細水霧抑制障礙物遮擋氣體池火的縮尺度實驗研究

劉洋鵬 ，王喜世，沈佳杏，李國春，倪小敏，潘傳魚

(1.中國科學技術(shù)大學火災科學國家重點實驗室，合肥 230026；2.浙江大學能源清潔利用國家重點實驗室，杭州 310027；3.浙江大學湖州研究院，湖州 313000)

自20 世紀80 年代聯(lián)合國《關于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》簽署以來[1]，憑借綠色、環(huán)保、高效滅火等優(yōu)勢，細水霧被看作是一種重要的鹵代烷系列滅火劑的替代品[2-3].細水霧作為一種有效的防護技術(shù)，已在A、B、C 類等火災的抑制以及燃油氣、粉塵爆炸及鋰離子電池熱失控防控等諸多實際火災場景中發(fā)揮著重要的作用[4-7].一些具有特定功能的場所諸如大型倉庫、航空發(fā)動機艙等，一旦發(fā)生火災，往往存在障礙物空間遮擋的特性.以大型倉庫火災為例，火源通常位于貨架底部或被上層貨物所遮擋.美國消防協(xié)會(NFPA)對倉庫火災事故的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在安裝傳統(tǒng)水噴淋系統(tǒng)的倉庫中火災發(fā)生數(shù)占比依舊高達33%[8].由于倉儲場所普遍存在火源被障礙物遮擋情況，傳統(tǒng)水噴淋技術(shù)難以有效保護該類場所.前人通過實驗觀察到細水霧霧滴在有障礙物遮擋情況下具備在較長懸浮時間下跟隨燃燒氣體的特性[9-10].因此，針對障礙物遮擋火的防滅火問題，本文開展了細水霧抑制障礙物遮擋火焰的實驗研究.

在細水霧抑制障礙物遮擋火焰的研究方面，Chiu等[11]通過全尺寸風力發(fā)電機機房實驗驗證了細水霧能夠有效熄滅障礙物遮擋油池火，但其工況只限于10 MPa 細水霧工作壓力及兩類障礙物遮擋位置.Liu等[12]開展了細水霧與障礙物遮擋火相互作用的縮尺度實體模擬實驗.獲取了不同障礙物遮擋情況下的細水霧滅火臨界壓力條件，分析構(gòu)建了基于遮擋比及臨界火羽流-霧滴動量比的細水霧滅障礙物遮擋火的研判模型.在獲知障礙物遮擋情況及火源尺寸的前提下，通過研判預測公式便可預估出細水霧噴霧所需的最低要求.進一步為細水霧在障礙物遮擋的火情下的系統(tǒng)優(yōu)化提供指導建議.

國內(nèi)有不少學者開展了細水霧抑制或熄滅障礙物遮擋火的模擬研究[13-17]，但大多都側(cè)重于通過某個特定工況條件的實驗及數(shù)值模擬研究獲取溫度、熱輻射等熱力學數(shù)據(jù).然而，細水霧與障礙物遮擋火焰相互作用過程中的霧滴流場及火焰燃燒區(qū)域內(nèi)羥基自由基濃度等燃燒化學特性尚未獲取.

依據(jù)Yu 等[18]提出的Froude 數(shù)相似縮比模型，本文搭建起了細水霧抑制障礙物遮擋甲烷氣體池火的1/6 縮尺度實驗平臺.本實驗利用激光誘導羥基自由基(OH-PLIF)及PIV 測量技術(shù)獲取了在細水霧施加下羥基自由基火焰結(jié)構(gòu)、羥基自由基濃度的分布特征及在障礙物附近區(qū)域內(nèi)的霧滴流場.此外，建立了基于幾何遮擋的最大有效霧量比的定量參數(shù)，以表征障礙物對細水霧噴霧及火焰的遮擋.本文的研究目的是獲取在不同遮擋條件下細水霧抑制障礙物遮擋火焰過程中的火焰燃燒化學特性及霧滴流場特征，相關實驗結(jié)果可為障礙物遮擋火場景下細水霧系統(tǒng)的優(yōu)化提供基礎測量數(shù)據(jù).

