含添加劑水霧抑滅單基藥火焰的小尺度實(shí)驗(yàn)研究

［摘 要］ 為探究含不同性質(zhì)添加劑的水霧對(duì)單基火藥燃燒抑滅性能的影響，在自主搭建的火藥燃燒及滅火平臺(tái)上開展純水霧與含Na2SO3、FeCl2、K2CO3、KHCO3添加劑的水霧對(duì)單基火藥燃燒抑滅性能的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究滅火過程中溫度、輻射熱流、火焰形態(tài)等的變化。結(jié)果表明：含還原性（Na2SO3、FeCl2）和非還原性（K2CO3、KHCO3）添加劑的水霧抑滅性能明顯優(yōu)于純水霧，滅火時(shí)間更短。含非還原性添加劑的水霧在低濃度下抑滅效果較差，當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升至3%以上時(shí)，抑滅效果顯著提升；含還原性添加劑水霧對(duì)單基藥的抑滅性能在各添加劑濃度下均優(yōu)于含非還原性添加劑的水霧，且隨著添加劑濃度的增大，抑滅性能表現(xiàn)出飽和性。

［關(guān)鍵詞］ 單基火藥；水霧；抑滅性能；滅火機(jī)理

［分類號(hào)］ TQ560.7

Small-Scale Experimental Study on the Suppression of Single Base Propellant Flames by Water Mist Containing Additives

DU Yuxuan①，SI Zhenkuan①②，WANG Shuai③，YANG Manjiang③，LI Quanwei①

①School of Chemistry and Chemical Engineering， Nanjing University of Science and Technology （Jiangsu Nanjing， 210094）

②Servo Technology Institute of China Aerospace Science and Industury Corporation （Jiangsu Nanjing， 210006）

③China Ship Development and Design Center （Hubei Wuhan， 430064）

［ＡＢＳＴＲＡＣＴ］

In order to investigate the influence of additives with different properties on the fire suppression perfor-mance of water mist on single base propellant， a comparative experiment of single base propellant combustion and suppression was conducted on a self-built platform. It compared the performance of pure water mist and water mist containing Na2SO3， FeCl2， K2CO3 and KHCO3 additives in suppressing the combustion of single base propellants. Changes in tempe-rature， radiant heat flux， and flame morphology during the fire suppression process were studied. The results show that the fire suppression performances of water mist containing reducing additives （Na2SO3， FeCl2） or non-reducing additives （K2CO3， KHCO3） are significantly better than that of pure water mist， with shorter extinguishing time. The performances of water mist containing non-reducing additives in suppressing single base propellant fires is poor at low concentrations. When the mass fraction of non-reducing additives rises above 3%， the fire extinguishing ability is significantly improved. The fire suppression performances of water mist containing reducing additive are superior to that of water mist containing non-reducing additive at all concentrations. In addition， as the increase of the concentration of reducing additive， the fire suppression performance is saturated.

［KEYWORDS］ single base propellant; water mist; fire suppression performance; fire extinguishing mechanism

0 引言

含能材料是各類武器火力系統(tǒng)完成彈丸發(fā)射、實(shí)現(xiàn)火箭和導(dǎo)彈運(yùn)載的動(dòng)力源［1］。同時(shí)，它也是重要的軍民通用產(chǎn)品（工業(yè)炸藥及民用爆破器材等），為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展提供支持，在現(xiàn)在和可預(yù)見的未來，仍然不可替代［2］。然而，由于自身包含氧化劑和還原劑，含能材料在一定的外界能量作用下，能夠短時(shí)間內(nèi)發(fā)生劇烈的燃燒甚至爆炸，在設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、制備、生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、使用和銷毀等各個(gè)階段，都存在著極高的燃燒、爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

早在20世紀(jì)80年代，美國政府就開始改進(jìn)含能材料行業(yè)的消防系統(tǒng)。美國Tyndall空軍基地的的研究人員研究出應(yīng)用于火炸藥企業(yè)的超高速噴水滅火系統(tǒng)（AFPDS）［3-4］以及它的改進(jìn)版——爆炸點(diǎn)火滅火系統(tǒng)（BIDS）［5］。Fike公司對(duì)AFPDS和BIDS系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)估，通過不同的煙火藥劑和推進(jìn)劑的測(cè)試結(jié)果可以看出，AFPDS與BIDS滅火系統(tǒng)可以有效地抑制火災(zāi)的發(fā)生［6］。法國國營(yíng)火炸藥公司SNPE的大規(guī)模研究表明，360 kg的水墻能有效抑制100 kg的Iremite 4000炸藥燃燒爆炸引起的火災(zāi)［7］。

