聲波團聚技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及在火災消煙應用前景*

陳子越 呂洪坤 張光學? 林宸煜 龐穎鋼 顧海林 袁定琨

(1 中國計量大學能源工程研究所杭州 310018）

(2 國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院杭州 310014）

0 引言

隨著人類社會的發(fā)展，城市建筑物密度不斷上升，這導致建筑火災發(fā)生概率增加，給公眾安全造成極大威脅。建筑物中可燃物多、人員密集，一旦發(fā)生火災，極易造成巨大的財產(chǎn)損失和人員傷亡[1]。因此，如何減少建筑火災的危害、保障受困人員的安全，成為學者最近廣泛研究的議題之一。

現(xiàn)有研究表明，建筑物發(fā)生火災時，火災煙霧是妨礙人員逃生、造成人員傷亡的關(guān)鍵因素[2]。在火場中，大量可燃物的劇烈燃燒，會產(chǎn)生大量含碳煙塵和一些刺激性氣體[3]。而包含大量含碳煙塵的煙霧會在短時間內(nèi)充斥火場，使得火場能見度急劇下降，致使被困人員無法按疏散路線迅速逃離，被滯留在火場中[4]。被困人員被滯留僅數(shù)分鐘，就會因為吸入過多火災煙霧而昏迷，失去逃離火場的能力[5]。

為減少火災煙霧帶來的巨大危害，學者們提出多種煙霧控制手段，按形式可分為防煙法和排煙法。防煙法主要利用建筑物中的卷簾門等，將火災煙霧隔絕在疏散通道外[6]。這種方式構(gòu)造簡單、成本低廉，但易受多重因素影響，防煙效果不穩(wěn)定[7]。機械加壓送風系統(tǒng)也被廣泛用于防煙法中，但該系統(tǒng)的設(shè)計極其復雜，即使理論效果較好，也無濟于事[8]。

排煙法通過排風機，改變煙霧流向，將火災煙霧排至建筑物外[9]。該方法可在排煙的同時，排出部分熱量，從而降低建筑物溫度，對人員疏散起一定的助力作用?？蛇@一過程也帶來了新鮮空氣，有加劇火勢的風險。在實際火場中，排風機也常因斷電而無法工作，成為一個擺設(shè)。同時，還有部分學者借助消防水霧來消除火災煙霧[10]。該方法雖效果較好，但噴灑出的水霧往往會滯留在逃生通道中，進一步降低火場能見度。因此，亟需一種有效的火災煙霧控制手段。

火災煙霧的主要組分為氣溶膠細顆粒，而聲波團聚技術(shù)在細顆粒物排放控制領(lǐng)域具有巨大優(yōu)勢，該技術(shù)可作為一種全新的火災煙霧控制手段被應用[11]。聲波團聚技術(shù)通過高強聲場促進細顆粒之間的相對運動和碰撞效率，使得細顆粒在短時間內(nèi)被團聚為大顆粒。近年來，學者們將該技術(shù)與其他團聚方式進行多元耦合，取得較大進展。本文將從聲波團聚技術(shù)的進展出發(fā)，通過電纜煙霧消除實驗分析該技術(shù)在火災煙霧控制領(lǐng)域的應用前景。

1 聲波團聚技術(shù)進展

1.1 聲波團聚技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1931年，Paterson等[12]通過實驗發(fā)現(xiàn)聲波團聚現(xiàn)象，提出聲波團聚技術(shù)的相關(guān)概念，揭開聲波團聚技術(shù)的研究序幕。在此后的三十幾年中，學者們對該技術(shù)的內(nèi)在機理進行了廣泛而深入的研究。1965年，Mednikov[13]較為完整地總結(jié)了聲波團聚技術(shù)的研究成果，并發(fā)表了第一本有關(guān)聲波團聚的著作。此后，由于聲源功率的問題始終得不到解決，學者對聲波團聚的研究基本停止。直至1970年，未見聲波團聚新的研究報道。

