森林火災(zāi)中細(xì)水霧云團(tuán)的滅火效能

尚 超 王克印 黃海英 陳玉昆

(軍械工程學(xué)院，石家莊，050003)

森林火災(zāi)中細(xì)水霧云團(tuán)的滅火效能

尚 超 王克印 黃海英 陳玉昆

(軍械工程學(xué)院，石家莊，050003)

從細(xì)水霧滅火技術(shù)的優(yōu)越性出發(fā)，結(jié)合森林火災(zāi)中樹(shù)木燃燒立體性的特點(diǎn)，提出了使用細(xì)水霧云團(tuán)撲滅森林火災(zāi)的新思路。從細(xì)水霧滅火的降溫作用、隔氧窒息作用以及浸潤(rùn)作用3個(gè)方面入手，通過(guò)理論分析，研究了細(xì)水霧云團(tuán)對(duì)樹(shù)木火災(zāi)的滅火效能，得到了理論公式，并提出了公式的修正方法。對(duì)比了球狀、柱狀細(xì)水霧云團(tuán)的滅火效能，得出了在撲滅森林火災(zāi)中，柱狀細(xì)水霧云團(tuán)的效能高于球狀細(xì)水霧云團(tuán)的結(jié)論，可以為新型森林滅火裝備的研制提供一定的理論基礎(chǔ)。

細(xì)水霧云團(tuán)；數(shù)學(xué)模型；滅火效能

Water mist cloud; Mathematical model; Extinguishing effectiveness

森林火災(zāi)是我國(guó)常見(jiàn)的自然災(zāi)害，它所造成的危害也是非常巨大的。樹(shù)冠火是由地表火遇到強(qiáng)風(fēng)或特殊地形，向上燒至樹(shù)冠并沿樹(shù)冠蔓延和擴(kuò)展的林火。樹(shù)冠火燃燒溫度高、燃燒強(qiáng)度大、蔓延速度快、破壞性大、不易撲救，對(duì)森林的破壞最大。國(guó)內(nèi)外對(duì)于這種火災(zāi)往往采用航空滅火的手段，但是滅火效果并不佳[1]。細(xì)水霧作為一項(xiàng)有效的滅火方式，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于火災(zāi)防治領(lǐng)域[2]，但是將細(xì)水霧用于森林火災(zāi)滅火的研究還比較少。森林火災(zāi)在空間具有立體分布的特點(diǎn)，如果細(xì)水霧以細(xì)水霧云團(tuán)的形態(tài)與樹(shù)冠火作用，將能達(dá)到較好的滅火效果。筆者主要研究由炸藥爆轟產(chǎn)生[3]的圓柱體細(xì)水霧云團(tuán)和球體細(xì)水霧云團(tuán)對(duì)于森林火災(zāi)的撲滅作用，并總結(jié)出細(xì)水霧云團(tuán)滅火效能的影響因素。

1 細(xì)水霧云團(tuán)滅火機(jī)理

細(xì)水霧滅火機(jī)理有3個(gè)，即降溫作用、浸潤(rùn)作用及隔氧窒息作用。

1.1 降溫作用

水的降溫作用主要體現(xiàn)在溫升和氣化時(shí)大量吸熱，降低周?chē)諝獾臏囟取＜?xì)水霧云中的水滴尺寸很小，表面積很大，所以水滴的表面換熱系數(shù)很大，在環(huán)境溫度高時(shí)即迅速氣化。由熱力學(xué)可知，水的氣化潛熱很大，可達(dá)2 280 J/g[4]，遠(yuǎn)比水溫升吸熱量大得多，因此可以吸收大量熱量，降低火場(chǎng)的溫度。將水霧直接導(dǎo)入火焰鋒面就會(huì)因水的蒸發(fā)而大量吸熱。

由于森林火災(zāi)不同于其他類(lèi)型的火災(zāi)，它的發(fā)生地點(diǎn)是自然環(huán)境，各種自然條件相當(dāng)復(fù)雜，同時(shí)，細(xì)水霧云團(tuán)爆轟形成的過(guò)程也決定細(xì)水霧云團(tuán)的情況是多種多樣的。為了便于研究，提出以下幾點(diǎn)假設(shè)：