程山等［8］分析了固體推進(jìn)劑的組成、燃燒特性和用于安全滅火的滅火劑的可行性，認(rèn)為最適合抑制固體推進(jìn)劑火災(zāi)的滅火劑為水系滅火劑。陳戰(zhàn)斌［9］自行搭建了固體推進(jìn)劑火災(zāi)熄滅實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了水在不同釋放條件下對(duì)雙基藥燃燒的滅火效果；結(jié)果表明：噴頭類型、噴射壓力等因素對(duì)撲滅推進(jìn)劑火焰起著至關(guān)重要的作用。司振寬等［10］研究了水霧對(duì)雙基火藥燃燒的抑制作用，對(duì)雙基藥施加不同壓力的水霧進(jìn)行滅火實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)后的殘余液體進(jìn)行紅外光譜分析。

衛(wèi)欣欣等［11］在實(shí)驗(yàn)中使用水霧抑制黏塑性炸藥PBXN-5燃燒；結(jié)果表明：水霧對(duì)PBXN-5的燃燒有很好的抑制效果。Willauer等［7］研究了細(xì)水霧對(duì)50磅（22.7 kg）當(dāng)量的TNT和Destex在室內(nèi)爆炸產(chǎn)生的超壓的影響。

上述普通的純水滅火系統(tǒng)僅發(fā)揮了物理作用，滅火效率較低，存在一定的局限性。因此，使用含有添加劑的水來抑滅火焰逐漸成為了滅火領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

20世紀(jì)60年代，研究人員開始探索通過在水中加入可溶性添加劑來提高水的滅火性能。Kida［12］研究發(fā)現(xiàn)，在水中加入堿金屬鹽對(duì)固體火和油池火的抑制和滅火的效率有顯著提升。此后，Chow等［13］研究發(fā)現(xiàn)，含NaCl添加劑的水霧作用于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的燃燒表面時(shí)，NaCl可能參與了滅火反應(yīng)。張?zhí)煳。?4］使用改進(jìn)的杯式燃燒器對(duì)含6種鉀鹽添加劑細(xì)水霧的最小滅火濃度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，與純水霧實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了比較，證明含鉀鹽添加劑的細(xì)水霧具有化學(xué)滅火效能。這些含添加劑水霧的滅火性能研究結(jié)果均來源于常規(guī)火災(zāi)的場(chǎng)景，但對(duì)于含能材料火災(zāi)的適用性及滅火性能的影響鮮有研究。

發(fā)射藥是一類比較典型的含能材料，常用作身管類武器的發(fā)射動(dòng)力［15］。其中，又以單基藥的應(yīng)用最為悠久和廣泛［16］。為此，特以七孔單基藥柱作為研究對(duì)象，利用自行搭建的小尺度滅火實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究添加劑類型及含量對(duì)水霧抑制單基藥火焰的影響，并結(jié)合火藥燃燒理論推測(cè)影響機(jī)制，以期為含能材料滅火技術(shù)提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

滅火實(shí)驗(yàn)在封閉的鐵制集裝箱內(nèi)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自行搭建。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

采用便攜式細(xì)水霧滅火系統(tǒng)，熱電偶、熱流計(jì)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，用于測(cè)量實(shí)驗(yàn)過程中的溫度和輻射熱通量數(shù)據(jù)。采用WRNK-191型（K型）鎧裝熱電偶，相鄰間距為1.5 cm；采用HS-30B型輻射熱流傳感器，距藥柱10 cm；采用FASTCAM Mini UX50型高速攝像機(jī)，架設(shè)在實(shí)驗(yàn)臺(tái)正前方，距離藥柱0.3 m，用于火藥燃燒及滅火過程的圖像采集。此外，為防止空氣流通對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)關(guān)閉集裝箱門。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)計(jì)

選擇圓柱形七孔單基火藥：截面直徑8 mm，長(zhǎng)16 mm，質(zhì)量約為1.3 g。根據(jù)已有研究成果［17-20］，選取了4種預(yù)期滅火效果較好的金屬鹽添加劑，分別為：K2CO3和KHCO3（非還原性）、Na2SO3和

FeCl2（還原性）。添加劑在去離子水溶液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別取1%、 2%、 3%、 4%和5%，以此來制備水霧。

