于發(fā)生較大程度的正弦振動(dòng)。從顆粒粒徑的影響來看，情況也是如此，較細(xì)的顆粒物容易跟隨聲場發(fā)生振動(dòng)，慣性更大的顆粒則振幅較小，這樣大小不同的顆粒之間就存在了速度差，導(dǎo)致顆?？拷鼒F(tuán)聚。

對于氣溶膠體系中存在多種不同粒徑顆粒物的情況而言，比如火災(zāi)煙霧中包含的炭黑顆粒粒徑差異是非常大的，同向團(tuán)聚機(jī)理非常適用，因?yàn)榇藭r(shí)聲場振動(dòng)引起的顆粒振幅差異很大。

一旦顆粒發(fā)生碰撞，是否發(fā)生團(tuán)聚就取決于粘附力和分離力的大小對比，其中粘附力主要包括范德華力和靜電力，對于細(xì)顆粒而言是非常強(qiáng)的；分離力主要是流動(dòng)引起的曳力和重力等，對于微米級的顆粒而言往往是非常弱的，綜合效應(yīng)是顆粒碰撞后發(fā)生團(tuán)聚的概率較高。

1.2 聲學(xué)尾流效應(yīng)

除了同向團(tuán)聚機(jī)理外，煙霧顆粒在高頻超聲波作用下的另一個(gè)團(tuán)聚機(jī)理是聲學(xué)尾流效應(yīng)［14］。該機(jī)理是對同向作用機(jī)理的重要補(bǔ)充，尤其是當(dāng)氣溶膠顆粒在振動(dòng)氣體介質(zhì)中的振幅小于其分離距離時(shí)。聲學(xué)尾流效應(yīng)是基于Oseen 流動(dòng)區(qū)域（雷諾數(shù)Re＜1）條件下兩個(gè)粒徑接近的顆粒之間的流體動(dòng)力學(xué)相互作用的基礎(chǔ)上提出的。根據(jù)這一理論，聲場中運(yùn)動(dòng)顆粒周圍的擾動(dòng)速度場分布具有很強(qiáng)的前后不對稱性，上游的擾動(dòng)速度分布區(qū)域較小，作用范圍也有限，而下游存在一個(gè)很長的低壓尾流區(qū)域，影響范圍遠(yuǎn)大于顆粒自身的聲學(xué)振動(dòng)幅值。如果某個(gè)顆粒出現(xiàn)在其他顆粒的尾流區(qū)域中，會(huì)受到該低壓影響而相互靠近。換言之，每個(gè)顆粒下游的尾流區(qū)域會(huì)吸引該區(qū)域內(nèi)的所有顆粒向其靠近。在快速切換振動(dòng)方向的聲場中，這樣的效應(yīng)頻繁變換，使顆粒之間均存在很強(qiáng)的吸引作用。經(jīng)過多次聲波循環(huán)后，顆粒之間的分離距離越來越小，直到它們碰撞并凝聚在一起。

2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主要由聲源系統(tǒng)、光強(qiáng)測量系統(tǒng)、煙霧發(fā)生收集裝置、團(tuán)聚室等裝置組成。團(tuán)聚煙霧由YJV型電纜在燃燒室內(nèi)受熱產(chǎn)生，通過管道和止逆閥連接到團(tuán)聚室內(nèi)。團(tuán)聚室為有機(jī)玻璃材質(zhì)，便于測量煙霧團(tuán)聚情況，內(nèi)徑為100 mm，高度為300 mm，內(nèi)壁面采用疏水劑進(jìn)行化學(xué)預(yù)處理，防止液相顆粒沉積在壁面上。電纜切割成長度為80～100 mm的樣品，置于置物架上，底部由酒精燈點(diǎn)燃后持續(xù)燃燒，以模擬電纜隧道火災(zāi)現(xiàn)場中的電纜燃燒狀況。聲源系統(tǒng)由一臺(tái)20 kHz 的超聲換能器和電源箱組成，超聲換能器由支撐架固定在團(tuán)聚室上部，可以保證超聲換能器振動(dòng)圓盤穩(wěn)定工作。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意

光強(qiáng)測量系統(tǒng)由激光發(fā)射器（AG-650）及激光功率計(jì)（Sanwa LP1，測量精度為±5%）組成，通過采集試驗(yàn)前后的煙霧透射光強(qiáng)變化，可以得出電纜煙霧的透光率、能見度、產(chǎn)煙速率等參數(shù)信息。聲壓級采用精度為1 級的精密脈沖聲級計(jì)測量。

