（工程热物理专业论文）细水雾与液体燃料火焰相互作用的实验研究与数值分析.pdf

摘要 细水雾灭火技术以其无环境污染、灭火迅速、耗水量少、对防护对象破坏 性小等特点展示出广阔的应用前景，以此为工程背景，开展了细水雾与汽油、 酒精小尺度油池火焰相互作用的实验研究。采用热电偶测温系统和数码摄像机 等测量了油池火焰液相、气相温度变化特性和燃烧场动态变化特征；定量研究 了油池预燃时间、喷雾气压及气源种类、可燃液体类别等因素对细水雾灭火过 程的影响。 在实验基础上，建立了液体燃料液相温度变化的零维模型，定量给出了液 体燃料平均温度的变化规律，理论计算结果与实验数据吻合较好。 建立了细水雾与液体燃料火焰相互作用的两相流模型，利用f l u e n t 软件模 拟了细水雾与液体燃料火焰作用的全过程，获得了该过程中温度、组分浓度、 燃烧速率等参数在不同时刻沿径向的变化规律。 关键词细水雾，小尺度油池火，扩散火焰，温度测量，灭火 a b s t r a c t t h ea d v a n t a g e so fw a t e rs u p p r e s s i o nt e c h n o l o g y , i n c l u d i n ge n v i r o n m e n tf r i e n d l y , f a s te x t i n g u i s h m e n t ，l o ww a t e rc o n s u m p t i o n ，a n dw i d ea p p l i c a t i o n ，h a v er e c e i v e d c o n s i d e r a b l ea t t e n t i o ni ni n t e r n a t i o n a lf i r es a f e t yr e s e a r c hf i e l d b a s e do nt h i sa d v a n c e d f i r e p r o t e c t i o nt e c h n o l o g y , e x p e r i m e n t s o fw a t e rm i s ti n t e r a c t i o nw i t hs m a l l s c a l e p e t r o l e u m a n dm e t h a n o lp o o lf i r e sa r ec a r r i e do u t t h e r m o c o u p l e st e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n ts y s t e m sa n dd i g i t a lv i d e o c a m e r aa r e e m p l o y e d t om e a s u r et h e t i m e d e p e n d e n tt e m p e r a t u r ep r o f i l e s ，i nb o t ht h el i q u i da n dg a sp h a s e p a r a m e t r i cs t u d i e s a r ep e r f o r m e dt od e t e r m i n et h ee f f e c to ft h ep r e i g n i t i o nt i m e ，g a sp r e s s u r ea n dt y p e so f l i q u i df u e lo ne n t r a i n m e n ta n ds u p p r e s s i o no f p o o lf i r e s az e r o t hm o d e lo fl i q u i df u e lt e m p e r a t u r ep r o f i l ei sd e v e l o p e d t h er e s u l t sa r e r e p o r t e di nt e r m so fl i q u i dp o o lm e a nt e m p e r a t u r ec h a n g ew i t ht i m e ，a n dt h en u m e r i c a l r e s u l t sa g r e ew e uw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a at w o p h a s em o d e lo fw a t e rm i s ti n t e r a c t i o nw i t hl i q u i dp o o lf i r e si sd e v e l o p e d c o m m e r c i a ls o f t w a r ef l u e n ti su s e dt os o l v eb o t ht h ec o m b u s t i o na n df i r es u p p r e s s i o n p r o c e s