雾状水滴喷射位置对灭火效能的影响分析_任凯

雾状水滴的灭火能力与消防人员的灭火战术有关， 合理确定灭火位置并选用最佳的灭火角度将直接影响灭 火效率。当火源 确 定 后，通 过 数 值 模 拟 与 实 际 灭 火 训 练 数据比较，可以得到以下几点结论 ：
（１）消防水 枪 的 位 置 与 喷 射 角 度 存 在 着 彼 此 协 同 的 关系，考虑到消 防 员 使 用 水 枪 灭 火 时 喷 水 生 成 的 水 滴 直 径大于１ ０００μｍ，应当突出发挥水滴的冷却能力 ，降低燃 料 表 面 温 度 ，熄 灭 火 焰 。
图４ 不同仰角、１．７ｍ 高度、距离油池２．８ｍ
图６ 距离油池１．４ｍ 灭火效率图谱
图５ 不同仰角、０．９ｍ 高度、距离油池２．８ｍ
灭火效率取决于水枪位置和入射角度的协同效果， 灭火 仿 真 模 拟 了 不 同 姿 态 条 件 下 ，俯 角 １０°、平 射 和 仰 角 １０°、２５°等条件下的灭火过程 。通过仿真曲线分析可 以 看 出，近距离平射和小角度俯射能够 迅 速 压 制 火 势 ，但 灭 火 效率不高，火焰熄灭时间较长 ；而近 距 离 小 角 度 仰 射 能 够
度 ，ｍ，满 足 式 （２）所 示 关 系 。
·
ｚ０ Ｄ
＝
－１．０２＋０．０８３ＱＤ２／５
（２）
式中：ｚ０ 为火源 底 部 表 面 到 虚 火 源 的 距 离 ，ｍ；Ｄ 为 火 源
·
直径，ｍ；Ｑ 为火源的热释放速率 ，ｋＷ。
又由式（１）可 知，对 于 确 定 的 火 源，火 焰 浮 力 羽 流 速
度的垂向 分 量 与 测 量 点 的 高 度 有 关。 根 据 实 验 条 件 数
运用 ＦＤＳ火灾动力学分 析 软 件 进 行 仿 真 ，可 以 模 拟 各种典型灭火姿态下人员的灭火过程。模型选择控制体 尺 寸为６ｍ×６ｍ×６ｍ，网格数量２１６ ０００个。应用预混 燃烧模型，并采用液体燃料蒸发燃烧模 式 定 义 可 燃 物 ，碳 氢比根据轻 柴 油 的 质 量 分 数 取 １１∶２４。 根 据 实 际 训 练 场景，油 池 尺 寸 采 用 当 量 矩 形 区 域 面 积 ２ ｍ×２ ｍ，火 焰 燃烧２０ｓ后 开 始 灭 火 喷 淋 动 作，消 防 水 枪 水 流 量 ３００Ｌ／ ｍｉｎ，选取人员实际 灭 火 训 练 常 见 的 角 度 和 姿 态 ，记 录 灭 火时间等参数。灭 火 点 距 离 火 焰 为 １ ４００、２ ８００ｍｍ，喷 淋水滴尺寸按１ ２００μｍ 呈正态分 布，通 过 热 释 放 速 率 的 变化可模拟 近 似 的 灭 火 过 程 。 灭 火 过 程 瞬 时 温 度 场，如 图１所示。 ２．２ 仿 真 结 果
对距离油池１ ４００ｍｍ 和 ２ ８００ ｍｍ 两 种 条 件 下，立 姿１ ７００ ｍｍ 和 半 蹲 姿 态 ９００ ｍｍ 的 典 型 灭 火 状 态 进 行 数 值 仿 真 ，其 结 果 如 图 ２～ 图 ５ 所 示 。
基金项目：中国博士后科学基金面上项目“基于系统动力学特性的灭火过程仿真与实验研究”（２０１４Ｍ５５２５８６）；海军工 程 大 学 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （２０１２００００００４５）