根據(jù)Lambert-Beer 定律，由于電纜煙霧對入射光強(qiáng)的吸收和散射，透過團(tuán)聚室的光強(qiáng)度會(huì)隨著煙霧濃度的增高而降低［14］。其中透光率T的定義如式（1）所示：

式中：Iλ為穿過電纜煙霧的透射光強(qiáng)；Iλ0為團(tuán)聚室內(nèi)無電纜煙霧時(shí)的初始光強(qiáng)，團(tuán)聚室壁面因素對透射光強(qiáng)的影響已經(jīng)納入計(jì)算，在初始時(shí)已扣除。

根據(jù)透光度，可以進(jìn)一步計(jì)算電纜煙霧對光強(qiáng)的消光系數(shù)K，該系數(shù)體現(xiàn)了電纜煙霧對光線削減程度的強(qiáng)弱，公式如下：

式中：L為激光穿過團(tuán)聚室的光路長度。

為了更好地評價(jià)火場中的煙霧對人體的影響，可以計(jì)算獲得能見度數(shù)據(jù)，其定義為觀察者可將目標(biāo)物從背景中識別出來的最大臨界距離，計(jì)算公式如下：

式中：S為團(tuán)聚室內(nèi)煙霧能見度；C表示通過煙霧觀察的物體類型恒定特征常數(shù)，對于發(fā)光物體而言，C=8，對于不發(fā)光物體，C=3［8］。

3 高強(qiáng)氣介超聲波換能器設(shè)計(jì)

圖2是開發(fā)的夾心式超聲換能器示意圖，由壓電陶瓷、后蓋板、變幅桿及振動(dòng)圓盤組成，諧振頻率設(shè)計(jì)值為20 kHz。壓電陶瓷是壓電換能器的核心部件，為換能器提供振動(dòng)激勵(lì)，選用內(nèi)徑17 mm、外徑50 mm、厚度為6.5 mm 的PZT-4 型材料。后蓋板外徑與壓電陶瓷片外徑相同，均為50 mm，用于吸收反方向傳遞的聲波。變幅桿長度60.4 mm，直徑32 mm，有聚焦及放大作用，能夠把能量集中于輻射面上；同時(shí)使得能量由超聲換能器有效地向空氣域傳遞；對于換能器整體而言，變幅桿可起到固定整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的作用。由于超聲波換能器工作于空氣中，而空氣的密度小，聲阻抗比較低，常溫下約為420 Pa·s/m，遠(yuǎn)小于液體和固體的聲阻抗［15］，因此氣介超聲波換能器需要更大的聲輻射面，以便與空氣的低聲阻抗匹配，從而提高聲傳遞效率。本文設(shè)計(jì)的換能器振動(dòng)圓盤直徑為120 mm，能夠向外側(cè)輻射超聲波。最終換能器整體總長度為180 mm，總重量約1.5 kg。

圖2 超聲換能器示意

4 結(jié)果及討論

4.1 換能器發(fā)聲的數(shù)值模擬及實(shí)際效果

為了解夾心式超聲換能器工作時(shí)的發(fā)聲特性，利用COMSOL軟件進(jìn)行模擬分析［16］。由于模擬對象幾何上為軸對稱結(jié)構(gòu)，本文采用二維軸對稱方法對換能器進(jìn)行模擬。首先如圖2所示，建立幾何模型；隨后定義材料屬性，其中壓電陶瓷為各向同性壓電材料，選擇應(yīng)力-電荷壓電材料，且不考慮介電損耗；最后在進(jìn)行模型頻率響應(yīng)分析時(shí)，在壓電材料電極間施加100～250 V電勢作為激勵(lì)。

模擬采用的壓力聲學(xué)方程如式（4）所示：

式中：?為拉普拉斯算子；p為聲壓；ρ0為流體介質(zhì)密度；q為偶極源；ω為角頻率；c為流體介質(zhì)中的聲速；Qm為單極源。

由于聲波團(tuán)聚效果主要受聲源聲壓級影響，因此，需要在上述基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究換能器在空氣域中的輻射聲場特性及聲強(qiáng)分布情況。本文采用聲-結(jié)構(gòu)邊界耦合，將半徑280 mm 設(shè)置為近場區(qū)，即模擬團(tuán)聚室內(nèi)的聲場分布，同時(shí)為了解換能器聲場的衰減情況，采用COMSOL自帶的完美匹配層模擬無限遠(yuǎn)處的聲場分布。