①假設(shè)細(xì)水霧云團(tuán)氣化時(shí)，火場(chǎng)氣壓不發(fā)生變化；②假設(shè)無(wú)橫風(fēng)作用，保證火焰高溫區(qū)的形狀近似為圓柱體以及細(xì)水霧云團(tuán)的形狀規(guī)整；③爆轟產(chǎn)生的細(xì)水霧一般呈梯度分布，這里假設(shè)細(xì)水霧云團(tuán)中細(xì)水霧均勻分布；④進(jìn)入火焰高溫區(qū)的細(xì)水霧完全氣化，而邊界之外的細(xì)水霧不氣化。

假設(shè)整個(gè)細(xì)水霧云團(tuán)中細(xì)水霧顆粒均勻分布，形成細(xì)水霧云的水的總質(zhì)量為Mm，則圓柱體細(xì)水霧云中細(xì)水霧平均密度ρm為：

ρm=Mm/Vm。

(1)

式中：Vm為細(xì)水霧云團(tuán)的總體積。

如果設(shè)與火焰鋒面直接作用的細(xì)水霧云團(tuán)體積為V0，則作用于火焰范圍的細(xì)水霧質(zhì)量為：

mm=ρmV0。

(2)

又細(xì)水霧氣化熱計(jì)算公式為：

Qw=cwmmΔTw+ΔQ*。

(3)

式中：Qw為細(xì)水霧氣化吸收熱量(J)；cw為水的比熱容；mm為細(xì)水霧的質(zhì)量(g)；ΔTw為水的溫度變化(K)；ΔQ*為水的氣化潛熱(J)。

細(xì)水霧對(duì)火場(chǎng)的降溫作用主要體現(xiàn)在其氣化后吸熱、對(duì)火焰極其周?chē)邷貐^(qū)域氣溫的降低上。假設(shè)火焰高溫區(qū)域內(nèi)全部為高溫空氣，空氣溫度變化公式為[4]：

Q=camaΔTa。

(4)

高溫區(qū)域的氣體可以看做理想氣體，則有：

PVa=naRTa，PVa=(ma/Ma)RTa，ma=PVaMa/(RTa)。

(5)

將其代入(4)式得到：

(6)

式中：Q為空氣降溫釋放熱量(J)；Ma為空氣平均相對(duì)分子質(zhì)量；ca為空氣平均比熱容(J·g-1·K-1)；Va為火焰高溫區(qū)域體積(m3)；Ta為空氣溫度(K)；R為氣體常數(shù)；P為空氣壓強(qiáng)(Pa)。

假設(shè)進(jìn)入火焰柱體的細(xì)水霧完全蒸發(fā)，并且火焰柱體范圍Va內(nèi)空氣降溫釋放熱量全部被細(xì)水霧吸收，即Q=Qw，則根據(jù)公式(5)、(6)得到火焰區(qū)域氣溫降低率ψ與細(xì)水霧質(zhì)量的關(guān)系公式：

(7)

結(jié)合(2)式有：

(8)

由于此時(shí)水還沒(méi)有氣化，不影響空氣中各成分的分壓，Va、Ma都為一定值，故一般情況下，水的氣化溫度ΔTw為100 ℃，也為一個(gè)定值。

再結(jié)合(1)式，并令

則(8)式可化為

(9)

1.1.1 球狀細(xì)水霧云團(tuán)

將火焰圓柱體與圓柱體細(xì)水霧云團(tuán)疊合，得出進(jìn)入火焰范圍的細(xì)水霧量。如圖1a、圖1b所示。

a.側(cè)視圖 b.俯視圖

圖1 球狀細(xì)水霧云與火焰作用

圖中重疊區(qū)域的體積可以由三維坐標(biāo)空間中的曲面積分求得，設(shè)重疊部分體積為V0q，則：

(10)

式中：Rf為樹(shù)木燃燒高溫柱體區(qū)域底面半徑(m)；Rq為球體細(xì)水霧云團(tuán)模型的半徑(m)；l0為火焰近似模型與細(xì)水霧云模型對(duì)稱軸之間的距離(m)。

1.1.2 柱體細(xì)水霧云團(tuán)

將火焰圓柱體與圓柱體細(xì)水霧云團(tuán)疊合，得出進(jìn)入火焰范圍的細(xì)水霧量。如圖2a、圖2b所示。

圖2b中SZ部分的面積可以通過(guò)幾何關(guān)系求得：

(11)

