朱小勇，房玉東，廖光煊

（1.安徽省蕪湖市消防支隊(duì)，蕪湖，241000；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026）

0 引言

在火災(zāi)環(huán)境中，障礙物的遮擋使滅火變得更加困難。實(shí)驗(yàn)證明障礙物的存在對(duì)預(yù)混火焰或者非預(yù)混火焰都有穩(wěn)定作用［1］，傳統(tǒng)的水噴淋滅火系統(tǒng)無(wú)法有效撲救障礙物遮擋火焰。研究人員在沒有障礙物的情況下進(jìn)行了大量的細(xì)水霧滅火實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明對(duì)于航空煤油火焰，在噴射覆蓋范圍之內(nèi)細(xì)水霧可以迅速的熄滅火焰，滅火時(shí)間基本小于20秒［2－6］。美國(guó)NIST研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)水霧撲救計(jì)算機(jī)箱體內(nèi)部有遮擋火焰的實(shí)驗(yàn)研究［7］，結(jié)果表明在細(xì)水霧工作壓力低于1MPa的情況下，很難撲滅機(jī)箱內(nèi)部有遮擋的火焰；當(dāng)壓力升高到2MPa時(shí)，滅火效果有所改善，細(xì)水霧可以撲滅某些遮擋火焰，但他們沒有進(jìn)行細(xì)水霧工作壓力大于2MPa的實(shí)驗(yàn)。此外，已有研究表明細(xì)水霧對(duì)煙氣有顯著的沖刷作用。細(xì)水霧不僅能提高火場(chǎng)的能見度，還能吸附與溶解有毒產(chǎn)物，促使煙顆粒凝聚沉降，降低火災(zāi)中煙氣的危害性［8，9］。目前國(guó)際上關(guān)于細(xì)水霧與障礙物火相互作用的研究基本局限在工作壓力小于2MPa范圍內(nèi)［10－15］，因此有必要進(jìn)行更高壓力的細(xì)水霧與障礙物火相互作用的研究工作。本文主要針對(duì)障礙物油池火進(jìn)行了細(xì)水霧滅火有效性的全尺寸實(shí)驗(yàn)研究，深入了解了高壓細(xì)水霧對(duì)障礙物油池火的抑制熄滅作用。同時(shí)研究了障礙物與火焰的相對(duì)位置、細(xì)水霧的工作壓力、噴頭距離火焰垂直距離等關(guān)鍵因素對(duì)滅火有效性的影響，分析了在有障礙物遮擋的情況下細(xì)水霧滅火的主導(dǎo)機(jī)理。揭示了細(xì)水霧作用下火災(zāi)煙氣中CO、CO2、O2濃度的變化規(guī)律，驗(yàn)證了高壓細(xì)水霧在滅火過程中可以有效提高火場(chǎng)氧氣濃度并降低煙氣中一氧化碳及二氧化碳的濃度。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及工況

實(shí)驗(yàn)是在8m×10m×5m的全尺寸受限空間內(nèi)進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)中采用0.85m×0.75m×0.75m的鐵制桌子作為障礙物，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。桌子安放在噴頭正下方、距噴頭中心軸線約0.5m和1.0m處。在受限空間其中一長(zhǎng)邊側(cè)墻（10m）靠近頂角處設(shè)置一機(jī)械排煙口（如圖1所示），排煙量約為0.114m3／s。機(jī)械排煙只在每次測(cè)試結(jié)束后開啟。實(shí)驗(yàn)受限空間有兩個(gè)門，但在實(shí)驗(yàn)時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)中采用RP5型航空煤油作為燃料，油盤直徑為0.16m、深度為0.01m，水平放置于地面，位于桌子的下方，測(cè)試時(shí)考慮桌子下中心和距中心約0.3m兩個(gè)位置，油盤與桌子的擺放位置如圖1、圖2所示。細(xì)水霧噴頭安置在受限空間的中心位置，測(cè)試中噴頭考慮距地面4.5m和2.7m兩個(gè)高度，且只考慮細(xì)水霧垂直下噴方式。利用M9000型煙氣成份分析儀測(cè)量細(xì)水霧作用前后CO、CO2、O2的濃度，煙氣分析儀采樣探頭設(shè)置在距地面約2.5m高度處（中心線上方、距火源1.0m），以著重研究細(xì)水霧作用對(duì)上部煙氣的影響。采樣探頭每隔1s采樣一次。選用高壓瓶組式細(xì)水霧滅火系統(tǒng)進(jìn)行滅火實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)可提供的最高工作壓力為4MPa。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental apparatus