20世紀70年代后，各國政府環(huán)保意識逐漸增強，對環(huán)境空氣細顆粒濃度的限定標準日趨嚴格，使聲波團聚的研究重新開始升溫。此時，學者們的研究重點從該技術(shù)的內(nèi)在機理轉(zhuǎn)向除塵方面的應用，以期開發(fā)出一種新型除塵器。1987年，Reethof[14]發(fā)現(xiàn)，在合適的聲場作用下，大部分煙塵顆粒被成功團聚，一定程度上體現(xiàn)了該技術(shù)在除塵方面的優(yōu)越性。但是，實驗中的聲壓級已至150 dB，在對人體造成聽力方面的困擾時，也使得能耗的問題不可被忽視。

1993年，Hoffmann等[15]從前人的研究中得到啟發(fā)，開辟出新的技術(shù)路線。他們以CaCO3粉末為團聚核，實現(xiàn)粉塵顆粒在低頻聲場中的有效團聚，并有效降低了設(shè)備能耗。1999年，Gallego-Juárez等[16-17]在對鍋爐煙塵的團聚實驗中，發(fā)現(xiàn)10 kHz聲波比20 kHz聲波的團聚效果更好，表明團聚效果并不與聲波頻率成正比，糾正了“頻率越高效果越好”的錯誤。

進入21世紀，聲波團聚技術(shù)逐漸成為一項研究熱點，發(fā)展迅速。2000年，Capéran等[18]通過對濕度的調(diào)節(jié)，在顯著增強團聚效果的同時，也使得學者的目光不再僅限于對聲學參數(shù)的優(yōu)化上。2007年，陳厚濤等[19]發(fā)現(xiàn)，低頻高強聲場可有效團聚亞微米級顆粒，將該技術(shù)的作用顆粒范圍進一步擴大。2009年，張光學[20]發(fā)現(xiàn)燃煤飛灰在1.4 kHz的聲場中團聚效果最佳，即存在最佳頻率。該頻率的發(fā)現(xiàn)，可令燃煤電廠在低能耗的情況下實現(xiàn)對飛灰的有效控制。2011年，楊振楠等[21]通過探究氣氛對團聚效果的影響，不僅得出了最佳氣速，也進一步開拓了學者的思路。2012年，王潔[22]對聲場環(huán)境展開研究，發(fā)現(xiàn)高溫可使得團聚速率進一步提升。2018年，趙云等[23]將燃煤煙氣置于167 dB的高強聲場下，發(fā)現(xiàn)PM2.5脫除率接近100%，即完成完全脫除。2019年，F(xiàn)an等[24]將目光投向團聚顆粒本身，發(fā)現(xiàn)顆粒的粒徑若存在明顯差異，將不會發(fā)生碰撞團聚。2020年，Shi等[25]通過對聲場壓力、溫度的研究，發(fā)現(xiàn)細顆粒物可在高溫高壓的環(huán)境中保持較高的團聚效率，表明聲波團聚受環(huán)境因素較小。2020年，趙天昊[26]嘗試將聲波團聚與除塵裝置結(jié)合起來，研發(fā)一種可處理極細顆粒的除塵裝置，從根本上解決粉塵污染。

此外，從近年的研究中不難看出，學者們的研究逐漸多元化，表現(xiàn)為將聲波團聚技術(shù)與其他團聚方式進行耦合。2014年，顏金培等[27]將蒸汽相變與聲波進行耦合，將細顆粒的團聚效率從40%增長到80%，一定程度上證明了多元耦合的可行性。2018年，祖坎[28]利用數(shù)值模擬，將聲場和聲霧進行耦合，得到細顆粒的粒徑變化趨勢，為之后可能進行的多場耦合作用提供思路。2020年，陶威等[29]發(fā)現(xiàn)聲波與噴霧耦合之后，能耗有所下降，適應了我國節(jié)能減排的政策。2021年，張宇擎等[30]將聲波與化學團聚進行耦合，發(fā)現(xiàn)團聚速率有了顯著提高。此外，也有學者利用多場協(xié)和作用來處理一些難處理的細顆粒[31]。