當(dāng)超聲信號的頻率處于換能器的諧振頻率附近時(shí)，壓電陶瓷振子就會(huì)發(fā)生諧振并輸出最大的電壓，而此時(shí)換能器的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率最高［17］。換能器通常存在基波振動(dòng)頻率和高次振動(dòng)頻率。模擬得到頻率為10～40 kHz 下聲壓級最大值分布如圖3 所示，可以看出，在頻率20 kHz 附近及28 kHz 附近存在諧振頻率，此時(shí)換能器的轉(zhuǎn)換效率最高，對應(yīng)的聲壓級可達(dá)150 dB以上。

圖3 頻率與聲壓級幅值分布關(guān)系

圖4 為模擬得到的超聲波換能器在20 kHz 諧振頻率時(shí)振動(dòng)圓盤上部空氣域中的聲壓級分布情況，可以看出，該激勵(lì)頻率下的聲場具有一定的指向性，沿?fù)Q能器軸線方向聲壓級較高，中心軸線上聲壓級最大可達(dá)150 dB 以上。根據(jù)文獻(xiàn)［8］，該聲強(qiáng)滿足聲波團(tuán)聚所需的高強(qiáng)聲源特性。

圖4 頻率為20 kHz時(shí)聲壓級分布

在完成設(shè)計(jì)及通過數(shù)值模擬驗(yàn)證發(fā)聲效果的前提下，加工制作了超聲波換能器實(shí)物。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)際換能器的發(fā)聲諧振頻率為19.6 kHz，與前期模擬得到的20 kHz 結(jié)果非常接近，偏差僅為2%，可以忽略。另外，采用精密脈沖聲級計(jì)測量后發(fā)現(xiàn)，圓盤表面中心實(shí)測的聲壓級為148 dB，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)值，能夠滿足消除火災(zāi)煙霧對高聲強(qiáng)的要求。

4.2 固相煙霧的團(tuán)聚結(jié)果

火災(zāi)煙霧成分比較復(fù)雜，不同的可燃物燃燒形成的煙霧顆粒也各不相同。當(dāng)火災(zāi)煙霧主要為固相顆粒時(shí)，超聲波團(tuán)聚消煙的試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。初始時(shí)，煙霧均勻分布于團(tuán)聚室內(nèi)，透光率僅為1%；在20 kHz 的高強(qiáng)超聲波作用下，煙霧中的顆粒發(fā)生快速團(tuán)聚，30 s內(nèi)團(tuán)聚室內(nèi)的透光率迅速升高，達(dá)到25%，此時(shí)由于團(tuán)聚室內(nèi)煙霧濃度降低，在30—70 s區(qū)間內(nèi)，團(tuán)聚效率達(dá)到最快；整個(gè)團(tuán)聚過程可以在60 s 內(nèi)使透光率達(dá)到60%以上，在持續(xù)工作130 s后，透光率達(dá)到90%。相比之下，無聲波作用時(shí)，僅靠自然沉降，電纜煙霧的透光率增加緩慢，在沉降130 s后透光率仍不足20%。

圖5 有無聲波作用下固相煙霧的透光率變化

火災(zāi)中，一般認(rèn)為人員安全逃生的消光系數(shù)閾值為1.2 m-1，結(jié)合相關(guān)公式，可得人員逃生能見度閾值為2.5 m［18］，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。

圖6為聲波作用下及自然沉降時(shí)固相煙霧的能見度變化對比。初始狀態(tài)下能見度僅為0.4 m，此時(shí)在火場中人員難以逃生和施救；在20 kHz 聲波作用下，由于聲波團(tuán)聚對顆粒的消除作用，50 s后達(dá)到人員逃生能見度閾值2.5 m；在50—80 s 區(qū)間內(nèi)，能見度從2.5 m 迅速增長到7 m；在持續(xù)工作130 s后能見度可達(dá)13 m。相比之下，僅靠自然沉降，130 s 后能見度僅為1 m，遠(yuǎn)未達(dá)到火場中人員逃生能見度閾值。

圖6 有無聲波作用下固相煙霧的能見度變化

4.3 液相煙霧的團(tuán)聚結(jié)果

電纜主要由外護(hù)套層、填充層及絕緣層三部分組成，各部分的燃燒性能存在差異。其中，外護(hù)套層燃燒時(shí)團(tuán)聚室內(nèi)充滿了大量白色煙霧，主要成分為聚氯乙烯外護(hù)套層發(fā)生脫氯化氫反應(yīng)后生成的HCl 液滴［19］，因此電纜燃燒時(shí)液相煙霧也是重要的組成之一。