s e s t y p i c a lp a r a m e t e r ss u c ha st e m p e r a t u r e ，s p e c i e sc o n c e n t r a t i o na n dc o m b u s t i o n r a t ea r ei n v e s t i g a t e di nt e r m so ft i m ec h a n g ei nt h er a d i a ld i r e c t i o n k e y w o r d sw a t e rm i s t ，s m a l l s c a l el i q u i dp o o lf i r e ，d i f f u s i o nf l a m e t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，f i r es u p p r e s s i o n 1 i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 2 曼坌蜀加谚年月彩日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 矽玎年6 月“日 硕士论文 细水雾与液体燃料火焰相互作用的实验研究与数值分析 1 绪论 1 1 课题背景及意义 随着人类对自身生存环境重视程度的不断提高，随着人类环保意识的不断加 强，“绿色”、“环保”及可持续发展成为新千年人类生活的重要主题。根据蒙特 利尔议定书，卤代烷灭火剂将被禁止使用，所有卤代烷灭火系统必然被淘汰。水 作为最原始的灭火剂，因其本身的特性所致，在某些场所的应用受到限制，人们开 始寻找哈龙、二氧化碳等替代灭火剂，但在环保日益受到重视的今天，水又重新受 到重视。细水雾灭火系统类似于自动喷淋、固定水喷雾、二氧化碳和哈龙灭火系统， 在许多方面可以看作是上述系统的综合。在灭火效果、工程造价、环境保护、二次 灾害损失等各方面综合比较，细水雾灭火系统优于传统的气体灭火系统和水喷雾、 水喷淋灭火系统，已经越来越多地被用户采用。 如今广泛使用的是卤代烷1 3 0 1 气体灭火剂，其主要优点在于低灭火浓度下仍 能高效地灭火，且其毒性较小。此外，1 3 0 1 灭火剂扩散迅速，灭火后残余量小，不 导电，对被防护对象破坏小等特点使得其广泛使用。但是，哈龙1 3 0 1 灭火剂属于 卤化氢，即由碳、氢以及一种或几种卤素( 氟、氯、溴或碘) 组成的物质，因而对 大气臭氧层有破坏作用。自1 9 8 7 年蒙特利尔公约规定出台以来，世界各国广 泛开展了寻求哈龙替代物的研究工作。 寻求哈龙替代物时要考虑以下的灭火准则： ( 1 ) 灭火有效性 ( 2 ) 对被保护对象的输送速率 ( 3 ) 灭火剂的毒理学 ( 4 ) 是否破坏大气臭氧层 ( 5 ) 对大气的影响( 主要考虑是否引起温室效应) ( 6 ) 分解产物的环境影响 ( 7 ) 存储稳定性 ( 8 ) 与设备的兼容性( 即是否会造成设备腐蚀而引起泄漏) ( 9 ) 容积效率( 与卤代烷1 3 0 1 相比，为达到灭火浓度所需灭火剂的容积) ( 1 0 ) 硬件布置以及灭火剂成本 ( 1 1 ) 灭火剂施加时的可见度 ( 1 2 ) 持续存在时间长度 ( 1 3 ) 灭火后的残余物 i a n 等人 1 】根据以上准则，考察了几种哈龙1 3 0 1 替代灭火剂的选择方法。所考 虑的替代物包括f m - 2 0 0 ( h f c - 2 2 7 e a ) ，y n o d i d e ( c f 3 i ) ，p y r o g e n ( 全淹没式的气 硕士论文 细水雾与液体燃料火焰相互作用的实验研究与数值分析 溶胶灭火剂) ，n a f s 一1 ( h c f c 混合物) ，i n e r g e n ( 惰性气体混合物，包括5 2 氮 气，4 0 氩气和8 的二：氧化碳) ，c 0 2 和细水雾。当不考虑应用场合，而对各种灭 火准则取等值的权重系数时，得到的量化选择指标表明，t r i o d i d e ，p y r o g e n ，i n e 陀e n 和细水雾均可以作为哈龙1 3 0 1 的理想替代物，但是如果考虑各种不同的应用场合， 并相应给予各准则不同的权重系数，具体权重系数参见i a l l 等”，则细水雾较其余 几者占优。 细水雾灭火技术具有无环境污染、灭火迅速、耗水量低、对保护对象破坏性小 等特点，可用于扑灭a 类、b 类、c 类火灾及带电电气设备火灾，但不适用于扑灭 d 类活泼金属火灾。细水雾可适用于计算机房、通讯机房、控制室、贵重设备室、 磁带库、图书馆、档案库、珍品库、配电房、发电机房、油浸变压器室、变电室、 液压设备、除尘设备、喷漆生产线等场所或设备的消防保护。另外，还可以应用于 一些化工设备的降温，及环保上的降尘和控温。细水雾灭火方式可采用局部保护或 全淹没方式。 1 2 国内外研究现状 对细水雾灭火技术的早期研究主要集中在设法获得工程设计参数，以证明细水 雾确实可以在各种应用场合下代替哈龙灭火剂。