圖2 障礙物、油盤位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the obstacle and oil pan locations

細(xì)水霧由7N型壓力霧化噴頭產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)中利用LDV／APV激光多普勒分析儀測(cè)量了細(xì)水霧的粒徑及速度。圖3給出了噴頭下方1m處不同徑向位置霧滴速度及其粒徑的測(cè)量結(jié)果。細(xì)水霧霧滴的速度隨壓力增大而增大，且隨徑向距離的增加而減小；霧滴粒徑隨壓力增大而減小，且隨徑向距離的增加而增大。細(xì)水霧噴頭的霧化錐角為120°。實(shí)驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度為30℃。

實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。每種工況進(jìn)行三次實(shí)驗(yàn)取平均測(cè)量結(jié)果。首先進(jìn)行噴頭距離地面高度為4.5米的實(shí)驗(yàn)，在每種工況下分別進(jìn)行多種細(xì)水霧工作壓力的滅火實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，首先調(diào)整好障礙物與油盆的相對(duì)位置。點(diǎn)燃油池火，經(jīng)過20秒左右的預(yù)燃時(shí)間，油池達(dá)到穩(wěn)定燃燒階段后，開始施加細(xì)水霧。當(dāng)火焰熄滅后，關(guān)閉供水閥，打開排煙通道，清理實(shí)驗(yàn)環(huán)境，進(jìn)行下一個(gè)工況的實(shí)驗(yàn)。然后進(jìn)行噴頭距離地面高度為2.7米的單個(gè)噴頭實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程同上。在實(shí)驗(yàn)中如滅火時(shí)間超過120秒，記錄滅火失敗。最后對(duì)采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

圖3 細(xì)水霧霧滴速度及其粒徑的測(cè)量結(jié)果Fig.3 Measurement results of droplet velocityand diameter of water mist

表1 實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Experimental cases

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 細(xì)水霧滅火有效性分析

由圖4可以看出，在工況1的條件下，細(xì)水霧只能抑制火焰的燃燒，火焰很難被熄滅。當(dāng)壓力升高時(shí)，這種情況也沒有得到改善，主要是因?yàn)檎系K物完全遮擋了火焰，只有少量的細(xì)水霧通過卷吸作用到達(dá)火焰區(qū)域，由于細(xì)水霧不能大量進(jìn)入火焰區(qū)域，表面冷卻的滅火機(jī)理不能充分發(fā)揮，因此細(xì)水霧的滅火性能受到了限制。在工況2的條件下，當(dāng)細(xì)水霧壓力增大到1MPa時(shí)可以在105秒左右的時(shí)間熄滅火焰，細(xì)水霧滅火所需時(shí)間隨著壓力的升高而縮短。當(dāng)壓力超過3MPa后繼續(xù)增大壓力滅火時(shí)間沒有明顯縮短。由圖4可以看出在工況7的條件下，細(xì)水霧還是難以快速熄滅火焰。在工況8的條件下當(dāng)細(xì)水霧工作壓力超過1MPa時(shí)，可以熄滅油池火。同工況2相比，在相同的工作壓力下細(xì)水霧滅火時(shí)間有所降低，這主要是因?yàn)閲婎^高度降低，到達(dá)火焰區(qū)域的細(xì)水霧動(dòng)量明顯增加，細(xì)水霧對(duì)火焰的沖擊作用大大增強(qiáng)，籠罩在桌子周圍的細(xì)水霧通量也明顯增加，強(qiáng)化了細(xì)水霧的隔絕氧氣和降溫作用，從而提高了細(xì)水霧的滅火效率。

圖4 滅火時(shí)間與水壓之間關(guān)系（工況1、2、7、8）Fig.4 Relationship between the fire extinguish time and water pressure（Case 1，2，7and 8）