在聲波團(tuán)聚過程中，粒子在聲波的作用下被不同程度地夾帶振蕩，引起粒子間的相對運(yùn)動(dòng)。一旦發(fā)生碰撞，它們就有可能凝聚在一起，但并不是每次碰撞都會(huì)導(dǎo)致凝聚。2個(gè)粒子碰撞時(shí)發(fā)生團(tuán)聚的概率稱為粘附因子［13-14］，取值范圍為0～1。對于以固體顆粒為主的火災(zāi)煙霧，氣溶膠中的顆粒主要由于相對較弱的范德華力而粘附在一起，因此粘附因子通常較低。試驗(yàn)表明［14］，在高強(qiáng)度聲場中，隨著聲壓級的增加，團(tuán)聚效率有時(shí)會(huì)下降，表明范德華力不足以將粒子在發(fā)生碰撞時(shí)保持在一起。然而，對于以液相為主的顆粒，液橋力成為顆粒之間的主要附著力，比范德華力強(qiáng)得多。因此，理論上而言，由于粘附因子比較高，液滴顆粒的聲波團(tuán)聚效率也較高。

本文探究了電纜煙霧燃燒時(shí)液相煙霧的透光率變化情況，結(jié)果如圖7所示。初始狀態(tài)下，液相煙霧均勻分布于團(tuán)聚室內(nèi)，透光率僅為1%；在20 kHz 聲波作用下，團(tuán)聚室的透光率迅速升高，在10—15 s 區(qū)間內(nèi)，透光率可以從30%增長到78%；15 s 后透光率緩慢上升，35 s 時(shí)達(dá)到93%。而無聲波作用時(shí)，僅靠自然沉降35 s 內(nèi)，透光率不足10%。與以固相顆粒為主的煙霧相比，顯然超聲波對液相顆粒的團(tuán)聚效果更明顯，這與液滴之間較強(qiáng)的液橋力有關(guān)。

圖7 有無聲波作用下液相煙霧的透光率變化

圖8 為有無聲波作用時(shí)液相煙霧的能見度變化，在20 kHz 聲波作用下，12 s 即可達(dá)到人員逃生的能見度閾值2.5 m，35 s 內(nèi)能見度可達(dá)46 m；而僅靠自然沉降，35 s內(nèi)能見度仍不足1 m。相比之下，在超聲波的作用下，針對液相煙霧的團(tuán)聚效果更為明顯，在15 s之內(nèi)能見度能夠迅速提高，從而提高了火災(zāi)的逃生率。

圖8 有無聲波作用下液相煙霧的能見度變化

5 結(jié)論

本文開展了高頻條件下利用聲波消除電力隧道火災(zāi)煙霧的研究，借助數(shù)值模擬技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款20 kHz 氣介高強(qiáng)超聲波換能器，測試了發(fā)聲特性和聲強(qiáng)分布，并探究了超聲波對固相及液相火災(zāi)煙霧的實(shí)際團(tuán)聚效果，得到如下結(jié)論：

1）超聲換能器利用大面積振動(dòng)圓盤，使聲阻抗與空氣匹配，通過變幅桿的振動(dòng)傳遞、放大和聚焦，在諧振頻率為20 kHz 時(shí)振動(dòng)圓盤處于彎曲振動(dòng)工作模式。實(shí)測結(jié)果表明，在諧振頻率為20 kHz 附近時(shí)，換能器振動(dòng)圓盤的中心軸線處300 mm聲壓級可達(dá)150 dB左右，符合高強(qiáng)聲源特性，能夠用于氣溶膠聲波團(tuán)聚和火災(zāi)煙霧消除。

2）研發(fā)的超聲波換能器對顆粒物的團(tuán)聚效果很好，能夠在短時(shí)間內(nèi)提高固相煙霧的透光率及能見度。在20 kHz 高強(qiáng)聲波作用下，針對固相煙霧顆粒，在1 min 內(nèi)即可使透光率達(dá)到60%以上，在50 s時(shí)能見度即可達(dá)到人員逃生閾值2.5 m。針對液相煙霧，超聲團(tuán)聚消除火災(zāi)煙霧技術(shù)具有更好的消除效果，聲波僅作用12 s 后，能見度即可達(dá)到人員逃生閾值。