所研究的应用场合包括：喷雾和油 池火灾2 4 ，航空飞行器舱内火灾 5 - 8 】，船舰设备和发动机室火灾以及船舱火灾”。 随着研究的深入，已经证明细水雾的确是哈龙灭火剂的理想替代物之，研究 的重心逐渐转到了细水雾的灭火机理上来。 r a s b a s h 等人在2 0 世纪7 0 年代最早开始了细水雾灭火机理的研究 1 4 - l 6 1 ，同一 时期b r m d e c h 等人也开展了这方面的研究。r a s b a s h 等人 1 6 首先进行了开放空间 内细水雾与火焰直接作用的系统研究，用直径o 3 m 的油池对五种不同液体进行了 研究，实验中从油池上方1 7 5 m 处施加细水雾。灭火情况可以分为两组：第一组中 火焰尺度逐渐减小，并且在火焰扑灭后难以复燃。这一组的灭火机理是水雾对燃油 表面的冷却效应而使得燃料蒸发率逐渐降低，或者说是水雾对燃料表面的稀释效 应。第二组中的灭火机理不是很明确，但是包含有火焰和液滴之间的传热作用，导 致火焰冷却，另外还有卷吸空气作用。对于火焰特征的描述也分两类：一种是不稳 定火焰，火焰尺度和形状连续变化，并且火焰常部分地或全部脱离液体燃料表面， 结果火焰常会复燃，但：有时也会熄灭。另一种是在液体燃料表面附近的稳定火焰。 后人的研究补充并证实了r a s b a s h 等人的发现。b r a i d e c h 等人【lh 观察到灭火主要是 由于雾滴蒸发引起的氧气稀释效应以及雾滴蒸发的冷却作用。n a k a k u k i 和 1 酞a h a s l i 认为细水雾卷吸空气( r a s b a s h 等人“第二种灭火情况”) 也是灭火的原 因之一，他们认为由于卷吸空气稀释了可燃蒸气浓度，并且有时候直接导致了火焰 堡主笙塞细水雾与液体燃料火焰相互作用的实验研究与数值分析 的“吹熄”。其他研究人员发表了很多灭火相关的数据，像w o l f e 和d e s i p i o 以及 k i m 等人 2 0 1 。 1 9 7 8 年s e s h a d r i 【2 l j 就开展了细水雾扑灭甲醇、乙醇以及木材回流火焰的研究。 其实验中采用了两相流雾化产生细水雾，从顶端施加细水雾，指出细水雾灭火是热 量传递引起的，而没有发生化学作用。1 9 9 6 年l e n t a t i 和c h e l l i a h l 2 2 1 模拟了细水雾扑 灭乙醇回流扩散火焰时雾滴的动力特性，结果显示非常细小的细水雾f 滴径不超过 l o , u m ) 在到达火焰面之前就蒸发掉了，而大液滴( 滴径不小于5 0 , u m ) 则能穿透 火焰。因而得到这时的灭火机理是气相冷却和氧气稀释效应。1 9 9 5 年l i 等人 2 3 】研 究细水雾撞击热表面的实验时，在接近固壁表面的预混火焰的层流滞止流中观察到 了类似的现象。 1 9 9 4 年m a w h i n n e y l 2 4 讨论细水雾灭火的各种机理的相对重要度分析，包括吸 热，氧气稀释和衰减热辐射效应。 1 9 9 5 年d o w n i e 等人【2 副开展了单个喷头产生的细水雾扑灭大尺度乙醇火焰的实 验研究，结果表明施加细水雾后氧气浓度显著下降，而火焰内一氧化碳浓度增加。 1 9 9 6 年m a w h i n n e y 【2 6 】研究结果表明大空间内的灭火是燃料特性，喷雾特性，使用 场合以及火灾探测方法等一系列参数的函数。 以上对细水雾灭火机理的实验研究大多数是中等尺度或者大尺度的，其灭火的 一个重要机理是氧气浓度稀释效应 1 4 , 1 5 , 2 1 j 。而细水雾与小尺度火焰作用时，火场内 的氧气浓度变化不是十分明显。h a n a u s k a 2 s l 研究指出相对于受限空间而言，这类小 尺度火焰( 氧气浓度变化不大的火焰) 更难用细水雾扑灭，从而有必要研究细水雾 与小尺度火焰作用的机理。 1 9 9 7 年b i l l 等人 2 9 1 研究指出对于受限空间细水雾能够有效地灭火，但是当移除 限制体后，细水雾对于火焰并没有显著影响。2 0 0 0 年b a c k 等人 3 叫针对这一实验现 象提出了理论模型，该模型适用于主要由于火焰消耗和水蒸气稀释使氧气浓度降低 而实现的灭火，细水雾与火焰的相互作用则忽略不计。 2 0 0 0 年n d u b i z u 等人【3 i j 开展实验研究细水雾扑灭大尺度液体油池火的各种参 数影响。他们的实验研究了细水雾扑灭低沸点和高沸点液体油池火时，雾滴大小和 细水雾喷入方向的影响。研究结果与小尺度乙醇油池火的数值模拟结果进行了比 较。 2 0 0 2 年陆强等【3 2 实验与理论分析相结合，研究了细水雾扑灭b 类火时占主导 地位的灭火机理。 2 0 0 3 年g u i l n a r 【3 3 】也研究了氧气浓度变化不大的大空间火焰、小火焰。实验结 果表明细水雾喷雾入射角对乙醇火焰影响不大，气体火焰灭火的主要机理是细水雾 引起的可燃气体的稀释作用。扑灭庚烷油池火比扑灭相应的乙醇火焰需要的水流量 硕士论文 细水雾与渡体燃料火焰相互作用的实验研究与数值分析 多1 6 - - 5 8 。由于细水雾卷吸空气造成热释放速率增加，另外对油池表面液体的 传热率也增加，虽然到达油池表面的细水雾会吸收部分热量，但总的传热率还是增 加的。 