当火势不断增 大，火 羽 流 的 卷 吸 作 用 使 得 火 焰 区 内 部出现明显的负压 。对于同一火灾环 境 ，在 尺 度 确 定、水 滴入射速率确定 的 情 况 下 ，水 滴 进 入 火 焰 区 后 的 速 度 梯 度取决于水滴的初速度矢量与火焰浮力羽流速度矢量之 和、水滴与热 烟 气 颗 粒 密 度 的 比 值 等 指 标 。 速 度 梯 度 与 水滴速度与热烟 气 速 度 的 矢 量 和 关 系 密 切 ，即 在 火 焰 的 浮力羽流的作用下 ，消防水的液滴运动 方 向 将 发 生 改 变 。 实际灭火过程中，消 防 员 喷 水 位 置 以 及 水 枪 的 入 射 位 置 都直接影响这一指标。针对水枪入射角度和入射点对灭 火效率的影响，运用火灾动力学软件进 行 数 值 仿 真 ，并 结 合消防训练开展 实 验 研 究 ，其 结 果 为 调 整 灭 火 过 程 和 灭 火姿态、建立灭火姿态与灭火效率的关系提供借鉴 。 ２ 灭 火 过 程 的 数 值 仿 真 方 法 ２．１ 物 理 模 型
消防灭火过程 中，雾 状 水 滴 的 灭 火 作 用 主 要 体 现 在 雾状水滴吸热蒸发汽化和落入燃料表面直接冷却。 １．１ 雾 状 水 滴 蒸 发 灭 火 过 程 的 传 热 传 质 机 理
雾状水滴作为灭火剂的重要特点是具有较高的面积 体积比，灭火过程 中 能 够 快 速 吸 收 火 焰 热 量 并 转 化 为 水 蒸气，水滴的相转化过程 中 体 积 膨 胀 超 过 １ ０００ 倍，对 于 降低火焰区 上 方 以 及 燃 料 与 空 气 表 面 的 氧 浓 度 十 分 有 效，同时阻隔 了 火 焰 的 热 辐 射 作 用 。 雾 状 水 滴 进 入 火 焰 区域后与火焰区 内 的 混 合 气 体 和 烟 气 微 粒 存 在 着 热 、质
关 键 词 ：火 灾 学 ；火 灾 动 力 学 ；灭 火 效 率 ；数 值 仿 真 ；消 防 灭 火 ；雾 状 水 滴 ；入 射 角 度
中 图 分 类 号 ：Ｘ９２４．４，ＴＵ８９２ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００９－００２９（２０１５）０１－００７２－０４
真火模拟训练 通 常 使 用 丙 烷 作 为 燃 料 ，其 灭 火 过 程 依靠调节气门实 现 模 拟 火 势 变 化 ，消 防 人 员 在 训 练 过 程 中灭火主要以消 防 水 为 灭 火 剂 开 展 模 拟 救 援 训 练 ，其 灭 火行为的有效性评估是亟待解决的问题。灭火行为有效 性体现在火场温度的控制和人员动作的匹配两个方面， 其中如实反映灭火效率是解决真火模拟训练过程中人员 动作行为有效性的关键。灭火过程中消防人员灭火的动 作和行为实际上 决 定 了 灭 火 效 率 ，在 消 防 设 备 确 定 的 情 况下针对具体火源研究灭火动作和方法的适应性问题是 有必要的。对 消 防 人 员 典 型 的 灭 火 过 程 进 行 了 数 值 仿 真，结合实际灭火 训 练 数 据 给 出 了 适 用 于 一 般 性 规 律 的 水枪架设位置、喷 射 角 度 以 及 相 互 间 的 协 同 效 应 的 计 算 方法，并分析了灭火行为与灭火效率的 关 系 ，为 探 寻 灭 火 行为与火势控制规律之间的关系提供了一种途径。 １ 雾 状 水 滴 灭 火 过 程 分 析
量传递的过程，水滴自身吸热蒸发使得质量损耗 。 １．２ 雾 状 水 滴 粒 度 对 灭 火 效 率 的 影 响