1 實驗設置

實驗平臺置于5 m×6 m×4 m(長×寬×高)的空間內(nèi).本實驗平臺嚴格按照Yu 等[18]發(fā)展的縮比關系進行1/6 縮比，一些關鍵的縮比參數(shù)如表1 所示.通過1/6 縮比的滅火實驗設置，相關滅火結(jié)果也可適用于總水流率、細水霧霧滴粒徑以及火焰熱釋放速率同步放大的火災場景，進而擴展本實驗結(jié)論對實際尺寸火災事故的適用性.

表1 基于Froude數(shù)的縮比關系Tab.1 Froude-based scaling relationship

本文實驗系統(tǒng)可劃分為3 類，即滅火測試系統(tǒng)、OH-PLIF 測量系統(tǒng)及PIV 測量系統(tǒng)，如圖1 所示.

圖1 1/6縮尺度實驗平臺示意Fig.1 Schematic diagram of the 1/6 scale experimental platform

1.1 滅火測試系統(tǒng)

滅火測試系統(tǒng)主要由氣體燃燒器、細水霧噴頭、障礙物遮擋裝置及流量控制器組成.本文所使用到的氣體燃燒器由不銹鋼制成，圖2 展示了其構(gòu)造及尺寸.通過在氣體燃燒器內(nèi)放置直徑為1 mm 的耐高溫石英珠，可對甲烷氣體進行整流以達到在燃燒器表面均勻分布的作用.甲烷的氣體流量通過北京七星華創(chuàng)CS200-A 型流量計(流量規(guī)格：0 L/min～30 L/min甲烷，準確度：±1.0%；重復精度：±0.2% F.S)進行調(diào)節(jié)及控制.鐵制薄板(厚度為2 mm)被用來作為障礙物，其大小及安裝高度可人為調(diào)節(jié).細水霧噴頭被安裝在距燃燒器上表面500 mm 的正上方，通過壓力霧化的方式在0.25 MPa 細水霧噴頭工作壓力下可產(chǎn)生54 μm 索特平均直徑(SMD)及68°霧錐角的實心噴霧.本文所使用到的細水霧噴頭詳細霧特性數(shù)據(jù)可查閱Liu 等[19]的研究.

圖2 甲烷氣體池火燃燒器(單位：mm)Fig.2 Methane gas pool fire burner(unit:mm)

1.2 OH-PLIF及PIV測量系統(tǒng)

在OH-PLIF 測量系統(tǒng)中，Nd：YAG 激光器可產(chǎn)生532 nm 的激光束(激光能量：250 mJ/pulse；重復率：10 Hz)，再經(jīng)染料激光器及片光發(fā)散器可使其最終產(chǎn)生283.621 nm 的紫外片光以激發(fā)燃燒場內(nèi)OH系(1，0)波段的Q1(6)能級線，進而誘導火焰中的羥基自由基發(fā)射熒光，其技術(shù)原理如圖3 所示[20-22].此外，ICCD 相機(縮放因子：3.41 像素/mm；分辨率：1 024×1 024 像素；曝光時間：8 000.01 μs)需放置在垂直于片光位置以捕獲經(jīng) OH 窄帶濾波片后的308 nm 左右的羥基自由基熒光信號.最后，通過IRO將微弱的熒光信號進行放大.最終，利用LaVision DaVis 10.0 軟件對OH-PLIF 圖像進行后處理.

圖3 激光誘導熒光原理Fig.3 Schematic diagram of laser induced fluorescence

在PIV 測量系統(tǒng)中，雙脈沖激光器經(jīng)片光發(fā)散器產(chǎn)生532 nm 的激光束(激光能量：200 mJ/pulse；重復率：10 Hz)以照亮霧場.CCD 相機(縮放因子：10.20 像素/mm；分辨率：1 600×1 200 像素)需放置在垂直于片光位置以捕獲霧滴的散射光.雙脈沖的間隔時間設置成75 μs 以獲取最佳的速度矢量場信息.為提高信噪比和矢量計算的準確性，選取了32×32 像素的查問域窗口和多通道迭代的交叉關聯(lián)算法方案，其技術(shù)原理如圖4 所示.CDD 相機及ICCD 相機置于垂直于測量面1 m 處.由于不同激光診斷系統(tǒng)中CCD 相機在分辨率等性能上的差異，同時考慮到測量視場需兼顧細水霧在障礙物附近的流場及火焰基部的要求，最終確定了如圖5 所示的視場上下重疊的布置方式.