式中：Rf為樹(shù)木燃燒高溫柱體區(qū)域底面半徑(m)；RZ為圓柱體細(xì)水霧云團(tuán)模型的半徑(m)；l0為火焰近似模型與細(xì)水霧云模型對(duì)稱軸之間的距離(m)。

a.側(cè)視圖 b.俯視圖

圖2 柱狀細(xì)水霧云與火焰作用

由于疊合部分仍為柱體，則其體積，即作用于火焰柱體的細(xì)水霧云團(tuán)體積V0Z可以表示為：

V0Z=SZ·HZ=f(l0，HZ，Rf)。

(12)

式中：HZ為細(xì)水霧云團(tuán)圓柱體高度。

假設(shè)球體細(xì)水霧云團(tuán)與圓柱體細(xì)水霧云團(tuán)的體積Vm相同，則有

(13)

1.2 隔氧窒息作用

細(xì)水霧云團(tuán)滅火的隔氧窒息作用體現(xiàn)在水完全氣化之后體積膨脹，占據(jù)火場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的空間，減少了空氣中氧氣的含量。細(xì)水霧云團(tuán)氣化后，在一段時(shí)間內(nèi)，火場(chǎng)一定區(qū)域之外的氧氣不能及時(shí)地補(bǔ)充到區(qū)域之內(nèi)，使得此區(qū)域內(nèi)氧氣的氣體分壓減小，氧氣體積分?jǐn)?shù)減小。當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)減小到樹(shù)木燃燒所需最小值之下時(shí)，燃燒反應(yīng)便無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行，火焰也就熄滅[5]。同樣進(jìn)行以下假設(shè)：

①細(xì)水霧完全氣化后，樹(shù)木燃燒一定范圍內(nèi)壓強(qiáng)不變；②空氣中氮?dú)馀c氧氣體積分?jǐn)?shù)始終保持不變，分別為79%和21%，并且忽略其他氣體成分的影響。

細(xì)水霧云團(tuán)氣化之前，在樹(shù)木燃燒范圍內(nèi)，近似認(rèn)為空氣中的成分主要為氧氣與氮?dú)?，其中氧氣在空氣中的體積分?jǐn)?shù)為21%，氮?dú)鉃?9%，氧氣和氮?dú)獾姆謮毫Ψ謩e為2.06×104、7.75×104Pa。道爾頓定律指出，混合氣體全壓力等于各組成氣體分壓力之和，則有：

P(O2)+P(N2)=P。

(14)

式中：P(O2)為空氣中為氧氣的分壓力(Pa)；P(N2)為空氣中氮?dú)獾姆謮毫?Pa)；P為空氣氣壓(Pa)。

由于樹(shù)木燃燒環(huán)境為大氣環(huán)境，水氣化后可近似地認(rèn)為火場(chǎng)一定區(qū)域VH內(nèi)壓強(qiáng)不發(fā)生變化即P為定值。取VH范圍內(nèi)氣體作為研究對(duì)象，建立近似數(shù)學(xué)模型(見(jiàn)圖3)。

由于此區(qū)域邊界與大氣相通，近似認(rèn)為在VH區(qū)域的邊界上只有氧氣與氮?dú)獬煞峙c周?chē)髿膺M(jìn)行了交換，而水蒸氣沒(méi)有擴(kuò)散到周?chē)髿庵腥?。根?jù)分壓定律，此時(shí)VH區(qū)域內(nèi)各氣體成分的分壓發(fā)生變化，有：

P′(O2)+P′(N2)+P(H2O)=P。

(15)

式中：P′(O2)為水霧氣化后氧氣的分壓力(Pa)；P′(N2)為此時(shí)氮?dú)獾姆謮毫?Pa)；P(H2O)為水蒸氣的分壓力(Pa)。而根據(jù)克拉伯龍方程，此時(shí)混合氣體中各氣體成分的分壓力為：

即n′(O2)+n′(N2)+n(H2O)=RTH/(RT)。

假設(shè)此時(shí)混合氣體中O2與N2的體積比保持不變，即V(O2)∶V(N2)=21∶79。則此時(shí)VH范圍內(nèi)氧氣的物質(zhì)的量為：

相應(yīng)地，氧氣的體積分?jǐn)?shù)ωO變?yōu)椋?/p>

(16)

式中：n為VH區(qū)域內(nèi)氣體總物質(zhì)的量(mol)。

圖3 細(xì)水霧云團(tuán)窒息作用數(shù)學(xué)模型

對(duì)式(13)進(jìn)行分析可知，水霧云氣化后，VH范圍內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)明顯下降，并且氧氣體積分?jǐn)?shù)的下降幅度與形成水霧云的水物質(zhì)的量成正比，說(shuō)明細(xì)水霧云團(tuán)隔氧窒息的能力與氣化細(xì)水霧的量直接相關(guān)。