自从用数值方法研究火焰动力学以来，人们对于灭火机理和细水雾灭火系统的 参数有了更深入了解。细水雾特性，燃料性质，火场几何尺度以及灭火的关系是相 互关联的函数，最适合用数值方法来研究。g r a n t 等人1 3 4 年nr a s b a s h ”1 总结了细水雾 灭火的实验研究。n o v o z h i l o v 3 6 则对室内火灾的c f d 模拟方法进行了详细的评述。 有很多文献报道小尺度火焰以及实验室尺度火焰的灭火情况，包括对于回流和同向 流火焰，实验室尺度的预混和扩散火焰的数值模拟和实验研究。p r a s a d 3 7 - 4 4 等人做 了大量的工作，尝试理解细水雾与乙醇气体扩散火焰以及液体乙醇油池火焰的作用 机理。建立了数值模型研究细水雾扑灭气体射流扩散火焰。模型用两相流连续方程， 其中气相和液相都采用欧拉方程。研究了细水雾灭火时各种机理的相对重要度。后 来又建立数学模型优化各种细水雾入射参数，以达到最佳灭火效果。对滴径，细水 雾入射角( 喷射角) ，细水雾密度，细水雾卷吸进入火焰的速率这些参数的影响进 行了量化研究。2 0 0 2 年p r a s a d 等人1 4 5 j 研究了大空间内细水雾灭火的数值模拟问题。 采用了两相流连续欧拉方程描述气相和细水雾，详细研究了各种入射参数对于灭火 效果的研究，并得到了最佳灭火效果时的细水雾入射参数。 1 3 本文研究目标及研究内容 围绕细水雾抑制熄灭液体燃料火灾这一国际火灾科学前沿的重要研究课题，利 用前人研究得到的细水雾雾场特性表征和实验结果，搭建实验平台。应用先进的实 验诊断仪器，通过细水雾抑制熄灭小尺度液体油池火灾的实验，定量深化认识细水 雾抑制熄灭液体燃料火灾的机理与规律，发展相应的理论模型。从理论上加深对细 水雾灭火机理的认识。 本文首先简单介绍了细水雾发生装置的工作原理。利用热电偶测温系统和数码 摄像机开展了细水雾与液体燃料火焰相互作用的实验研究，测量在不同工况条件 下，细水雾作用前后，液体燃料燃烧火焰的熄灭时间以及燃烧温度场特征参数的动 态变化。利用流体力学、传热学、燃烧学等基本理论，分析解释了实验结果，获得 了相应特征参数。建立了细水雾作用下小尺度油池液相温度的零维模型，定量给出 细水雾抑制熄灭液体燃料火焰的基本规律。利用f l u e n t 软件，模拟了细水雾灭火 的过程，进一步深化定量认识细水雾与液体燃料火焰相互作用的机理及过程。 4 垩主堕塞细水雾与液体燃料火焰相互作用的实验研究与数值分析 2 细水雾起源及其表征参数 2 1 引言 对细水雾进行雾化的目的是力图增加每单位体积液体的表面积( 即表面积体积 比) ，以提高吸热效率，并使雾化流向适当的方向分散，促进与火焰的相互作用， 达到利用汽化吸热冷却可燃物、体积膨胀隔氧及吸收热辐射降低热回馈等效应来削 弱燃烧化学反应速度的效果，扑灭效率高，残余水量小，且对环境影响较小，这些 都对控制和扑灭火灾有着及其重要的作用。本章介绍了细水雾的起源、发展、定义， 并概述了前人研究得出的灭火机理和灭火影响因素。 2 2 细水雾的起源和发展 细水雾可以通过撞击、气动、高压、静电及超声波等多种方式产生。当细水雾 直接喷射或被卷吸进入火焰区时，由于其表面积与体积比较大，吸收热量快，迅速 汽化后体积扩大约1 6 0 0 倍，直接影响燃烧过程的化学反应速率及火焰的传播速率， 达到控制和扑灭火灾的目的m i 。细水雾在英文里主要有w a t e rm i s t 、w a t e rf o g 、f i n e w a t e rs p r a y 几个词，w a t e rm i s t 在文献中使用最多。细水雾在消防方面的应用始于 四十年代，当时主要用于特殊场所如运输工具等。现在由于环保问题，卤代烷灭火 剂被逐步淘汰，而细水雾作为灭火剂对于环境的潜在优势使其应用范围不断拓展， 细水雾灭火系统用于居住建筑、可燃性液体储存设施、船舰机舱及电气设备方面的 研究，已经取得了令人鼓舞的成果。 1 9 9 3 年，来自工程界和科研部门、细水雾系统制造商、保险公司、行政管理部 门和工业用户的代表，组成了美国消防联合会细水雾灭火系统技术委员会( n f p a t e c h n i c a lc o m m i t t e eo nw a t e rm i s tf i r es u p p r e s s i o ns y s t e m s ) ，该委员会开始编制用 于规范细水雾技术的n f p a 标准，作为设计和安装的依据。 1 9 9 6 年，在美国的马萨诸塞州波士顿市每年5 月2 0 2 3 日的年会上，细水雾灭 火系统技术委员会提交了细水雾规范( n f p a7 5 0 ，s t a n d a r do nw a t e rm i s tf i r e p r o t e c t i o ns y s t e m s ) ，并获得了美国消防联合会的批准。该规范由国家标准协会于同 年的7 月1 8 日颁布，生效日期为8 月9 日，同年的7 月2 6 月，9 6 版n f p a 7 5 0 被 批准为美国国家规范【4 ”。 