由圖5可以看出，在工況3的條件下當(dāng)壓力增大到1MPa時(shí)，細(xì)水霧可以熄滅火焰，但滅火所需時(shí)間仍較長(zhǎng)。在這種工況下雖然不能快速滅火，但細(xì)水霧可以有效的抑制油池火。在工況4的條件下當(dāng)細(xì)水霧工作壓力達(dá)到0.5MPa時(shí)，火焰被熄滅。當(dāng)細(xì)水霧工作壓力增大到3MPa以上時(shí)，細(xì)水霧滅火時(shí)間降低到40秒左右，由此看出在該工況下細(xì)水霧的滅火效率隨著壓力增大明顯提高。主要是因?yàn)樵谠撐恢谜系K物沒有完全遮擋火焰，細(xì)水霧通過卷吸作用大量的進(jìn)入火焰區(qū)域，同時(shí)有一部分細(xì)水霧直接作用在火焰根部，隨著細(xì)水霧噴射動(dòng)量的增加細(xì)水霧的表面冷卻和拉伸火焰作用得到了顯著的提高。從圖5還可以看出，工況9滅火時(shí)間小于工況3。工況10的滅火時(shí)間隨著壓力的升高大大的降低了，滅火效果明顯好于工況4。當(dāng)壓力達(dá)到3MPa時(shí)細(xì)水霧滅火所需時(shí)間大約為4秒左右，原因主要有兩點(diǎn)：一是因?yàn)閴毫υ龃蠛?，?xì)水霧的粒徑減小，動(dòng)量增大，從而提高了霧滴的蒸發(fā)吸熱速率，增強(qiáng)了細(xì)水霧穿透火羽流的能力，同時(shí)細(xì)水霧噴射動(dòng)量增大之后可以更加有效地沖擊火焰根部，限制了火焰的發(fā)展；二是因?yàn)閲婎^高度降低使得卷吸進(jìn)入火焰區(qū)域的細(xì)水霧通量增大，強(qiáng)化了細(xì)水霧表面冷卻作用。由此看出火源在部分被遮擋的情況下，當(dāng)噴頭高度降低到2.7米時(shí)增大細(xì)水霧的工作壓力可以有效地提高細(xì)水霧的滅火效率。這表明噴頭距離火源的垂直距離及水平距離明顯地影響細(xì)水霧的滅火效率。

圖5 滅火時(shí)間與水壓之間的關(guān)系（工況3、4、9、10）Fig.5 Relationship between the fire extinguish time and water pressure（Case 3，4，9and 10）

圖6 滅火時(shí)間與水壓之間的關(guān)系（工況5、6、11、12）Fig.6 Relationship between fire extinguish time and water pressure（Case 5，6，11and 12）

由圖6可以看出，在工況5的條件下細(xì)水霧很難熄滅火焰，這主要是因?yàn)閲婎^距離油盆的水平距離過大，再加上障礙物的遮擋使得細(xì)水霧很難大量進(jìn)入到火焰區(qū)域，隨著水壓的升高細(xì)水霧對(duì)火焰的抑制效果有所提高。在工況6的條件下滅火情況得到了明顯的改善，當(dāng)壓力增大到3MPa時(shí)可以在50秒左右熄滅火焰。這主要是因?yàn)檎系K對(duì)火焰的遮擋程度變小，同時(shí)噴頭距離火焰的水平距離縮小。在工況11的條件下還是很難滅火。在工況12的條件下當(dāng)壓力增大到3MPa時(shí)，細(xì)水霧可以快速熄滅火焰，滅火時(shí)間在8秒鐘左右。由于工況12噴頭距離火源的水平距離大于工況10，因此滅火時(shí)間稍大于工況10。

2.2 CO、CO2、O2濃度變化分析

為了考察在細(xì)水霧長(zhǎng)時(shí)間作用下火場(chǎng)氧氣、一氧化碳及二氧化碳濃度的變化規(guī)律，特選取滅火所需時(shí)間較長(zhǎng)的工況6（40s＜t＜80s）進(jìn)行煙氣組分濃度變化規(guī)律分析。由圖7可以看出，在沒有細(xì)水霧作用的情況下，火場(chǎng)的氧氣濃度隨著燃燒反應(yīng)過程的進(jìn)行不斷降低，這是由于燃燒反應(yīng)大量消耗氧氣造成的。當(dāng)施加了細(xì)水霧之后，火場(chǎng)氧氣濃度開始上升，火場(chǎng)氧氣濃度上升的速度隨著細(xì)水霧工作壓力的增大而增加。在1MPa和2MPa工作壓力下，細(xì)水霧不能熄滅障礙物火焰，但在細(xì)水霧的作用下火場(chǎng)氧氣濃度維持在19%左右；在4MPa工作壓力下，當(dāng)火焰熄滅時(shí)，火場(chǎng)氧氣的濃度上升到20.6%。這是因?yàn)榧?xì)水霧在滅火過程中抑制了燃燒反應(yīng)，從而降低了氧氣的消耗，同時(shí)由于細(xì)水霧的卷吸作用不斷的卷吸新鮮空氣進(jìn)入火場(chǎng)，因此在滅火過程中火焰附近氧氣濃度得到了提高。

圖7 氧氣濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.7 Variation of O2concentration via time

圖8 二氧化碳濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.8 Variation of CO2concentration via time

