细水雾与固体火相互作用的实验研究

细水雾与固体火相互作用的实验研究1
丛北华，翁韬，王喜世，刘江虹，秦俊，廖光煊
中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室，(230026）
E-mail: power@
摘要: 利用三维激光粒子动态分析仪对细水雾喷嘴的雾场特性进行了测量，选择两种典型固体可燃物作为燃料研究细水雾与固体火的相互作用过程，重点考察细水雾抑制熄灭固体火的灭火机理. 实验结果表明，在细水雾扑灭固体火主要依赖于细水雾对燃料表面的冷却吸热.在相同灭火条件下，表面碳化型可燃物比非碳化型可燃物更容易被细水雾扑灭，但是前者在明火熄灭后，表面及内部残余炭依然能够维持较长的氧化燃烧过程，因而需要用更多的时间来冷却可燃物表面，否则容易复燃。

实验中细水雾通量对灭火影响满足边际效用递减规律，并存在一个最佳值可利用最小细水雾流量达到最大灭火效率。

关键字: 细水雾，固体火，灭火机理、最佳雾通量
1.引言
火灾中的可燃物材料可分为可燃气体、可燃液体和可燃固体三种。

而在各种类型的火灾中固体燃料的燃烧都占有主导地位[1]。

在火灾现场中，固体可燃物的多少决定了火灾的蔓延和发展的最终规模。

固体的燃烧是一种复杂的化学物理过程，而火灾环境又是多变的，因此，要科学的认识火灾，以便有效地抑制和扑灭火灾就必须研究各种扑灭固体火灾的方法。

目前，细水雾作为卤代烷系列灭火剂的主要替代品，对其灭火特性的研究已成为目前国际火灾科学前沿的研究热点之一[2]。

最近几年国际上广泛开展了细水雾灭火技术的研究，在大量实验与理论的基础上，总结归纳出了细水雾一般灭火机理，并提出了细水雾灭火工程技术指标和雾特性参数等方面的标准[3,4]。

国内在细水雾灭火方面也已做出了一系列的基础性与应用性研究工作[5,6]，大大促进了细水雾灭火技术的发展。

但总的来看，目前对细水雾灭火的研究主要集中在扑灭B类火，而对A类火的研究并不充分；同时对细水雾与火相互作用的研究，也大都局限于对有关参量的点测量[5-8]。

实际上，细水雾在抑制和扑灭火灾的过程中，与火的相互作用是一个十分复杂的物理化学过程，并在很大程度上受外界条件的影响，因而细水雾与火相互作用的强弱在时间和空间上都体现出非均匀性，致使通过点测量等手段很难对其相互作用的机理进
1本课题得到高等学校博士点专项科研基金资助项目(No.20020358044), 国家重点基础研究专项经费资助(No.2001CB409600)资助
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行较全面的研究。