2 3 细水雾的定义 “细水雾”( w a t e rm i s t ) 是相对于“水喷雾”( w a t e rs p r a y ) 而言的，所谓细水雾， 是使用特殊喷嘴、通过高压喷水产生的水微粒。在n f p a 7 5 0 中，细水雾的定义是： 在最小设计工作压力下、距喷嘴1 米处的平面上，测得水雾最粗部分的水微粒直径 硕士论文 细水雾与液体燃料火焰相互作用的实验研究与数值分析 d v o 9 9 不大于1 0 0 0 a m 【”j 。 按照雾滴中水微粒直径的大小，细水雾分为3 级，如图2 1 所示 4 8 】。第1 级细 水雾为d v o 1 = 1 0 0 , a m 同d v 0 ，9 = 2 0 0 , a m 连线的左侧部分，这些代表最细的水雾。 第2 级细水雾，是第l 级细水雾的界限与d r 0 1 = 2 0 0 , a m 同d v 0 9 = 4 0 0 , a m 连线 之间的部分。这种细水雾可由高压喷嘴、双流体喷嘴或冲撞式喷嘴产生。由于有较 大的水微粒存在，相对于1 级细水雾，2 级细水雾更容易产生较大的流量。 第3 级细水雾为d v 0 9 大于4 0 0 m ，或者第2 级细水雾分界线右侧至 d v o 9 9 = 1 0 0 0 , a m 之间的部分。这种细水雾主要由中压、小孔喷淋头、各种冲击式喷 嘴等产生。 图21 细水雾按滴径分级 2 4 细水雾灭火机理 细水雾抑制或灭火作用的主要机理有三点：即冷却、氧气浓度稀释以及衰减热 辐射 4 9 1 。 细永雾优越的冷却效果是由于水分解成非常微小的水滴，这增加了吸收热量的 有效总表面积和最大的水蒸发速率。细水雾雾滴平均直径小于2 0 0 , a m ，比表面积 和密度较高，遇火焰高温后迅速汽化，体积可膨胀1 6 0 0 倍以上，但是，要扑灭火 灾，没有必要带走燃烧反应产生的所有热量。只要带走所产生热量的3 0 一6 0 就 足够下降到燃烧条件的临界值以下。 细水雾灭火的第二种机理是稀释氧浓度。膨胀的水蒸汽取代了正常的空气，因 而减少了火场附近的氧气数量。如果水蒸汽能被限制在火场附近的小范围内，或直 接对着火焰根部，在可燃物表面上的易燃蒸汽浓度和氧气水平将会降低，从而火焰 就会熄灭或被抑制。 在某些场合，少量增加水蒸汽浓度可能增加某些可燃气体的爆炸极限范围。所 6 硕士论文 细水雾与液体燃料火焰相互作用的实验研究与数值分析 以用水雾灭火时，有效氧气量的减少必须大于这些爆炸极限范围扩大的影响。 细水雾灭火的第三种机理是衰减热辐射。悬浮在空气中的小水滴，由于驱散或 吸收了热量，从而减少了火焰与附近物体之间辐射热的传递。水滴大小以及水滴体 积浓度是减少辐射热的关键。直径小于5 0 ，t m 的水滴比大水滴吸收辐射热的效果更 明显。辐射热将引起未燃烧的可燃物挥发产生可燃气体，以至开始燃烧。这种辐射 热最后将导致轰燃。中断火焰与已然表面、未燃表面之间的辐射热传递将会阻止火 势的蔓延，防止轰燃的发生。 2 5 细水雾灭火的影响因素 作为一种灭火剂，细水雾的四种特性参数对其有效性有主要影响，它们是雾滴 大小分布度、喷雾数密度、喷雾动量和添加剂。 2 5 1 雾滴大小分布度 雾滴大小分布度指的是，在典型喷雾或细水雾中水粒大小的分布闽。使用特殊 的光学设备可以计算出不同尺寸种类的雾滴数量。在美国a s t m e 7 9 9 确定液体微 粒大小的数据标准和操作过程的标准作法中有关于测量和描述水粒大小分布度的 术语的定义。 常用的度量方法包括算术平均直径，表面平均直径，体积平均直径( v m d ) ， s a u t e r 平均直径( s m d ) 。 喷雾的水粒大小分布度不是一个常数。它取决于被测量喷雾的区域。在封闭隔 间里，水雾离开喷嘴后，雾滴大小分布度连续地变化着，受下降速度、距离、以及 与其它喷雾、物体相互作用的影响。 2 5 2 喷雾数密度 细水雾要能扑灭火焰，与火发生作用的散状雾滴的质量必须能够吸收火焰释放 的热量。因而，喷雾数密度是细水雾灭火系统的一种重要特性。它可以用单位体积 里的体积浓度来表达，如每立方米每分钟升( l ( m i n m 3 1 ) ，但通常会用单位面积的 喷雾密度( 工f m i n m 31 ) 来度量。 2 5 3 喷雾动量 细水雾的喷雾动量是指单位时间内单位面积上通过的细水雾液滴的总体积。该 参数决定了细水雾能够吸收的热量以及汽化的多少，对细水雾与火焰的相互作用过 程中有着重要的影响。 2 5 4 细水雾喷头 细水雾喷头是含有一个或多个孔口，能够将水滴雾化的装置，它是细水雾灭火 硕士论文 细水雾与液体燃料火焰相互作用的实验研究与数值分析 系统最为关键的部件。细水雾喷嘴产生水微粒的原理为下列五种方式之一：以相对 周围空气很高的速度将液体释放出来，由于液体与空气的速度差而被撕碎为水微粒 子；液体流碰到固定的表面，因碰撞产生水微粒子；两股组成类似的水流相互碰撞， 每股水流都形成水微粒子；液体振动或电子粉碎成水微粒子( 超声波和静电雾化 器) ：液体在压力容器中被加热到高于沸点，突然被释放到大气压力状态( 突发液 体喷雾器) 。 在现有的细水雾灭火系统中，几种常用的形式是冲击式喷嘴、压力射流喷嘴和 气雾化喷嘴。为简化这种喷嘴形式的讨论，根据喷嘴压力的大小将喷嘴分为三类， 低压喷嘴、中压喷嘴和高压喷嘴。