由圖8中可以看出，在沒有細(xì)水霧作用的情況下，火場(chǎng)二氧化碳濃度不斷上升，在燃燒20秒之后二氧化碳濃度已經(jīng)上升到2%，進(jìn)入充分燃燒階段二氧化碳濃度上升速度加快。當(dāng)施加細(xì)水霧之后火場(chǎng)的二氧化碳濃度隨之下降，二氧化碳濃度下降的速度隨著細(xì)水霧工作壓力的增大而增加。在4MPa的工作壓力下，當(dāng)火焰熄滅時(shí)，火場(chǎng)二氧化碳濃度下降到0.3%左右。這是因?yàn)榧?xì)水霧抑制了燃燒反應(yīng)過程，降低了二氧化碳的生成速率。同時(shí)大量的二氧化碳?xì)怏w吸附在煙顆粒上，在細(xì)水霧的沖刷作用下，大量的煙顆粒碰撞凝結(jié)并溶解在水中迅速沉降。因此在滅火過程中隨著工作壓力的增大，細(xì)水霧沖刷煙氣的能力不斷增強(qiáng)，從而有效地降低了火場(chǎng)二氧化碳的濃度。

圖9 一氧化碳濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.9 Variation of CO concentration via time

圖9表明，在沒有細(xì)水霧作用的情況下，由于燃燒反應(yīng)過程充分，火場(chǎng)一氧化碳濃度緩慢上升，在60秒之內(nèi)上升到200ppm左右。當(dāng)施加細(xì)水霧之后，在1MPa及2MPa工作壓力下，一氧化碳濃度上升速度加快，在細(xì)水霧施加40秒后，上升速度減慢，這是因?yàn)榛鹧鎱^(qū)內(nèi)細(xì)水霧受熱氣化之后體積迅速膨脹，占據(jù)了大量空間，降低了氧氣的體積分?jǐn)?shù)，從而使燃燒化學(xué)反應(yīng)過程不完全，導(dǎo)致一氧化碳大量產(chǎn)生。但在4MPa的工作壓力下，當(dāng)細(xì)水霧施加后一氧化碳濃度上升的速度明顯小于1MPa及2MPa的情況，且當(dāng)細(xì)水霧施加25秒之后，一氧化碳濃度開始下降，當(dāng)火焰熄滅時(shí)，火場(chǎng)一氧化碳濃度下降到30ppm左右。這是由于在壓力較低時(shí)，細(xì)水霧霧滴的粒徑較大、速度較低，其與火羽流相互作用中對(duì)火焰燃燒起到了一定抑制作用但不夠徹底，導(dǎo)致因局部燃燒不充分等原因致使CO濃度上升；當(dāng)壓力較高時(shí)，細(xì)水霧霧滴粒徑減小、速度增大，其與火羽流相互作用時(shí)對(duì)火焰燃燒的抑制作用增強(qiáng)，同時(shí)因其穿透力較強(qiáng)致使可到達(dá)燃料表面的液滴增多，導(dǎo)致熱解揮發(fā)份的產(chǎn)生降低且火焰燃燒得到較完全的抑制，因而這種情況下CO濃度有所下降。

3 結(jié)論

本文通過12種工況的實(shí)驗(yàn)，研究了細(xì)水霧與障礙物遮擋油池火相互作用的規(guī)律，得出如下主要結(jié)論：

（1）障礙物對(duì)火焰的遮擋程度對(duì)細(xì)水霧的滅火效果具有明顯的影響作用。當(dāng)障礙物完全遮擋住火焰時(shí)，由于細(xì)水霧無(wú)法直接進(jìn)入火焰區(qū)域和作用到燃料表面，其冷卻火焰和燃料表面的滅火機(jī)理受到限制，火焰很難被熄滅。但在壓力增大的情況下，細(xì)水霧可以有效地降低火焰溫度和火焰高度，控制燃燒的規(guī)模。

（2）當(dāng)障礙物部分遮擋火焰時(shí)，增大細(xì)水霧的工作壓力、縮短噴頭距離火源的水平距離和垂直高度，均可縮短細(xì)水霧的滅火時(shí)間，因此在細(xì)水霧的實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)充分考慮細(xì)水霧噴頭的布置以及優(yōu)化設(shè)計(jì)細(xì)水霧系統(tǒng)的工作壓力。

（3）在高壓細(xì)水霧的作用下，煙氣中一氧化碳及二氧化碳的濃度明顯下降，并最終維持在人能接受的安全范圍之內(nèi)；同時(shí)煙氣中氧氣的濃度明顯上升，說明細(xì)水霧的應(yīng)用還有利于火場(chǎng)人員的安全。

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