在實(shí)驗(yàn)間進(jìn)行純水霧及上述含添加劑的水霧滅火實(shí)驗(yàn)：將藥柱對(duì)準(zhǔn)水霧噴頭的正下方，固定于燃燒平臺(tái)上，調(diào)試高速攝影系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)到待機(jī)狀態(tài)。對(duì)火藥進(jìn)行點(diǎn)火后，迅速釋放水霧，觀察燃燒平臺(tái)無火焰后，關(guān)閉噴頭。

2 結(jié)果和分析

2.1 滅火時(shí)間

圖2展示了含不同添加劑的水霧對(duì)應(yīng)的滅火時(shí)間與添加劑含量的關(guān)系。

由圖2可知，對(duì)于非還原性添加劑：使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%和2%的KHCO3水霧對(duì)單基藥火焰進(jìn)行滅火時(shí)，滅火均失?。皇褂觅|(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%和2% 的K2CO3水霧對(duì)單基藥進(jìn)行滅火時(shí)，滅火時(shí)間分別為11.4 s和10.0 s（均大于無添加劑水霧的滅火時(shí)間），滅火效能不佳。這可能是由于：一方面，鉀鹽的存在會(huì)影響純水內(nèi)部的傳熱，使純水蒸發(fā)速率減慢，從而減緩純水相變吸熱速率［21］;同時(shí)，在純水中加入可溶性無機(jī)鹽，還會(huì)降低水的飽和蒸氣壓［22］，同樣會(huì)減弱其相變吸熱速率。另一方面，鉀鹽的添加又有助于發(fā)揮對(duì)火焰的化學(xué)抑制作用，這兩者之間存在一定的矛盾，在添加劑濃度較低時(shí)，化學(xué)抑制作用的增強(qiáng)尚不足以抵消相變吸熱速率減緩的影響。但隨著添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增加，這兩方面作用的強(qiáng)弱關(guān)系發(fā)生反轉(zhuǎn)；此后，含KHCO3與K2CO3水霧的滅火效果均優(yōu)于純水霧。這可能是因

為當(dāng)含添加劑的水霧被釋放進(jìn)入火焰區(qū)后，液滴能夠迅速蒸發(fā)，鉀鹽脫水析出，并在高溫火焰和水蒸氣的活化作用下生成滅火活性組分KOH［14］，該過程會(huì)使水霧的化學(xué)滅火作用顯著增強(qiáng)，進(jìn)而抑制單基藥的繼續(xù)燃燒。當(dāng)使用KHCO3作為添加劑時(shí)，除上述反應(yīng)外，KHCO3還能產(chǎn)生CO2，稀釋燃燒區(qū)的氧氣，雖然火藥自身含有氧化劑，CO2的窒息作用有限，但一定程度上也能起到抑制火焰的作用。當(dāng)使用K2CO3添加劑時(shí)，隨著K2CO3濃度的增加，相應(yīng)的滅火時(shí)間呈現(xiàn)出先減小、后增大的趨勢(shì)，這說明在一定的濃度范圍內(nèi)，K2CO3的化學(xué)滅火作用顯著增強(qiáng)，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，滅火時(shí)間最短，滅火性能最佳。因此，可推測(cè)K2CO3在質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%～ 5%之間存在一個(gè)最佳濃度。

對(duì)于還原性添加劑：由圖2可知，Na2SO3和FeCl2在各濃度條件下的滅火時(shí)間均遠(yuǎn)小于純水霧的滅火時(shí)間；并且，還原性添加劑的總體滅火效果優(yōu)于非還原性添加劑。據(jù)推測(cè)，這可能是由于含有還原性添加劑的水霧進(jìn)入燃燒區(qū)后，單基藥凝聚相反應(yīng)區(qū)分解的中間產(chǎn)物NO2與還原性的Na2SO3和FeCl2發(fā)生如下的氧化還原反應(yīng)［23］：