水 滴 粒 度 决 定 了 蒸 发 速 度 ，通 常 情 况 下，直 径 大 于 １ ０００μｍ的水滴穿越 火 焰 区 后，“未 耗 尽 ”的 水 滴 将 继 续 留在燃料表面起 到 冷 却 作 用 ，所 以 水 滴 的 灭 火 能 力 还 取 决于水滴自身穿越火焰区域的能力。水滴落入燃料区直 接冷却是消防灭火过程中的重要手段。
式 （１）所 示 。
（ ） ｕｚ＝３．４
ｇ ｃｐρ∞Ｔ∞
１／３ ·
Ｑ１ｃ／３（ｚ－ｚ０）１／３
（１）
式中：ｃｐ 为 热 容，ｋＪ／（ｋｇ·Ｋ）；ρ∞ 为 标 准 状 态 下 空 气 密
·
度 ，１．２５ｋｇ／ｍ３；Ｔ∞ 为 标 准 状 态 下 空 气 温 度 ，Ｋ；Ｑ油 面 高 度，ｍ；ｚ０ 为 虚 火 源 的 高
结合笔者前期 的 实 验 研 究 的 相 关 方 法 ，考 虑 部 分 灭 火小组灭火过 程 的 有 效 性 ，实 验 数 据 统 计 选 取 各 种 灭 火 姿态条件下，每 种 姿 态 ２０ 组 有 效 数 据，并 记 录 火 焰 熄 灭 时间。对各种条件下的灭火时间取均值后与仿真结果进 行比较，得到水枪有效灭火角度和灭火距离图谱 ，如图６、 图７所示。
防人员采取远距离灭火战术 ，由于 水 平 距 离 增 大，入 射 水 平方向速度分量减小 ，消防水的穿 透 能 力 减 弱，水 滴 入 射 速度与火焰浮力羽流速度叠加后较多未蒸发的液滴落入 燃料表面，冷却 效 果 和 水 蒸 气 的 窒 息 效 果 显 著 提 高 。 此 时平射和半蹲姿态小角度仰射都能较好地灭火。 ４ 结 论
消 防 科 学 与 技 术 ２０１５ 年 １ 月 第 ３４ 卷 第 １ 期
图７ 距离油池２．８ｍ 灭火效率图谱
通过对灭火训 练 数 据 与 仿 真 实 验 数 据 比 较 ，灭 火 效 率与水枪的入 射 位 置 有 关 ，这 一 现 象 与 理 论 分 析 中 水 滴 速度与热烟气速度的矢量和关系密切的结论基本相符， 它影响了灭火过程中水滴的冷却效果。两张图谱中根据
·
据，取 Ｄ＝２．２５ ｍ，Ｑ＝８ ０００ｋＷ，ｚ０ ＝０．７２ ｍ。 记ｚｕ 为
火焰 浮 力 羽 流 速 度 的 垂 向 分 量 系 数 ，则 ｚｕ ＝ （ｚ－ｚ０）１／３，
实验条件下ｚｕ 与ｚ 的关系如图８所示。
间水蒸气浓度增加 ，进一步提高了灭火效果 。 根据距 离 油 池 ２．８ ｍ 灭 火 效 率 数 据 分 析 ：图 ７ 中 消
针对灭火过程中消防人员的位置以及水枪入射点的 影响问题，实 际 灭 火 实 验 选 取 室 外 近 似 无 风 条 件 下 对 ４ ｍ２ 油池进行灭火 ；点燃后２０～３０ｓ后达到稳定燃 烧 时 实 施灭火。实验油池直径２．２５ ｍ，参 加 灭 火 训 练 的 人 员 采 用 立姿和半蹲两种姿态进行灭火 ，高度约为１．７ｍ 和０．９ ｍ，入射点选取距油池１．４ｍ 和 ２．８ ｍ 处，水 枪 的 入 射 角 度包括了平射０°，仰 角 １０°～１５°、２５°～３０°，俯 角 １０°等 入 射条件。消火 人 员 灭 火 时 采 用 单 支 开 花 水 枪 ，压 力 ０．６ ＭＰａ，消防栓直径６５ｍｍ，流 量 ５Ｌ／ｓ。 参 加 训 练 人 员 ２６ 组，每组人员以 不 同 的 灭 火 姿 态 和 位 置 分 别 进 行 灭 火 作 业，记录灭火的时间 。实验过程中，训 练 人 员 灭 火 动 作 基 本规范，消防泵从消防水池取水保障消防水供应 。 ３．２ 结 果 分 析