在细水雾系统中，大多数冲击式喷嘴和所有的气 雾化喷嘴都在低压范围内工作：只有少数压力式喷嘴在高压范围内工作。 冲击式喷嘴是水力式喷嘴，水流喷射撞击在溅水盘上，靠机械力将其分解成很 微小的水珠。标准水喷头也是冲击式喷嘴的一种形式。通过减小标准水喷头的孔径 和提高喷放压力，获得将水分解成细水雾的能量，使雾滴大小分布度处在细水雾范 围内。这些喷嘴产生细水雾的压力较低，并且不像其它水力喷嘴那样容易堵塞。然 而，在溅水盘上发生的方向变化减少了喷雾动量，因而难以产生非常微小的细水雾。 压力射流喷嘴是另一种形式的水力喷嘴，一股或多股的水流高速通过小口径喷 嘴。这些细水流极不稳定，不用溅水盘也能分解成微小水珠。单个喷嘴可以产生一 股、七股、九股或更多的微细水流，以形成一密实锥形喷雾。各条水流共同作用带 走了空气，增加了喷雾动量，也可以改进灭火性能。射流通过压力式射流喷嘴的小 口径孔口，比通过冲击式喷嘴的大孔口，要耗费更多的能量，才能得到同样的流速， 而且必须防止压力式射流喷嘴堵塞。 空气雾化喷嘴将低压压缩空气、氮气或某些其它气体与低压水混合。水流在特 制的帽盖里被喷射的空气剪切，然后通过较大直径的孔1 3 喷出帽盖，形成细水雾。 这些喷嘴产生的细水雾，其雾滴大小分布度好、喷雾动量高，也不易堵塞，并且， 它们在普通灭火供水系统小的低压水和低压空气范围内工作。研究证明这类细水雾 对扑灭液体燃料油池火灾和飞溅火灾非常有效。 但是，该系统使用的压缩气体必须被贮存，设置压缩空气和水的配给管道安装 比较困难。另外，必须完成流体力学和气动力学两种计算，以分别独立地确定空气 和水的配给管线的口径。为了计算系统内所有的水或空气的流动条件，设计人员必 须了解系统内空气压力和水压对每个喷嘴的作用。 2 5 5 添加剂的影响 细水雾喷头所用水的化学性质也影响细水雾作为灭火剂的功能。加拿大国家研 究委员会试验表明：在水中添加氯化钠能提高水雾的灭火功效。 硕士论文 细水雾与液体燃料火焰相互作用的实验研究l 百数值分析 在扑灭柴油油池火灾时，由含有重量浓度为2 5 的氯化钠海水形成的细水雾， 以较低的喷雾密度喷射水雾，其灭火速度要比由淡水形成的细水雾快4 0 - - 5 0 ， 另外，海水细水雾t e 淡水细水雾受到的阻尼影响小。 关于灭火性能得到改进的一种适宜的解释是，随着雾滴蒸发，溶解的碱金属盐 在火焰区形成晶体，这种盐晶体颗粒极小，处于碱盐干粉化学灭火剂的最佳灭火效 果范围之内。这个假设表明，比氯化钠好的其它碱盐干粉化学灭火剂，将能极大地 改进水雾的灭火功效。 2 5 6 障碍物的处理 早在研制细水雾灭火系统初期，研究人员就认为细水雾的灭火方式与气体灭火 剂的灭火方式相同，属于全淹没式灭火。即像气体灭火剂一样，细水雾在障碍物周 围流动并充满到开间内的各个角落，同时火焰的对流能量带走了燃烧用的空气。此 时，水雾被卷入火中，通过局部火焰的冷却和稀释氧气而使火窒息。 研究表明，无论火场空间内有无障碍物存在，要扑灭未加限制的、通风良好的 油池火焰，仅依靠低速对流来带动细水雾是远远不够的。对无障碍物的火灾，含有 喷雾中大部分质量的较大雾滴，沉降速度相对轻快，离开的仅仅是极微小的悬浮水 粒，这些悬浮水粒不能够扑灭自由火灾。在有障碍物的地方，水雾沉降在障碍物的 表面上，进一步减少了喷雾密度。另外，障碍物使喷雾方向改变，也减少了它的动 量。 在设计细水雾灭火系统时，必须考虑障碍物的影响。对于通风良好的自由火灾， 要求其水雾灭火系统喷雾动量较高。对受限的通风不良的火灾，障碍物的影响较小， 因为由细水雾蒸发形成的膨胀的水蒸汽代替了开间里的空气，从而灭火机理更类似 于“全淹没式”气体灭火剂。 2 6 本章小结 细水雾产生方式多样，雾化机理也不尽相同，其特性参数对细水雾的控制和扑 灭火灾的能力起着决定性作用，其中滴径分布、喷雾数浓度、雾动量及雾化锥角等 参数都非常重要。不同火灾条件下应选用不同特性参数的细水雾，因而有必要深入 研究细水雾的雾场特性参数，从而对开发研究高新技术的雾化系统起指导性作用， 同时为采用细水雾灭火技术防治火灾奠定基础。 硕士论文 细水雾与液体燃料火焰相互作禺的实验研究与数值分析 3 实验装置与测试系统 3 1 细水雾喷射系统 3 ，ll 喷射系统控制原理 力表；r 电磁涸1 l 当到 自吸式水泵 空 压力表 气司， 入 j _ _ 一 口 空气压缩机 细水雾 图31 细水雾发生装置示意图 细水雾产生装置如图3 ，l 所示。该缅水雾喷头为双流体模型喷头，喷头一端接 水流，一端接气流。水流端接有自吸式水泵、压力表、电磁阀、贮水罐以及各种接 头。实验中，自吸式水泵从贮水罐中持续地向管路供水，水泵与管路之间的电磁阀 保证管路中水压恒定，并直接从压力表上读出水压值。气流端有两种选择，即连接 空气压缩机或者连接高压氮气，两种工况下均可直接读出高压气流的压力值。实验 中，同时开启气流和水流，在高压气流的作用下产生细水雾。喷头出口处沿着圆周 方向布置有六个沿圆周均匀分布的喷口，在六个方向同时喷出六股细水雾，形成顶 角为1 4 0 的圆锥形喷雾。 3 1 2 双流体细水雾喷头 细水雾喷头的选择，直接影响着细水雾的作用范围和雾特性。 