NO2+Na2SO3N2+Na2SO4；（1）

Fe2++NO2+H+Fe3++NO+H2O。（2）

由此可見，一部分NO2被還原性物質(zhì)吸收，從而無法參與到嘶嘶區(qū)的分解反應(yīng)中（嘶嘶區(qū)的熱量釋放占燃燒釋放熱量的40%［24-25］），進(jìn)而一定程度上抑制了單基藥的燃燒。此外，在滅火過程中，水霧本身對(duì)火焰具有壓制、切割作用，可以破壞火藥的燃燒波結(jié)構(gòu)，且水霧與高溫火焰接觸后會(huì)發(fā)生相變，吸收燃燒區(qū)域的大量熱量，降低火焰溫度和燃燒面的熱分解速率，從而與化學(xué)作用共同抑制燃燒。當(dāng)使用含Na2SO3和FeCl2添加劑的水霧滅火時(shí)，滅火能力均隨著添加劑濃度的增加而增強(qiáng)，且對(duì)單基藥燃燒的抑制能力明顯強(qiáng)于K2CO3和KHCO3。但值得注意的是：當(dāng)Na2SO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于3%時(shí)，滅火效率隨添加劑濃度的增加提高甚微，這說明含Na2SO3添加劑的水霧存在一個(gè)極限滅火濃度。

2.2 滅火動(dòng)態(tài)過程

為了探究滅火過程中的火焰特性，使用高速攝像機(jī)對(duì)滅火過程進(jìn)行了拍攝。對(duì)于非還原性添加劑，以K2CO3為例，

圖3展示了單基藥在含質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的K2CO3水霧作用下的火焰形態(tài)變化。火藥

被引燃后，迅速發(fā)展，火焰膨脹變大；在2.41 s時(shí)，釋放含質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的K2CO3水霧，可以看到

火焰立即受到強(qiáng)烈擾動(dòng)，穩(wěn)定燃燒狀態(tài)被打破；3.70 s時(shí)，火焰已經(jīng)被切割和壓制，火焰高度降低將近一半；持續(xù)施加水霧，使水霧進(jìn)入火焰中心及燃面，約7.00 s后，火焰高度被壓制在2 cm以下，但仍未熄滅；火焰燃燒越來越不穩(wěn)定，7.00～11.50 s時(shí)間段內(nèi)火焰持續(xù)波動(dòng);在10.30 s時(shí)，可以明顯觀察到燃

面處的火焰被割裂成兩瓣，燃面近乎裸露;11.50 s

后，火焰進(jìn)入迅速衰滅階段;12.00 s時(shí)，明火消失，灼熱的燃面仍在進(jìn)行著氧化還原反應(yīng);12.31 s時(shí)，徹底熄滅。

對(duì)于還原性添加劑，以Na2SO3為例，圖4展示了單基藥在含質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的Na2SO3水霧作用下的火焰形態(tài)變化。火藥被引燃后，迅速膨脹，發(fā)出強(qiáng)烈的火焰;在3.92 s時(shí)，釋放含2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Na2SO3的水霧進(jìn)行滅火，火焰瞬間受到水霧的壓制和撕裂。隨著水霧持續(xù)地被施加到火焰區(qū)，對(duì)火焰進(jìn)行了有效抑制，火焰體積明顯變小，不穩(wěn)定性也增大；與此同時(shí)，Na2SO3在高溫下分解吸熱，降低燃燒區(qū)溫度，對(duì)單基藥火焰起到一定降溫作用；火焰變?nèi)鹾螅琋a2SO3的水霧更容易穿過火焰區(qū)到達(dá)燃燒面，Na2SO3與凝聚相反應(yīng)區(qū)分解產(chǎn)生的NO2發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致部分NO2氣體無法進(jìn)入嘶嘶區(qū)與其他中間產(chǎn)物繼續(xù)反應(yīng)，從而減小了嘶嘶區(qū)的放熱量（嘶嘶區(qū)放熱量減少會(huì)導(dǎo)致不足以維持固相預(yù)熱區(qū)和表面反應(yīng)區(qū)的穩(wěn)定狀態(tài)）；7.61 s時(shí)，火焰完全熄滅。

對(duì)比圖3和圖4可知：當(dāng)含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的K2CO3水霧被釋放后，單基藥火焰受到一定程度的壓制，形態(tài)出現(xiàn)明顯變化，但并未迅速熄滅，在釋放水霧后的前7.00 s內(nèi)，火焰的面積沒有明顯縮小，且滅火過程持續(xù)約10.00 s；而當(dāng)含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的Na2SO3水霧被釋放時(shí)，火焰被迅速約束，面積在約1.00 s后大幅度縮小，僅用3.40 s就完成滅火，滅火時(shí)間比前者縮短66%。這充分表明：當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，Na2SO3對(duì)單基藥燃燒的化學(xué)抑制程度明顯大于K2CO3。結(jié)合圖2的數(shù)據(jù)可以得出，相比于含非還原性添加劑的水霧，含還原性添加劑的水霧抑制單基藥的燃燒有更加顯著的優(yōu)勢(shì)。