還有一些學者對聲波團聚在實際工程領(lǐng)域的可行性進行了探索。早在20世紀50年代，國外便有人將聲波團聚技術(shù)運用于工業(yè)領(lǐng)域[32]。2017年，解建坤等[33]依據(jù)聲波團聚技術(shù)，開發(fā)了一種新型工業(yè)裝置，對電廠生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的細顆粒進行有效處理。在2019年，國內(nèi)有公司將聲波團聚技術(shù)應用于轉(zhuǎn)爐煙氣除塵，成功實現(xiàn)超低排放[34]。2020年，Zhang等[35]在經(jīng)過廣泛而深入的研究后，首次將聲波團聚運用于火災煙霧控制領(lǐng)域，為火場消煙提供了新的思路，引發(fā)了眾多學者的興趣。最近，曹志勇等[36]發(fā)現(xiàn)聲波團聚可在短時間內(nèi)有效消除電站發(fā)生火災時的煙霧，進一步驗證了聲波團聚技術(shù)在火災煙霧控制領(lǐng)域的可行性。

1.2 聲波團聚機理

聲波團聚是指在高強聲場的持續(xù)作用下，氣溶膠顆粒之間發(fā)生碰撞，使氣溶膠的平均粒徑值在短時間內(nèi)迅速提高，顯著降低氣溶膠的數(shù)量濃度的過程[37]。該過程如圖1所示。

圖1 聲波團聚過程示意Fig.1 Acoustic wave agglomeration process

近百年來，國內(nèi)外學者在深入研究聲波團聚現(xiàn)象后，歸納出多種解釋機理。在這些機理中，學者們普遍認為同向團聚機理、聲波尾流效應是團聚過程中最關(guān)鍵的機理[38]。除此之外，聲致湍流也是學者們研究的重點。

同向團聚機理由Mednikov等[13]在1965年提出，表現(xiàn)形式如圖2所示。該機理的基礎(chǔ)是粒徑大小不同的顆粒慣性存在差異，受振蕩氣體介質(zhì)的挾帶程度也不同。在聲場中，粒徑較小的顆粒易被挾帶，粒徑較大的顆粒不易被挾帶。這將導致大小顆粒之間的相對運動，從而發(fā)生碰撞和團聚[39]。該機理的提出，引發(fā)了學者對顆粒挾帶程度的興趣。Temkin等[40]通過實驗總結(jié)出了不可壓縮、黏性流體的顆粒挾帶函數(shù)。Song等[41]對粒徑較大的顆粒進行研究，由實驗數(shù)據(jù)進一步發(fā)展了顆粒挾帶函數(shù)。

圖2 同向團聚機理示意Fig.2 Synthetic aggregation mechanism schematic

雖然同向團聚機理較好地解釋了聲波團聚的過程，但該機理忽略了顆粒的形狀等因素。Dong等[42]也發(fā)現(xiàn)顆粒重力在聲波團聚過程中不可忽視，因此研究其他團聚機理仍很有必要。

聲波尾流效應由Dianov等[43]在1968年提出，是指顆粒在流場中因壓力差而碰撞團聚[44]，表現(xiàn)形式如圖3所示。顆粒在聲場中做往復運動時，后方會形成一個低壓尾流區(qū)。當某一顆粒進入另一顆粒的低壓尾流區(qū)時，其運動阻力將會下降，從而加速向前方顆?？拷４铰暡ǖ南掳雮€周期，角色互換。兩顆粒在聲波尾流的作用下持續(xù)靠近，最終碰撞在一起并團聚[45]。

圖3 聲波尾流效應示意Fig.3 Sonic wake effect

Dianov的理論模型一直為學者們所沿用，直到半個多世紀后。2018年，Zhang等[44]發(fā)現(xiàn)該模型存在錯誤，并構(gòu)建了一種新的聲波尾流模型。新模型相較于原模型更加精確，并可用于高濃度氣溶膠的聲波團聚數(shù)值模擬。之后，張云峰等[46]發(fā)現(xiàn)顆粒放置角度會對聲波尾流效應造成影響，隨著放置角度的改變，顆粒之間的吸引和排斥作用隨之改變。

此外，聲致湍流指聲場強度在提升至某一閾值時，聲場內(nèi)會發(fā)生劇烈的相對運動，令聲場內(nèi)的顆粒相互靠近并團聚[47]。該機理也是學者們研究的重點機理之一。Chou等[48]發(fā)現(xiàn)慣性湍流對聲波團聚影響較大。Malherbe等[49]在前人的基礎(chǔ)上，進一步研究了不同類型湍流對聲波團聚過程的影響。他們發(fā)現(xiàn)擴散湍流對粒徑相差不大的顆粒影響大，而對于粒徑相差較大的顆粒，慣性湍流的影響更大。