本实验选用双流体细水雾喷头，实物如图3 2 所示。供水采用泵压式，其压力 为o 5 b a r ，空气供气采用空气压缩机，其压力为0 8 b a r ；氮气由高压氮气瓶直接 供气。实验中，水压始终保持为2 2 7 5 b a r ，通过改变喷雾气压控制产生的细水雾流 量及其它细水雾特性参数，比较不同工况下细水雾灭火的有效性和灭火效果。 硕士论文 细水雾与液体燃料火焰相互作用的实验研究与数值分析 图3 2 细水雾喷头实物图 喷头主要由空气帽和液体帽组成，这两者组成喷雾装置的主体。喷头中还包括 喷嘴体、护圈、栓塞和各种密封垫。喷嘴体出口处均匀布置有6 个喷孑l ，每个喷孔 直径为o 4 r a m 。实验中细水雾喷头垂直向下安装。 喷头特殊的内部结构设计能使液体和气体均匀混合，产生合乎要求的细水雾。 通过增加气体压力可得到更加细微的液滴喷雾，从而导致较高的气体流率与液体流 率比。 在给定的某一喷雾中，所有喷雾液滴并非一样大小。主要描述方法是体积中位 数直径法。体积中位数直径法( v m d ) ；是一种以被喷雾液体的体积来表示液滴大小 的方法。当依照体积测量时，体积中位数液滴直径大小是一种数值，即表示在喷雾 液体总体积中，5 0 是由直径大于中位数值的液滴、另外5 0 是出小于该数值的液 滴组成的。 3 1 3 喷射流量计算 对于某种液体，根据伯努利方程，其流量与压差的关系为q = a - , s - ；p ，因此 只要知道某一压差下的喷嘴流量，可以计算出其它压差下的喷射流量，一般由以下 公式计算： q 2 一b 卸9 l 3 2 热电偶 3 2 1 热电偶工作原理 热电偶再现性和稳定性好，测温范围宽，精度高，可用于流体、固体温度测量 硕士论文 细水雾与液体燃料火焰相互作用的实验研究与数值分析 并可远传测量信号，便于检测和控制等优点。此外，它的结构简单，热容量小，制造 方便，在火灾实验中应用最为广泛。 在两种不同成分的导体( 或半导体) a 和b 组成图3 3 所示的闭合回路，如果它 们两个接点的温度不同，如t 瓦，则回路中会产生一个电动势，称之为热电势。它 的大小与两端的温度差有关。这种直接把热能转变成电能的现象称为温差热电效 应。利用这种效应来测湿的方法称为热电测温法。图3 3 中，a 、b 两极焊接成对 后则称之为热电偶。金属a 和b 称为热电极。 当组成热电偶的材料a 和b 给定时，温差电 动势e 由温度t o 和t 决定。如果让t o 固定在已知 温度，原则上就可以由t 决定e 的大小，反之，可 以由e 的大小来确定t ，然而为了测量热电势，还 必须在回路上接入测量仪器和连接导线等。 a 我国的标准化热电偶主要有铂铑一铂( s 、r 、 b ) 、镍铬一镍硅( k ) 、镍铬一康铜( e ) 及铜一康铜( d 等。当热电偶与二次仪表相距较远时，为节约价格 较贵的热电极材料，通常在热电偶与二次仪表之 间，采用价廉且在0 l o o 间其热电性能与热电极 n b t 图3 3 热电偶原理图 材料相近的导线连接，称为补偿导线。在实验室中，常用直径o 1 o 5 r a m 的有关 金属丝自己焊制热电偶，焊出的接点牢固，表面圆滑光洁、无夹渣和裂纹。 3 2 2 镍铬一康铜热电偶特点 镍铬康铜热电偶一般适用于- 2 0 0 。c 到8 0 0 0 温区。本实验中的温度值一般能 满足这一要求。 e 型热电偶的最大特点是在常用热电偶中，其热电动势率最大，即灵敏度最高。 它适宜在氧化性或惰性气氛中使用，但不能用于还原气氛或硫气氛中。这种热电偶 耐热和抗氧化性能要比铜一康铜、铁一康铜强。对于高湿度气氛的腐蚀不甚灵敏。 其缺点是负极难于加工，热电均匀性也比较差。在热中子照射下，铜能嬗变到镍和 锌，从而负极的康铜合金的组分会起变化，影响分度值。e 型热电偶对于组分的微 小变化或杂质的渗掺并不太敏感，这是由于两个热电极都是重合金的缘故。 3 3 实验平台与数据采集系统 图3 4 所示为细水雾与液体油池火焰相互作用的实验框图。该实验系统共分为 三个部分，即细水雾喷射系统、油池与液体燃料、数据采集处理系统。实验时，首 先将数据采集系统处于触发状苍然后点火，热电偶采集的温度信号经直流放大器 放大，送入数据采集控制单元曲计算机对温度信号进行实时的采样、处理。 ! 塑皇塑l 一塑塑兰堕竺塑型奎垄塑兰堡旦塑壅垦塑壅兰鍪堕坌塑 图3 4 实验平台框图 实验中使用了两种直径的小油池，直径分别为4 1 m m 和6 1 4 m m 。 实验中共使用了三个温度传感器，即三个热电偶。如图3 。4 所示。热电偶l 位 于距离油池表面1 0 c m 高度处，主要用于测量火焰羽的温度，后文中为方便期间将 其标示为“火焰羽”；热电偶2 放置于油池上方4 c m 处，主要用来测量火焰焰心的 温度，后文中将其标示为“空间”；热电偶3 埋于油池液面下约1 m m 处，主要用于 测量液相温度，后文中将其标示为“液面”。且三个热电偶均位于油池中心线上。 每组实验结束之后，为了验证不是由于燃料耗尽而灭火，都对油池内剩余液体重新 点火。 3 3 ，l 温度数据采集 实验中的记录装置原理图如图3 5 。