經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，對(duì)于30 m3的空間，5 L水完全氣化形成的水蒸氣分壓力可達(dá)2.78×104Pa，而相應(yīng)的氧氣的壓力降低到1.48×104Pa，即氧氣的體積分?jǐn)?shù)降低到15.05%，從而產(chǎn)生隔絕氧氣的窒息作用，達(dá)到滅火的效果[6-7]。

1.3 浸潤(rùn)作用

細(xì)水霧滅火作用中的浸潤(rùn)作用主要表現(xiàn)在細(xì)水霧顆粒穿過(guò)火焰羽流，到達(dá)可燃物表面，浸潤(rùn)可燃物，并冷卻可燃物。

在細(xì)水霧云團(tuán)與火焰相互作用過(guò)程中，細(xì)水霧云團(tuán)中單個(gè)霧滴在與火焰相互作用過(guò)程中做自由沉降運(yùn)動(dòng)，符合牛頓第二定律和動(dòng)量守恒定律，霧滴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中符合式(17)所示的關(guān)系[8]。

m(du/dt)=(4/3)πρr3(du/dt)=G-Ff-Fd。

(17)

式中：u為細(xì)水霧滴速度(m/s)；ρ為細(xì)水霧滴密度(kg/m3)；r為細(xì)水霧滴直徑(m)；G為細(xì)水霧滴重力(N)；Ff為細(xì)水霧滴所受的浮力(N)；Fd為煙氣對(duì)細(xì)水霧滴的卷吸作用力(N)。

通過(guò)對(duì)式(17)分析可得，想要細(xì)水霧實(shí)現(xiàn)對(duì)火焰的有效作用，液滴質(zhì)量和速度必須能克服火羽流和卷吸空氣浮力，霧滴動(dòng)量應(yīng)保證大于煙羽流動(dòng)量，霧滴才能到達(dá)可燃物表面，降低可燃物表面溫度。因此，細(xì)水霧滴動(dòng)量不得小于煙羽流動(dòng)量是實(shí)現(xiàn)其浸潤(rùn)作用的重要前提條件。對(duì)于細(xì)水霧云團(tuán)來(lái)說(shuō)，一般細(xì)水霧顆粒的速度比較小，而森林火場(chǎng)中Ff與Fd很大，霧滴很難克服兩個(gè)作用力，并且由于霧滴粒徑較小，在到達(dá)火焰之前往往已經(jīng)蒸發(fā)，故實(shí)現(xiàn)浸潤(rùn)可燃物表面的作用較為困難。但在火場(chǎng)燃燒強(qiáng)度已經(jīng)顯著降低或者已經(jīng)沒(méi)有明火的情況下，細(xì)水霧云團(tuán)中的霧滴到達(dá)可燃物表面即成為可能，通過(guò)浸潤(rùn)可燃物，可以有效地防止其復(fù)燃，達(dá)到一定的輔助滅火作用。

2 公式的修正

考慮到實(shí)際森林火場(chǎng)情況不可能是理想狀況，所以需要在最終公式的基礎(chǔ)上增加修正參數(shù)。

2.1 降溫公式修正

針對(duì)推導(dǎo)降溫公式之前提出的假設(shè)，分別提出以下系數(shù)用以修正公式：

氣壓修正系數(shù)p修正細(xì)水霧云氣化后的氣壓變化，

p=f(1/t，1/Ta，ω)。

式中：t為細(xì)水霧云團(tuán)作用時(shí)間；Ta為火場(chǎng)氣溫；ω為爆轟產(chǎn)生細(xì)水霧的比藥量(m(藥)∶m(水))。

橫風(fēng)修正系數(shù)w修正橫風(fēng)對(duì)結(jié)果的影響，

w=f(j，i，v)。

式中：i、j為風(fēng)向平面向量；v為風(fēng)速。

細(xì)水霧云團(tuán)梯度系數(shù)l修正爆轟產(chǎn)生的細(xì)水霧云團(tuán)內(nèi)部梯度分布對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的影響，

l=f(w，ω，F(xiàn)d)。

式中：w為橫風(fēng)修正系數(shù)；ω為比藥量；Fd為空氣平均阻力。

氣化率系數(shù)g修正氣化細(xì)水霧量，

g=f(Ta，ω)。

式中：Ta為火場(chǎng)氣溫；ω為比藥量。

修正后的公式(9)變?yōu)椋?/p>

(18)