2 聲波團聚在消除火災煙霧的應用

2.1 聲波團聚消煙方法的提出

氣溶膠細顆粒是造成火災煙霧能見度低的主要因素，若能將其團聚，減少顆粒數(shù)量濃度，可以大幅提高火場能見度，起到消煙的效果。在此啟發(fā)下，Zhang等[35]將聲波團聚技術(shù)引入火災煙霧控制領(lǐng)域，在國際上首次提出聲波團聚消除火災煙霧的技術(shù)路線，并對該技術(shù)在實際火災中消除煙霧的潛在應用進行了討論。

聚苯乙烯作為生活中最常見的可燃物之一，燃燒后會產(chǎn)生大量濃郁的黑煙，對受困人員逃生造成極大阻礙。Zhang等[35]以聚苯乙烯為燃燒對象，收集聚苯乙烯燃燒煙霧進行實驗。實驗結(jié)果表明，初始狀態(tài)下的煙霧消光系數(shù)極高，透光度僅為0.24，人員身處該煙霧中時根本無法分辨方向，難以逃生。但在聲波的團聚作用下，這種能見度極低的煙霧卻在短時間內(nèi)被消除干凈，不再對人員逃生形成阻礙。此實驗證明了聲波團聚消煙方法的可行性。

在聲波消煙的實驗探究中，Zhang等[35]發(fā)現(xiàn)聲波對火災煙霧的團聚作用，在1.5 kHz時效果最佳，即存在最優(yōu)頻率。當頻率偏離該最優(yōu)值時，團聚效果大幅度降低。該現(xiàn)象與同向團聚定理所述一致，表明高低頻率之間存在某一頻率，使得大顆粒接近靜止狀態(tài)，而細顆粒仍隨氣體介質(zhì)發(fā)生振動[50]。同時，顆粒振動受到流體力學作用的影響，故聲波團聚實際上是一個耗能過程，具體表現(xiàn)為聲波功率與團聚效率成正比，直到相應的非線性效應顯著增加[51]。同時，在聲波團聚過程的早期，高濃度煙霧的團聚效率遠高于低濃度的煙霧，而在后期，這種差異趨于消失。

2.2 聲波團聚消煙的實驗結(jié)果

電纜作為火場中常見的可燃物，電纜煙霧在火災煙霧中占比較大。本文以電纜煙霧作為團聚對象，采用1.5 kHz聲源，進行聲波團聚消煙的實驗研究。由圖4可見，初始時刻收集的電纜煙霧顆粒濃度極高，光線經(jīng)過團聚室時形成明顯光路。而在施加聲場0.5 min后，光路強度明顯下降。1 min后，光路完全消失不見。這一現(xiàn)象是因為聲波團聚過程中，顆粒之間發(fā)生碰撞，使得細顆粒成長為大顆粒；重力作用下，大量超重的聚集顆粒發(fā)生沉降，降低了煙霧的數(shù)量和質(zhì)量濃度。結(jié)果，減弱了光的遮蔽效果，大大提高了煙霧可見度。

圖4 聲波團聚過程中的煙霧照片F(xiàn)ig.4 Photos of smoke during acoustic agglomeration

透光度是透射煙霧后的光強與入射光強的比值，可直觀反映煙霧疏密。圖5為團聚室內(nèi)透光度的變化情況。初始狀態(tài)下的團聚室內(nèi)透光度極低，僅為0.24。但對電纜煙霧施加聲場后，透光度在1 min內(nèi)就提高到了0.82。與之相較的自然沉降，在相同的時間內(nèi)，其透光度沒有明顯的變化。表明聲波團聚技術(shù)對電纜煙霧存在突出的團聚效果，可在短時間內(nèi)提高火場內(nèi)光線的透光度(即能見度)，為受困人員逃離火場提供便利。

圖5 有無聲波時透光度的變化趨勢Fig.5 Variation trend of transmittance with or without sound waves