圖4 PIV技術(shù)原理示意Fig.4 Sketch of the principle of PIV technology

圖5 測量視場設置示意(單位：mm)Fig.5 Diagram of the measurement field of view setup(unit:mm)

1.3 實驗條件及工況設置

實驗的初始條件維持在25 ℃及55%相對濕度的環(huán)境，以保證每次實驗工況的初始條件保持相對恒定.如圖6 所示(H 為細水霧噴頭安裝高度；h 為障礙物擋板安裝高度；Db為燃燒器直徑；Dob為障礙物擋板直徑；θs為霧錐角)，在本實驗通過改變火焰熱釋放速率、障礙物大小及位置等變量，研究不同火源、障礙物遮擋條件對細水霧滅火性能的影響.表2 展示了本文的實驗工況及其結(jié)果.通過大量預實驗，選取了30～93.8 mm 范圍的障礙物尺寸，以便很好地研究障礙物大小對滅火效果的影響.此外，考慮到實驗人員及激光設備的安全，最大甲烷流量設置為9 L/min(有障礙物工況).此外，細水霧噴頭安裝高度H 固定為500 mm 且所有工況細水霧工作壓力都保持在0.25 MPa.

圖6 實驗工況設置示意及關鍵區(qū)域典型細水霧流場Fig.6 Schematic diagram of the experimental setup and typical water mist flow field

表2 實驗工況Tab.2 Experimental conditions

2 測量誤差及實驗局限性

在OH-PLIF 方面，最主要的誤差來自于受激OH自由基分子的碰撞失活導致的碰撞淬滅[19].相關研究表明，甲烷射流火焰中OH 熒光信號存在12%的淬火效率差異[23].因為本實驗無法準確獲取細水霧施加過程中火焰前鋒的準確溫度數(shù)據(jù)，OH-PLIF 的結(jié)果沒有根據(jù)Harpooned 模型[24]對碰撞淬火率進行修正.因此，本文使用的OH-PLIF 實質(zhì)上提供了一種半定量的羥基自由基濃度分布的表征數(shù)據(jù).除去測量系統(tǒng)及實驗限制導致的誤差外，由于實驗操作導致的實驗誤差也應嚴格進行說明.盡管每次實驗的初始條件保持一致，但由于細水霧在實驗過程中的施加，其局部濕度及溫度無法嚴格保持恒定，因此，從嚴格意義上講，激發(fā)波長不一定在每個實際操作工況下是最佳的.不過本文測試分析主要關注的是有無障礙物遮擋的影響，并非獲取羥基自由基的絕對濃度分布，相同工況條件下的半定量比較分析在一定程度上弱化了對其測量精度的要求.

在PIV 方面，測量誤差主要來自于系統(tǒng)誤差和隨機誤差.大部分的不確定源往往來自于實驗設置、PIV 數(shù)據(jù)的處理方式及兩相流的隨機性等.其中隨機誤差可以通過進行大量的獨立重復實驗在統(tǒng)計采樣上進行避免[25].兩相流的隨機性一般是由氣泡引起的物理和光學干擾造成的.Husted 等[26]的細水霧霧場測量結(jié)果表明，在95%的置信度基礎上，由隨機誤差引起的測量平均速度的隨機變化估計為所有成分的瞬時速度測量值的5%.由于本文使用了與前人研究相同的PIV 系統(tǒng)且兩者都采用了壓力霧化的細水霧噴頭，故本文研究中對平均速度測量的總體誤差約估為10%.考慮到重復實驗速度測量差異及霧滴在測量視場的預估值，10%的總體誤差依舊可以提供相對準確的霧滴速度測量數(shù)據(jù).

