汪 軍

高壓細(xì)水霧與水噴淋的滅火機(jī)理數(shù)值模擬*

汪 軍1，2

1.安徽理工大學(xué)煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院

為了對(duì)比分析高壓細(xì)水霧與水噴淋的滅火機(jī)理及效果，采用FDS軟件模擬了在無細(xì)水霧、水噴淋和高壓細(xì)水霧三種條件下的滅火情況。通過建立了FDS模型，設(shè)置相同的固定火源功率1MW和固定流量10L/min，對(duì)三種滅火條件在冷卻作用、除煙作用和窒息作用三方面進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，普通水噴淋滅火主要表現(xiàn)在對(duì)火源的冷卻作用，而高壓細(xì)水霧在這三方面的作用都較為明顯，因此高壓細(xì)水霧的滅火效果要優(yōu)于水噴淋。

高壓細(xì)水霧；水噴淋；FDS；滅火

當(dāng)今，傳統(tǒng)滅火器的使用對(duì)大氣環(huán)境的破壞程度日趨嚴(yán)重，尤其是對(duì)臭氧層不可逆的破壞，已經(jīng)對(duì)人們的正常生活產(chǎn)生了巨大的負(fù)面影響，進(jìn)而引起了眾多研究人員對(duì)其的關(guān)注，同時(shí)隨著城市公共場(chǎng)所的火災(zāi)預(yù)防控制標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格，人們迫切地尋找更為新型環(huán)保的防滅火系統(tǒng)及設(shè)備將其替代。細(xì)水霧滅火技術(shù)相比鹵代烷系列的特點(diǎn)有環(huán)保低碳、耗水量低、破壞性小、適用范圍廣，具有降溫、隔氧、除煙的作用，在噴水滅火系統(tǒng)的研究中備受重視，可以部分地替代鹵代烷滅火系統(tǒng)，在國(guó)內(nèi)外受到更多的研究和關(guān)注[1-3]。

高壓細(xì)水霧是細(xì)水霧為Dv0.1=100um與 Dv0.9=200um連線的左側(cè)部分，與其他細(xì)水霧相比，高壓細(xì)水霧的粒徑更小，更多地應(yīng)用在特殊火災(zāi)，如電氣火災(zāi)，與火焰相互作用后蒸發(fā)速率更快，滅火后火場(chǎng)殘留水量更小，單位體積吸收熱輻射能力更高[4-5]。本文擬通過數(shù)值模擬來研究高壓細(xì)水霧和水噴淋的滅火機(jī)理及其效果。

1 建立模型

FDS是一款火災(zāi)模擬軟件，可以模擬溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)以及煙氣的流動(dòng)情況等，廣泛應(yīng)用于火災(zāi)安全領(lǐng)域[6]。本文即采用FDS軟件模擬高壓細(xì)水霧和水噴淋的滅火。

本文模擬的是一個(gè)長(zhǎng)5m、寬3m、高3m的房間。細(xì)水霧噴頭設(shè)置在屋頂(噴頭壓力在10MPa)，噴頭流量為10L/min[7]。在房間的正中心放置一個(gè)油盆，火源功率為1MW。分別在火源上方1.0m、2.0m處放置一個(gè)探頭，測(cè)量溫度和煙氣（煙炭顆粒）的體積分?jǐn)?shù)。在火源右側(cè)0.5m處放置一個(gè)探頭，測(cè)量氧氣的體積分?jǐn)?shù)，如圖1。

圖1 幾何模型

2 高壓細(xì)水霧滅火機(jī)理的研究

通過對(duì)無細(xì)水霧，普通噴淋和超細(xì)水霧三種不同情況下的數(shù)值模擬，來了解高壓細(xì)水霧的滅火機(jī)理。本文中噴頭流量均為10L/min,普通噴淋水顆粒直接為800um，超細(xì)水霧的水顆粒設(shè)置為150um[8]。