本文使用尺寸為0.3 cm×0.3 cm的導電膠對電纜煙霧進行了采樣，將團聚前和團聚后的顆粒收集至導電膠上，拍攝掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscope,SEM)圖，如圖6所示。圖6(a)為電纜煙霧顆粒團聚前的微觀樣貌，呈現(xiàn)細小的鏈式結(jié)構(gòu)；使用頻率為1.5 kHz、聲功率為12 W的聲波對煙霧顆粒進行團聚，煙霧顆粒團聚后的微觀樣貌如圖6(b)所示，可見細顆粒在聲場中發(fā)生快速團聚，形成直徑約為100 μm的松散絮狀團聚體。

圖6 團聚前后顆粒粒徑變化Fig.6 Changes of particle size before and after agglomeration

2.3 聲波團聚用于火場消煙中的前景及挑戰(zhàn)分析

21世紀是我國城市化和經(jīng)濟發(fā)展的重要階段，城市高樓林立，建筑密度達到有史以來的峰值。同時，建筑物內(nèi)可燃物數(shù)量也不斷增加，致使火災發(fā)生的概率急劇增長。煙霧作為火場中最致命的因素，對受困人員產(chǎn)生巨大威脅[52]。學者為減少火災煙霧所帶來的巨大危害，提出多種煙霧控制手段?？蛇@些手段并不能很好地幫助火場受困人員逃生，火災煙霧對受困人員的威脅仍然存在，為火災煙霧控制領(lǐng)域?qū)ふ乙环N切實可行的控制手段勢在必行。

張光學等[53]提出的聲波消煙方法，與依托自然通風系統(tǒng)的防煙法相比較，不易受風向等諸多因素影響，消煙效果較好。而與排煙法相比，聲波消煙不會帶來新鮮空氣，對被困人員逃生不會造成威脅。同時，聲波消煙還具備作用時間短這一優(yōu)勢，1 min內(nèi)就能很大程度上消除火場內(nèi)充斥的煙霧，為人員安全逃離火場提供保障。

然而，微細顆粒的團聚與解團聚、分散是一個復雜而又動態(tài)、受多種因素影響的非穩(wěn)態(tài)平衡過程。從SEM圖中不難發(fā)現(xiàn)，微粒并不是簡單的、大小不一的剛性粒子，而是可能不會彈性碰撞的、有各種聚合狀態(tài)可以斷裂、分散，也可能纏繞成團的族狀聚合物，需要對微粒的成分組成、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和聚集狀態(tài)展開進一步研究。而火場作為開放環(huán)境，在無人機等裝置無法靠近的情況下，如何形成有限空間，并最大限度上減少距離導致的聲強衰減和能耗，也是不可忽視的因素。

基于上述挑戰(zhàn)，今后聲波團聚消煙的研究分為兩方面：一方面是對微細顆粒本身及團聚環(huán)境的研究，另一方面則是研究如何在火場中保持一定的團聚效果。此外，在走向?qū)嶋H應用的過程中，操作技術(shù)與工藝、設(shè)備上也有許多因素需要考慮，做出較大改進勢在必行。

3 結(jié)論

聲波團聚技術(shù)在經(jīng)過近百年的發(fā)展后，在實驗及機理兩個不同方面上都取得了極大進展。近年來，學者們在聲波團聚與其他團聚方式的多元耦合方法上取得一定進展，且對聲波尾流的模型做出修正。而聲波消煙方法的提出，更是將聲波團聚技術(shù)應用于一個新的領(lǐng)域中，為火災煙霧控制領(lǐng)域提供了新的思路和方法。本文在對聲波消煙技術(shù)進行闡述的基礎(chǔ)上，對另一種火場內(nèi)常見煙霧展開實驗，得到的團聚效果顯著。這也進一步佐證了聲波消煙方法的可行性與優(yōu)越性。

聲波消煙方法雖在實驗室的研究中取得一定進展，但在走向?qū)嶋H應用的過程中仍存在一些挑戰(zhàn)，需要展開更多的實驗研究，并在操作技術(shù)、設(shè)備上做出較大改進。若能把這些挑戰(zhàn)一一克服，將聲波消煙作為一種有效控煙手段應用于實際火場中，可為被困人員迅速撤離提供強有力的保障。