由于本文使用的縮比模型未涉及霧滴粒徑分布、霧錐角等更具體的霧特性參數(shù).并且，在實際工程中，選取嚴格滿足縮比關系的細水霧噴頭極為困難[27].因此，本文通過縮尺度實驗獲取的結(jié)論在理想條件下可為實際細水霧系統(tǒng)的設計提供參考.

3 結(jié)果及分析

3.1 最大有效霧量比的構(gòu)建

為表征障礙物對細水霧空間霧分布的遮擋程度，本文提出基于理想假設下的最大有效霧量比的參數(shù).基本理想假設如下：①在固定細水霧噴頭工作壓力下，細水霧噴霧的霧錐角應保持不變；②細水霧呈現(xiàn)空間均勻分布規(guī)律；③忽略細水霧霧滴經(jīng)過障礙物處的速度方向變化.

圖6 展示了本文的一些關鍵幾何特征量以及障礙物附近典型的細水霧流場結(jié)果.可以看出當霧滴繞過障礙物后，霧滴速度方向?qū)嶋H上會產(chǎn)生一定程度上的變化.基于以上3 個理想化假定，圖6 中Smist定義為能夠參與到滅火的最大細水霧面積.Stotal表示為從細水霧到燃燒器上表面的全場區(qū)域.通過Smist和Stotal的比值即可用于表征在相同火焰功率下細水霧的遮擋情況.最大有效霧量比被定義為Smist和Stotal的比值，其表達式如下：

式中：H 為細水霧噴頭距燃燒器上表面的垂直高度(本實驗H=500 mm)；h 為障礙物擋板安裝高度；Dob為障礙物擋板直徑；θs為實心噴霧霧錐角(本實驗θs=68°).基于幾何遮擋假設條件下的最大有效霧量比可表征障礙物對細水霧噴霧遮擋的程度.

整個實驗工況下的k 值匯總見表2，滅火結(jié)果也驗證了k 值在表征遮擋情況的可靠性.其結(jié)果表明：①在1.97 kW 火焰功率(甲烷流量：3 L/min)下，其臨界k 值為0.52，即當k＜0.52，細水霧便無法有效熄滅障礙物遮擋火；②在3.93 kW 火焰功率(甲烷流量：6 L/min)下，其臨界k 值為0.59，即當k＜0.59，細水霧便無法有效熄滅障礙物遮擋火；③在5.9 kW 火焰功率(甲烷流量：9 L/min)下，細水霧則無法抑制本實驗工況下的障礙物遮擋火.因此，基于理想假設的k可以很好地表征本節(jié)實驗工況的熄滅行為.應該指出的是，在實際復雜火災場景下，基于k 值的相關結(jié)論應在后續(xù)大尺度實驗下進行驗證.

3.2 火焰燃燒特征

參照LaVision Tunable LIF 測量技術(shù)原理[28]及前人測量方法[29]，為了更好地表征在相同工況下的羥基自由基強度分布，本文定義一個無量綱OH-PLIF強度，其表達式為

式中：Ci為某羥基自由基成像區(qū)域內(nèi)的強度；Ci,max為羥基自由基成像區(qū)域內(nèi)最大的強度值.

圖7 為未施加細水霧下h 分別為 125 mm 及375 mm 工況的火焰羥基自由基濃度分布(每張圖片的尺寸為250 mm×150 mm).由于擴散火焰本身存在一定程度上的周期性脈動[30]，因此，本實驗發(fā)現(xiàn)在撞擊障礙物擋板后擴散火焰也表現(xiàn)出一定的周期性.在第1 幀圖像中(t=100 ms)，熱羽流與冷空氣的不穩(wěn)定導致了火焰在碰撞障礙物時出現(xiàn)了典型的渦結(jié)構(gòu).從羥基自由基濃度分布來看，障礙物附近(虛線為障礙物安裝高度位置)的燃燒強度明顯高于火焰基部.在t=100～500 ms 內(nèi)，火焰逐步脫離障礙物而后再次碰撞障礙物擋板，即完成了一個周期性火焰撞擊行為.如圖7(t=500 ms)所示，火焰結(jié)構(gòu)已經(jīng)恢復至第1 幀的狀態(tài).