因此。

研究和发展一种适于研究细水雾与火相互作用机理的全场诊断技术，将对准确、全面地研究细水雾与火相互作用的机理提供有力工具，进而为优化细水雾灭火系统提供科学依据。

本文利用红外热像技术，在水系灭火综台实验台3m×3m×3m的透明受限空间内，对细水雾与固体火焰相互作用的机理进行了实验研究，取得了一些有意义的实验结果。

2.实验方法
2.1 实验装置
图1为细水雾与固体火相互作用的模拟实验装置，包括3m×3m×3m受限实验间、燃料试样盒与恒压供水装置（未在图中给出）。

0.2 m×0.2 m固体试样放置在燃料试样盒子内，离地20 cm。

细水雾喷嘴位于试样的正上方，距离试样上表面1.0 m。

恒压供水装置最大工作压力为1.2 MPa，最大储水容量50 L，全套管线均为不锈钢制成，并配有过滤器以防堵塞喷头。

高压氮气经减压阀达到所需工作压力，对储水罐中的水加压，打开阀门后，通过雾化喷头流出，形成细水雾。

本实验所用喷头为7N 改进型喷头[9]，流量较小，在较长时间内压力保持稳定，可得到平稳的细水雾流场。

雾流场特性利用三维LDV/APV 装置测量确定。

实验中通过调节工作压力，即可得到不同雾场特性下的细水雾。

采用了两种不同燃烧特性的固体可燃物作为火源，具体参数如表1所示。

实验时在固体试样表面布置一个热电偶，同时沿着垂直试样上表面的方向每隔10cm布置一个热电偶，共布置6对热电偶。

实验开始时，首先在试样表面均匀铺上一层的酒精，用于引燃固体试样。

待火焰充分发展时，开始施加细水雾。

采用TVS－2000ST型热像仪，对细水雾施加前后火焰温度场进行了实时观察研究。

火焰熄灭后，停止施加细水雾。

所有数据经计算机采集分析并存盘，经后期处理可得到温度、热辐射通量和热像等有用数据。

实验时环境温度为210C，相对湿度约为40%，环境空气中的氧浓度为20.95%。

图1细水雾熄灭固体火实验示意图
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表1 固体实验材料
材料 尺 寸
实验块数
200mm ×200mm ×3mm 20 胶合板 200mm ×200mm ×10mm 20 PMMA
200mm ×200mm ×10mm
20
2.2 红外热像的测试原理
众所周知，热交换有三种方式：辐射、对流和传导。

接触型测温仪是通过传导工作的，而非接触型测温仪器是通过测量物体的热辐射进行测温的，红外热像仪属于后一种方式。

处在一定温度下的物体要不断地向周围空间发射红外辐射，红外辐射的波长范围为0.76～1000µm 。

根据Stefan-Boltzman 定律，物体发射的辐射能量与其温度的四次方成正比，即
4T W εσ= (1)
式中：W 为物体单位面积的总辐射能(2
m W )，ε为物体表面的发射率，σ为Stefan-Boltzrnan 常数，T 为物体的绝对温度(K )。

热像仪利用红外探测器接收物体表面的辐射能，并将其转换为电信号，通过放大等各种处理后，给出物体表面的温度分布，这就是红外热像仪的测温原理。

如前所述，红外热像仪接收和测量来自目标表面的红外辐射，将其数字量值通常称为热值。

而我们知道，热像仪接收的红外辐射热值(或称红外热像仪的电压输出值)和被测目标的红外光子辐射成线性关系，但与被测目标表面的温度则并非线性关系。

因此，将热像仪用于测温，必须在热像仪的热值和目标温度值之间建立定标函数关系。

若热像仪距探测目标的距离较远，则还应该考虑大气透过特性的影响。

值得指出的是，在利用红外热像仪进行火焰温度场测量时，探测目标的发射率必须事先设置，这对本工作造成了一定的难度，因为对火焰发射率分布的精确测量，目前仍难以实现。

因此．在本工作的实验研究中，首先假定火焰发射率为1．然后通过比较典型点处热像测量结果与热电偶测量结果的差异，进而对热像测温数据进行发射率修正，从而获取比较真实的火焰热场信息。

3. 结果与分析
3.1 细水雾喷嘴的雾场特性
图2(a)与（b）给出了利用三维LDV/APV 系统测量7N 改进型喷嘴得到的雾滴平均粒径与下落速度沿径向的分布。

从图中可以看出，压力越高，雾滴粒径越小，下落速度越大。

从中心线到雾场边缘，雾滴粒径不断增加，到边缘处达到最大值，这与大粒子具有较大的惯性有关；雾滴的下落速度则是中心线附近保持较大值，远离中心线后开始下降，到边缘时达到最小值。

这是因为中心线附近的雾滴具有较大的动量，边缘处的雾滴与空气相互作用增大，
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空气阻力减小了雾滴的下落速度。

图2(c)给出了不同压力下细水雾雾通量沿径向的分布。

从图中可以看出，在细水雾的雾场范围内，雾通量的分布是不均匀的，中心线附近雾滴密度大，雾通量处于最大值，至边缘处，雾通量逐步减小，仅为中心最大值的1/3-1/4。

压力越高，雾通量增加，但是雾通量分布的不均匀性更趋显著。

离开中心线径向距离 /m
体积平均粒径 /µm
（a ）雾滴体积平均粒径
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
离开中心线径向距离 /m
平均下落速度 /m s -1
（b ）雾滴平均下落速度
0.5
1.01.5
2.02.5
3.03.5
4.0
4.5
5.0离开中心线径向距离 /m
平均雾通量 /L M i n -1m -2
（c ）测量平面上平均雾通量
图2 细水雾特性参数在径向上分布（测量平面距离喷口下方1.0m ）
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3.2 细水雾与固体火的相互作用
实验中一方面利用热电偶对灭火过程中固体火焰温度的变化进行监测，另一方面利用红外热像仪对灭火动态过程进行了记录，全面地研究细水雾与火相互作用。