实验时，触发瞬态波形存贮器d m 7 1 0 0 的 同时开始点火，热电偶感受到的温度信号通过多路开关接通后，经过温度信号放大 单元( 直流放大器) 放大，送入到a d 转换单元，对温度信号进行实时的采样处理， 得出各传感器的电压时间曲线。预先按镍铬一康铜热电偶的分度表编制电势一温度 转换程序。最后由数据处理和绘图程序绘出木块表面、中心及周围温度分布曲线。 一一1 1 传感器通道i 图3 5 传感器数据记录通道 。一一_ 一。 一计算机 一l 媸，_ 壹 一瞬器一 磊一 ，l叫0 颈上论文 细水雾与液体燃料火焰相互作用的实验研究与数值分析 3 3 2 灭火过程的动态显示与记录 为了对细水雾灭火的全过程进行动态显示和记录，实验中采用了由日本佳能公 司生产的m v 4 0 0 i 型数码摄像系统。该摄像系统的主要特性参数为：2 5 英寸液晶 显示、拍摄频率为2 5 帧，秒、a v ，d v 输出。利用该系统所获取的图像数据不但清晰 度高，而且便于计算机存储和分析。 3 3 3 火焰熄灭时间的测量方法 灭火时间是实验中十分关键的一个参数。因为灭火时间的长短直接反映了细永 雾灭火效率以及其有效性，同时间接地反映着细水雾与火焰相互作用的机理。在本 实验中是通过秒表纪录不同工况下细水雾的灭火时间，也可用序列摄像照片来进行 验证，以得到不同工况条件对灭火效率的影响。 同时，分析热电偶的温度变化曲线，根据细水雾施加的位置、火焰熄灭瞬间的 位置，即由其横坐标值，即可确定火焰熄灭时间。 4 硕士论文 细水雾与液体燃料火焰相互作用的实验研究与数值分析 4 细水雾与微型油池火焰相互作用研究 4 1 引言 由于火灾过程是包括化学反应、传热传质、多相流动的复杂过程，研究细水雾 与小尺度油池火焰相互作用的过程，将会有利于促进细水雾灭火技术的发展，提高 控制和扑灭火灾的有效性和经济性，并对实际灭火具有重要指导意义。 本章分别对汽油和酒精小尺度油池火焰进行了细水雾灭火实验，对每种燃料液 体均实验测量了预燃时间、喷雾气压改变对于灭火效果的影响。并实验对比了高压 氮气单相流以及氮气一水两相流喷雾灭火的异同。实验得出了灭火时间随着燃料种 类、预燃时间、喷雾气压变化的般规律。 4 2 细水雾与汽油油池相互作用的小尺度实验研究 4 2 1 空气一水两相喷雾 空气一水两相流喷雾与汽油火焰作用的实验采用了4 1 m m 直径的油池，每发实 验使用8 m ! 汽油，且每次实验结束之后都将油池内剩余液体重新点燃，以排除由于 液体燃尽而灭火。 4 2 1 1 汽油燃烧的一般规律 汽油的燃烧并不在液体表面上进行，而是在液面上方的空间内进行的。也即燃 烧之前汽油首先会蒸发，其后可燃蒸汽逐渐扩散，与周围空气掺混形成可燃性混合 气，最后才在空间某处进行燃烧反应。另外也可能形成可燃物蒸汽的扩散燃烧。其 燃烧流程如图4 1 框图所示。 图41 汽油燃烧框图 空气雾化细水雾与小油池汽油火焰相互作用的典型特征曲线如图4 2 所示。预 燃2 5 s 时旌加细水雾，这里细水雾由空气一水两相流作用产生。图中实线代表细水 雾旌加时间，虚线代表明火扑灭时间。从图中可以看到，经过最初的急剧加热阶段 硕士论文细水雾与液体燃料火焰相互作用的实验研究与数值分析 后，预燃阶段油池表面温度约呈线性稳步上升，施加细水雾时温度约8 0 ；火焰羽 处火焰脉动明显，最高温度达到7 4 7 ；该实验条件下位于空间的热电偶测锝温度 较低。施加细水雾后，火焰羽处温度立即下降，从图中可以看到火焰羽处瞬时温度 下降了约5 0 ，随后，虽然受到细水雾雾动量的影响，但由于火焰脉动，火焰羽处 测得的温度仍维持在较高值处，最高温度达到了5 5 3 ，此后，则在不断增强的细 水雾雾动量的作用下，火焰羽处温度持续下降，直至明火扑灭：空间火焰受到细水 雾雾动量抑制，聚集在油池表面处，使得这段时间里油池液面处的温度仍然较高。 火焰扑灭以后，各处热电偶温度均快速回归室温。 7 5 。 6 0 0 堇： 1 5 。 o 第5 棼 j ； j 。 0 躏 嘹 2 04 06 08 0 t 危 羽 图4 2 预燃2 5 s 空气气压1 5 b a r 细水雾与小尺度汽油火焰相互作用 在实验过程中还可以看到火焰从细水雾开始作用一直到熄灭的变化过程。如图 4 3 所示。 ! 型型婪蔓一一塑查墨兰望笪燮型坐塑塑皇堡旦塑壅墼坚塑皇塑堡坌堑 图4 ，3 细水雾抑制扑灭液体油池火焰的过程 施加细水雾时多种参数会对灭火效果产生影响。其中，预燃时间的长短有助于 实际生活中确定细水雾灭火系统的作用时间，因而研究该参数对于灭火效果的影响 将是非常有意义的。雾特性参数方面，不同的喷雾气压会产生不同粒径大小的细水 雾，从而产生不同的灭火效果，所以对喷雾压力的研究也是具有实际意义的。下文 中将主要就这两方面展开实验研究。 4 2 1 2 预燃时间对灭火的影响 实验中选取了三种工况的预燃时间，分别是预燃1 5 s 、2 5 s 和3 5 s 。得到的温度 曲线图如图4 4 - 图4 6 所示。表4 1 中归纳了预燃时间与灭火时间的关系。 a 0 0 6 坚4 0 0 2 0 0 o避 照 i1 鲢 02 0 4 0 伽6 0 8 0 图4 4 小尺度油池汽油预燃1 5 s 肌n “ 除 徽 一，、遵= 6 乱刈 2 04 06 08 0 i ，s 图4 6 小尺度油池汽油预燃3 5