2.1 冷卻作用

采用圖1所示的模型，分別模擬了在無細(xì)水霧，普通噴淋以及超細(xì)水霧下房間的火災(zāi)狀況，在火源上方1m處測(cè)的三種情形的溫度變化曲線，如圖2。從圖中可以看出無細(xì)水霧時(shí)距火源1m處的溫度變化不大；在普通噴淋情況時(shí)，在7秒左右時(shí)，溫度才開始逐漸下降；而在高壓細(xì)水霧條件下，在2秒左右時(shí)溫度就在下降，而且很快降至室溫。由熱工學(xué)原理可知，單位體積水的吸熱能力與水微?？偙砻娣e的大小成正比。單位體積的水霧化以后，可使總表面積增大數(shù)百倍、數(shù)千倍。高壓細(xì)水霧極大地增加了單位體積水微粒的表面積；而表面積的增大更容易吸收火場(chǎng)的熱量，進(jìn)而冷卻了燃燒反應(yīng)[9]。故在對(duì)火災(zāi)的冷卻作用上，高壓細(xì)水霧明顯優(yōu)于普通噴淋。

2.2 除煙作用

采用圖1所示的模型，分別模擬了在無細(xì)水霧，普通噴淋以及超細(xì)水霧下房間的火災(zāi)狀況，得到在火源上方2m處的煙炭顆粒的體積分?jǐn)?shù)，如圖3。通過觀察，在無細(xì)水霧的情況下，煙炭微粒的體積分?jǐn)?shù)一直維持在0.01%左右，基本保持不變；在使用普通噴淋的情況時(shí)，在9s時(shí)，煙炭的體積分?jǐn)?shù)開始下降，但不是很穩(wěn)定；在高壓細(xì)水霧的情況下，在2.5s左右時(shí)，煙炭體積分?jǐn)?shù)就開始下降，而且保持一個(gè)穩(wěn)定的趨勢(shì)。這是由于高壓細(xì)水霧的水微粒直徑小，相同流量下水微粒更多，能更好的吸附火場(chǎng)的煙炭微粒。

2.3 窒息作用

圖2 火源上方1m處溫度變化曲線

圖3 火源上方2m處煙炭微粒體積分?jǐn)?shù)變化曲線

采用圖1所示模型，模擬得到火源右側(cè)0.5m處氧氣體積分?jǐn)?shù)的變化曲線，觀察發(fā)現(xiàn)當(dāng)無細(xì)水霧時(shí)，氧氣體積分?jǐn)?shù)成一直線，沒有發(fā)生變化；當(dāng)用普通噴淋時(shí)，氧氣體積分?jǐn)?shù)發(fā)生了微弱的變化，基本上保持在一定的數(shù)值，而相對(duì)于普通噴淋，在高壓細(xì)水霧下，氧氣的體積分?jǐn)?shù)下降較為明顯。對(duì)比普通水噴淋的水滴，高壓細(xì)水霧顆粒的“比表面積”大、而體積?。涣硪环矫嫫淇臻g分布密集均勻，不但重量輕，而且空間浮動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)[10]。因而吸收熱量時(shí)快速且高效，并快速進(jìn)行汽化反應(yīng)，其體積膨脹高達(dá)1700~5800倍，形成了籠罩在火焰的上方，這種汽幕的汽化速度與火焰大小成正比，火焰越大汽化越充分并且“比效汽幕”越大；降低了著火點(diǎn)附近的氧氣濃度，進(jìn)而破壞了燃燒反應(yīng)，燃燒由于缺氧而終止。

圖4 火源右側(cè)0.5m處氧氣體積分?jǐn)?shù)變化曲線

3 結(jié)論

通過FDS模擬，了解到在無細(xì)水霧，普通噴淋以及高壓細(xì)水霧三種情況滅火機(jī)理研究。我們可以看出普通噴淋在火滅機(jī)理起主要作用的是它的冷卻作用，而其他在吸附煙氣和窒息作用上表現(xiàn)不明顯，而高壓細(xì)水霧在上述三方面都效果較好，相比于普通噴淋，高壓細(xì)水霧的滅火效果更好。所以高壓細(xì)水霧的研究在滅火技術(shù)中占有重要地位，對(duì)高壓細(xì)水霧技術(shù)的研究也在增多，使得高壓細(xì)水霧的滅火技術(shù)在更多領(lǐng)域得到了運(yùn)用。

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安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（1308085QE91）