2.2 隔氧窒息作用公式修正

提出壓強(qiáng)系數(shù)p′修正樹(shù)木燃燒一定范圍內(nèi)壓強(qiáng)的變化，p′=f(1/VH)。VH為研究范圍的體積。

溫度系數(shù)t′修正使用理想氣體公式時(shí)對(duì)溫度不變的假設(shè)，t′=f(1-ψ，hf)。中ψ為火場(chǎng)溫度降低率；hf為火源的熱功率。

修正后的公式(16)變?yōu)椋?/p>

(19)

以上修正系數(shù)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)或者模擬仿真得到離散數(shù)據(jù)，再經(jīng)過(guò)曲線擬合求得。

3 結(jié)論

在形成細(xì)水霧云團(tuán)的水的質(zhì)量、體積相同，以及與火源距離相同的情況下，圓柱狀細(xì)水霧云團(tuán)的降溫效能高于球狀細(xì)水霧云團(tuán)。另外，同一細(xì)水霧云團(tuán)的降溫能力與其距離火焰高溫柱體區(qū)域距離成反比。

細(xì)水霧云團(tuán)對(duì)火焰的窒息作用主要體現(xiàn)在降低火場(chǎng)一定區(qū)域內(nèi)的氧氣體積分?jǐn)?shù)上。參與氣化的水物質(zhì)的量越多，區(qū)域內(nèi)的氧氣體積分?jǐn)?shù)越低。實(shí)際情況下，由于森林火場(chǎng)往往伴有大風(fēng)和強(qiáng)烈的熱空氣對(duì)流，氣流的對(duì)流可能導(dǎo)致窒息時(shí)間變短，降低作用效果。

由于強(qiáng)烈燃燒的火場(chǎng)溫度較高，細(xì)水霧會(huì)快速蒸發(fā)，這時(shí)，細(xì)水霧云團(tuán)主要起前兩個(gè)滅火作用。當(dāng)火場(chǎng)燃燒強(qiáng)度降低甚至明火已經(jīng)熄滅時(shí)，細(xì)水霧即可浸潤(rùn)可燃物，進(jìn)一步熄滅暗火、防止復(fù)燃，起到一定的輔助滅火作用。

[1] 尚超，王克印.森林航空滅火技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備,2013，41(3):4-8.

[2] 劉秀云，吳超，陳玉瓊.細(xì)水霧滅火影響因素研究進(jìn)展[J]．消防科學(xué)與技術(shù)，2010，29(4)：269-271．

[3] 田海寧，王克印，韓星星，等.水介質(zhì)爆轟滅火研究[J].消防科學(xué)與技術(shù),2010，29(9):811-814.

[4] 鄧基芹，李金玲.物理化學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007：3-9.

[5] 劉聯(lián)勝，王恩宇，吳晉香.燃燒理論與技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008:50.

[6] 蘇海林，蔡小舒，闞興貴，等.細(xì)水霧滅火效果研究[J]．消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，1999(3)：32-35．

[7] 梁清水，梁清泉，徐文毅.細(xì)水霧特性及其滅火機(jī)理分析[J]．消防科學(xué)與技術(shù)，2005，24(4)：447-451．

[8] 霍然，楊振宏，柳靜獻(xiàn).火災(zāi)爆炸預(yù)防控制工程學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：34-35.

尚超，男，1987年11月生，軍械工程學(xué)院，碩士研究生。

2013年6月3日。

X954； O411.3

Extinguishing Effectiveness of Water Mist Cloud in Forest Fire/Shang Chao, Wang Keyin, Huang Haiying, Chen Yukun(Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(4).-119～123

責(zé)任編輯：戴芳天。

Base on the advantages of the water mist extinguishing technology, combined with the three-dimensional distribution of the trees burning in the forest fire, we proposed to use water mist cloud to put out the forest fire. We studied the water mist fire extinguishing effects including cooling, oxygen insulation and infiltrating effect. We studied the fire extinguishing efficiency of water mist cloud, and put forward the theoretical formula and the correction method of formula. By comparing the extinguishing efficiency of spherical and cylindrical water mist cloud, the later extinguishing efficiency in forest fires is higher. The study results may provide a theoretical basis for further development of the new forest fire fighting equipments.