2.3 熱電偶溫度變化

為了對(duì)比含不同種類添加劑的水霧對(duì)單基藥燃燒的抑制作用，用K型鎧裝熱電偶實(shí)時(shí)測(cè)量并記錄了實(shí)驗(yàn)過程中的火焰溫度。如圖1所示，熱電偶從上到下依次編號(hào)為1#、 2#、 3#。圖5分別是自由燃燒、純水霧、含質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的K2CO3（非還原性添加劑）和3%Na2SO3（還原性添加劑）水霧抑滅火焰過程中的熱電偶溫度測(cè)試曲線。

如圖5（a）所示，自由燃燒條件下，距燃面最近的3#熱電偶的溫度在11 s之內(nèi)迅速升高至最大值989.9 ℃，并持續(xù)燃燒約6 s，直至藥柱燃盡后熄滅。

如圖5（b）所示，使用純水霧滅火時(shí)，水霧對(duì)單基藥火焰溫度的升高有著比較明顯的抑制作用，按照熱電偶序號(hào)由大到小排序，對(duì)應(yīng)的最高溫度分別為439.4、 175.3、 113.0 ℃。

如圖5（c）所示，使用含質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的K2CO3水霧滅火時(shí)，熱電偶在4 s時(shí)刻對(duì)應(yīng)的最高溫度分別為230.1、 91.6、 81.3 ℃，比純水霧滅火時(shí)降低了47.6%、 47.7%、 28.1%，且在4 s后完成滅火，迅速降至室溫。

如圖5（d）所示使用含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的Na2SO3水霧滅火時(shí)，在6 s時(shí)刻熱電偶對(duì)應(yīng)的最高溫度分別為120.2、 86.0、 61.3 ℃，比使用純水霧滅火時(shí)降低了72.6%、 50.9%、 45.8%，比使用含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的K2CO3水霧滅火時(shí)降低了47.8%、 6.1%、 24.6%。

對(duì)比圖5（b）～ 圖5（d）可以看出，使用含有不同添加劑的水霧滅火時(shí)，熱電偶溫度達(dá)到峰值后降溫的趨勢(shì)明顯不同。含添加劑的水霧滅火時(shí)，高溫持續(xù)時(shí)間比純水霧滅火時(shí)大幅縮短，表明單基藥火焰在含添加劑的水霧作用下是很快被撲滅的，這也印證了添加劑對(duì)單基藥燃燒抑制的有效性。

通過上述分析可以得出，3種水霧的火焰抑滅性能從強(qiáng)到弱排序?yàn)椋汉|(zhì)量分?jǐn)?shù)3%Na2SO3的水霧、含質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%K2CO3的水霧、純水霧。由此可以推斷出，在3%質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，含還原性添加劑的水霧滅火性能顯著優(yōu)于含非還原性添加劑的水霧。

2.4 輻射熱流變化

滅火過程中，火焰輻射熱流的變化是表征滅火效果的指標(biāo)之一。因此，在實(shí)驗(yàn)過程中用熱流計(jì)測(cè)量并記錄了火焰的熱通量。

如圖6（a）所示，單基藥自由燃燒狀態(tài)下的火焰熱通量曲線與溫度曲線的趨勢(shì)一致。火藥被點(diǎn)燃后，熱通量迅速增大，在溫度達(dá)到最高時(shí)，火焰最大熱通量也達(dá)最大值794.7 W/m2；

隨后，隨著火焰的熄滅，熱通量也逐漸降低。當(dāng)純水霧作用于單基藥時(shí)，最大熱通量為480.0 W/m2。

如圖6（b）所示：當(dāng)含質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%K2CO3的水霧作用于單基藥火焰時(shí)，火焰最大熱通量達(dá)845.3 W/m2，說明低濃度的K2CO3對(duì)單基藥火焰抑制效果不佳；隨著K2CO3濃度的增加，火焰熱通量大幅降低，含質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%K2CO3的水霧作用于單基藥時(shí)，火焰最大熱通量?jī)H為164.7 W/m2，說明水霧中K2CO3濃度的增加對(duì)抑制單基藥燃燒的能力有較大提升，這與2.1中滅火時(shí)間所反映的抑滅性能趨勢(shì)是一致的。