圖7 h 分別為125 mm和375 mm工況下y/Db＝0～4垂直位置上羥基自由基無量綱強度Fig.7 Hydroxyl radical concentration distribution at vertical positions y/Db＝0—4 for the cases of h＝125 mm、375 mm

當繼續(xù)提高甲烷流量，火焰初始動量增加，障礙物下方的火焰也開始形成渦流結(jié)構(gòu)，如圖8 所示(每張圖片的尺寸為312.5 mm×150.0 mm).由于火焰與障礙物碰撞更為劇烈，相比于更大的障礙物安裝高度工況(即工況#5-3 及#5-4)，工況#1-1 和#1-2 的火焰結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生改變.當火焰觸及到障礙物擋板時，整個火焰結(jié)構(gòu)被破壞.隨著甲烷流量的進一步增加，火焰高度的增加致使火焰結(jié)構(gòu)從頂部開始坍塌，如圖8 黃色虛線區(qū)域所示.當甲烷流量增加到9 L/min時，劇烈的撞擊導致火焰內(nèi)部出現(xiàn)了明顯的渦結(jié)構(gòu).

圖8 典型工況下的y/Db＝0～5 垂直位置上羥基自由基無量綱強度Fig.8 Hydroxyl radical concentration distribution at y/Db＝0—5 vertical positions under typical cases

3.3 細水霧施加下OH-PLIF 火焰結(jié)構(gòu)及典型流場特性

圖9 展示了部分典型工況下細水霧施加后火焰燃燒區(qū)域內(nèi)的羥基自由基濃度分布演變過程(每張圖片的尺寸為312.5 mm×300.0 mm).在所有的火焰抑制工況中，火焰在細水霧施加后快速地與障礙物脫離(見圖9 工況#3-6)，隨后被迅速壓制在燃燒器上表面.同時由于霧滴的氣相冷卻作用，相對應的羥基自由基強度大幅度下降.不同于更大k 值的工況，工況#3-6 火焰并沒有快速抑制并熄滅，而是呈現(xiàn)火焰周期性“起伏”的特點(見圖9 中t=62.4 s).當k 值和甲烷流量降低時，燃燒器底部的整個火焰羥基自由基結(jié)構(gòu)基本上未受影響.

圖9 典型工況下選取不同時刻下的y/Db＝0～5 垂直位置上的連續(xù)羥基自由基強度Fig.9 Continuous hydroxyl radical concentration profiles at y/Db＝0—5 vertical positions at different moments for typical cases

圖10(a)展示了未熄滅工況的羥基自由基強度變化趨勢及其對應的火焰結(jié)構(gòu).雖然OH-PLIF 強度至少下降為初始值的一半，其羥基自由基強度的火焰輪廓變化規(guī)律與圖8 所示一致.在該工況下，經(jīng)快速火焰抑制，火焰行為呈現(xiàn)周期性火焰擾動狀態(tài)，其羥基自由基時間平均強度(t=1～60 s)分別為585(工況#1-1)和633(工況#1-2)，與自由燃燒相比，羥基自由基強度相應地降低了65%和69%.在細水霧噴霧的施加過程中，羥基自由基強度也在一定程度上呈現(xiàn)出周期性脈動趨勢(如圖10(a)所示).圖10(b)和(c)展示了在工況h 為250.0 mm 及375.0 mm 時的典型熄滅及未熄滅工況.圖10(b)和(c)內(nèi)的圖中圖為快速熄滅時間段下的數(shù)據(jù)，以便對快速熄滅過程中羥基自由基強度變化進行清晰展示.相比未熄滅工況，在k值最小的情況下，熄滅工況下羥基自由基強度迅速降低為零，并且經(jīng)歷了相對較長的熄滅過程.