如圖6（c）所示，當(dāng)含質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%～ 5%Na2SO3的水霧作用于單基藥火焰時(shí)，火焰最大熱通量均低于300 W/m2，說明含Na2SO3的水霧抑滅性能明顯優(yōu)于純水霧和含K2CO3的水霧。當(dāng)含質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%Na2SO3的水霧作用于單基藥火焰時(shí)，火焰最大熱通量?jī)H為100.6 W/m2，說明在該條件下單基藥熱分解和燃燒受到了強(qiáng)烈的抑制，此時(shí)火焰對(duì)藥柱凝聚相反應(yīng)區(qū)的熱反饋非常有限。

由上述分析可知，從火焰最大熱通量角度比較各種水霧的抑滅性能，由強(qiáng)到弱排序：含Na2SO3的水霧、含K2CO3的水霧、純水霧。因此可以推斷，還原性添加劑的抑滅性能優(yōu)于非還原性添加劑。

2.5 降溫速率對(duì)比

為了對(duì)比不同添加條件下水霧對(duì)單基藥火焰降溫的差異，對(duì)最貼近火焰的測(cè)點(diǎn)的溫度變化速率進(jìn)行提取，定義為降溫速率，具體計(jì)算方式：

Dt=Tt′-Ttt-t′ 。（3）

式中：Dt為時(shí)間片t之內(nèi)的溫度下降速率;t′和t分別為該時(shí)間片的起始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻；Tt′和Tt分別為t′ 和t時(shí)刻的溫度；在計(jì)算時(shí)，t-t′=1 s。

圖7為含不同添加劑的水霧滅火時(shí)火焰的降溫速率變化。當(dāng)含質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%K2CO3的水霧作用于火焰時(shí)，瞬時(shí)最大降溫速率達(dá)到-52.55 ℃/s，此時(shí)火

焰熄滅；而在使用含低濃度K2CO3的水霧時(shí)，由于其滅火能力較弱、時(shí)間較長(zhǎng)，火焰最大降溫速率

所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻延后。使用含Na2SO3的水霧滅火時(shí)，1%、 2%、 3%和4%質(zhì)量分?jǐn)?shù)作用下，火焰溫度急速下降，最大降溫速率分別達(dá)-77.35、-47.80、-37.55 ℃/s和-61.75 ℃/s；而5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，降溫速率僅為-3.70 ℃/s，這是實(shí)驗(yàn)時(shí)滅火過程中滅火迅速，燃燒時(shí)間短暫導(dǎo)致的。

對(duì)比圖7（a）和圖7（b），含K2CO3水霧滅火的平均最大降溫速率為-42.90 ℃/s，而含Na2SO3水霧滅火的平均最大降溫速率為-56.11 ℃/s，比含K2CO3水霧作用下提高了30.79%。結(jié)合2.1中滅火時(shí)間可以發(fā)現(xiàn)，含還原性添加劑Na2SO3的水霧對(duì)單基藥燃燒的抑制作用明顯優(yōu)于含非還原性添加劑K2CO3的水霧。

3 結(jié)論

通過開展含添加劑水霧抑滅單基藥火焰的小尺度實(shí)驗(yàn)，從火焰溫度、火焰形態(tài)、輻射熱流、降溫速率等方面，分析了水霧對(duì)單基藥火焰的抑滅特性。實(shí)

驗(yàn)結(jié)果表明，不同種類的添加劑在不同程度上提高了水霧對(duì)單基藥火焰的抑滅能力，得到的結(jié)論如下：

1）K2CO3、KHCO3、Na2SO3、FeCl2 4種金屬鹽添加劑均可提高水霧對(duì)單基藥火焰的抑滅性能。含不同類型添加劑的水霧抑制單基藥火焰的能力由高到低排序?yàn)椋汉€原性添加劑的水霧、含非還原性添加劑的水霧、純水霧。

2）含非還原性添加劑的水霧在低添加劑濃度下抑滅單基藥火焰的性能較差。當(dāng)添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3%，抑滅效果顯著提升，且含K2CO3的水霧在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～ 5%內(nèi)存在最佳滅火濃度。

3）使用Na2SO3和FeCl2作為添加劑時(shí)，水霧對(duì)單基藥火焰抑滅性能的提升具有飽和性，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3%以后，隨著添加劑濃度的增加，抑滅性能不再顯著提升。

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收稿日期：2023-07-13

第一作者：杜宇軒（1997—），男，碩士，主要從事含能材料火災(zāi)消防技術(shù)研究。E-mail：dyx9810@163.com

通信作者：李權(quán)威（1983—），男，副教授，主要從事含能材料火災(zāi)防治原理及技術(shù)等方面的研究。E-mail：liqw83@163.com