圖10 典型羥基自由基強度隨時間變化趨勢Fig.10 Typical hydroxyl radical intensity trends with time

滅火過程中雖然存在相同的最大細水霧作用區(qū)域，但作用區(qū)域內(nèi)霧滴的有效數(shù)量可能受不同火焰功率的影響，圖11 所示為甲烷流量對相互作用流場的影響.圖11 顯示，在施加細水霧后，障礙物下方的火焰強度和行為存在顯著差異.在未熄滅的情況下，障礙物下方的火焰強度和湍流明顯偏高，這點符合經(jīng)驗預期.在靠近障礙物邊緣的區(qū)域，在工況#3-4 火焰較強的向上浮力羽流的作用下，霧滴運動方向發(fā)生了近90°的變化，部分液滴被推離至火源外圍(見圖11 中t=0.6 s 和t=50.1 s).在工況#3-3 中大量霧滴不被火羽流吹走，而是繞過障礙物進行火焰熄滅(見圖11 中t=0.6 s 和t=1.6 s 的圖像).在本實驗中，Smist中液滴的密度沒有通過相關測量設備進行定量獲取.因此，在闡述液滴的行為時，局限于液滴流場和液滴的定性分析上.

圖11 工況#3-3(上方)及#3-4(下方)典型PIV瞬時原圖像及細水霧流場矢量圖Fig.11 Typical PIV instantaneous raw images and vector diagrams of the water mist flow field for Case #3-3(top series)and#3-4(bottom series)

圖12 展示了工況#3-3 及工況 #3-4 下在PIV 拍攝視場內(nèi)的液滴最大速度隨細水霧施加時間的變化規(guī)律.當火焰臨近熄滅時，液滴速度會逐步增加，這種液滴速度增加的規(guī)律也驗證了在工況#3-3 中向下噴射的細水霧噴霧主導了整個霧-焰相互作用過程.由于在未熄滅工況下火焰向上的熱羽流主導了霧-焰兩相的相互競爭，以工況 #3-4 為例，從圖12(b)可以看出同期的液滴最大速度值都會比成功熄滅工況下更低.從相同細水霧作用時間內(nèi)的平均液滴最大速度來看，工況#3-3 和工況#3-4 的速度值差異達到了50%.因此，PIV 的結(jié)果揭示了霧-焰相互競爭會直接影響細水霧抑制障礙物遮擋火焰的實際效果.在典型工況下，PIV 視場內(nèi)最大的液滴速度值可在一定程度上表征細水霧向下的動量.實驗結(jié)果表明，熄滅瞬間最大霧滴速度可達12 m/s.

圖12 PIV拍攝視場下液滴最大速度隨細水霧施加時間變化趨勢Fig.12 PIV data of maximum droplet velocity versus water mist discharging time in the field of view

4 結(jié)論

(1) 通過縮尺度實驗獲取了細水霧抑制障礙物氣體池火過程中火焰燃燒區(qū)域內(nèi)羥基自由基濃度分布特征、羥基自由基火焰結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律及典型細水霧流場特性.基于幾何遮擋及理想化假設，本文提出了用于表征可參與滅火作用的潛在最大噴霧區(qū)域的特征參數(shù)即最大有效霧量比k.通過改變障礙物安裝高度、大小及火焰熱釋放速率，開展了一系列基于Froude 數(shù)縮比模型的1/6 縮尺度實驗.

(2) 實驗結(jié)果表明，本文所使用的細水霧噴頭可在0.25 MPa 工作壓力下成功熄滅最大有效霧量比大于0.59 且火焰功率小于3.93 kW 的火焰.OH-PLIF及PIV 測量結(jié)果驗證了細水霧滅火中霧-焰相互競爭的動力學機制.在典型工況下，細水霧霧滴能夠以最大12 m/s 的速度繞過障礙物直接參與到火焰冷卻等滅火作用中.

(3) 本文獲取的細水霧與障礙物遮擋火相互作用的燃燒化學、流場特征等方面的光學測量數(shù)據(jù)，可進一步幫助理解細水霧抑制障礙物遮擋火焰的滅火機理，為細水霧在障礙物遮擋火場景下的系統(tǒng)優(yōu)化提供指導.