图3 给出了固体火焰温度在细水雾施加前后的变化。

从图中可以看出：点火开始后，首先点燃是酒精，随即是固体试样在酒精火作用下被引燃。

与PMMA 相比，固体胶合板燃烧所需热量较少，因此较易被引燃，如图3（b 、c ）所示，大约需要50s ，并且引燃时间与试样厚度无关。

而PMMA 在着火之前，首先必须吸收大量热，形成熔融液体，而后才会蒸发燃烧。

因此实验中，PMMA 试样起火基本发生在试样表面酒精基本燃烧完毕之后，如图3（a ）所示的火焰温度曲线上第一个峰值。

待试样处于稳定燃烧状态后，开始施加细水雾，火焰立即被细水雾向下压制，火焰温度迅速下降，并且很短时间内明火即被扑灭。

图4给出了细水雾熄灭固体火过程的热像图。

从图中可以看出，细水雾与固体火的相互作用过程基本如下：细水雾开始施加后，火焰很快被向下压制，在雾滴接触到燃烧试样表面的瞬间，在水雾的冲击点上，火焰立即被扑灭。

随着细水雾的继续施加，火焰的扰动增大，火焰的亮度减小。

当雾滴连续不断地撞击固体试样表面，一个水的薄层开始形成并不断扩张开来，润湿试样表面. 由于碳的形成(胶合板)和表面起泡(PMMA), 试样表面并不十分平滑, 因此, 水薄层的扩张也不一致. 火焰尺寸逐渐缩小, 最终导致整个火焰熄灭。

值得注意的是，细水雾扑灭PMMA 火的过程更多类似于扑灭油池火；扑灭胶合板火时由于表面成炭，阻碍了热量向试样内部的传递，降低了材料热解率，相比PMMA 明火虽容易被扑灭，但如果固体在细水雾灭火之前燃烧了相当长时间，如图4（c ）所示的厚胶合板，那么燃烧将不仅发生在试样表面，其内部也会发生氧化燃烧，这将大大降低灭火效率，因为雾滴及水膜同样难以直接穿透试样表面残炭层，发挥其灭火冷却作用。

因此在明火扑灭后，碳化型固体试样内仍存在热区，若无更多的时间加以冷却，这些热区将容易使固体复燃。

火焰温度 / 0C
时间 /s
（a ）细水雾作用前后PMMA 火焰温度随时间的变化
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020*********
火焰温度 / 0C
时间 /s
（b ）细水雾作用前后薄胶合板火焰温度随时间的变化
火焰温度 / 0C
时间 /s
（c ）细水雾作用前后厚胶合板火焰温度随时间的变化 图3细水雾作用前后固体火焰温度随时间的变化
（1）稳定燃烧 （2）细水雾施加5s （3）细水雾施加10s （4）细水雾施加15s
（a ）有机玻璃板（PMMA ）火（总灭火时间18s ）
（1）稳定燃烧（2）细水雾施加3s （3）细水雾施加6s
（b）薄胶合板火（总灭火时间9s）
（1）稳定燃烧（2）细水雾施加5s （3）细水雾施加10s （4）细水雾施加14s
（c）厚胶合板火（总灭火时间14s）
图4 细水雾熄灭固体火焰过程的热像图
已有研究表明细水雾的灭火机理包括吸热(火焰冷却和燃料表面冷却)、氧气的稀释以及热辐射的减弱，但具体确定这三种灭火机理的相对重要性却很困难。

一般而言，直接火焰冷却主要是吸收了气相火焰产生热量，雾滴在火焰区的滞留时间(或者说雾滴穿过火焰区的时间)是决定火焰冷却是否是灭火的主要机制。

如果雾滴在火焰区的滞留时间比其蒸发时间长, 则细水雾雾滴在到达燃料表面前就完全蒸发了。

在这种情况下, 火焰冷却将起主导作用。

另一方面, 如果雾滴的滞留时间比其蒸发时间短, 雾滴的质量将不会由于蒸发而明显地减少，
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火焰冷却将不会明显起作用。

在本次系列实验中，固体火焰平均高度是20 cm 数量级，而在我们进行的实验中，雾滴的轴向平均速度约为2m/s ，因此细水雾雾滴在火焰区的滞留时间大约是0.1 s 数量级。

根据Spalding 的d2 蒸发规律, 在周围环境温度为800K 时, 平均粒径为200 mm 的雾滴完全蒸发时间至少是0.5 s 这个数量级，大于雾滴在火焰区内的滞留时间。

因此，雾滴对火焰直接冷却作用不占主导地位。

另外，在细水雾施加过程中， 细水雾仅仅覆盖整个火焰区域的一部分，并未将火焰完全笼罩，因而衰减热辐射的作用几乎可以忽略。

同样，雾滴在火焰区滞留时间短，雾滴蒸发汽化成水蒸汽的量较少，因此隔氧和稀释氧气的作用也不太明显，对于火焰熄灭过程影响不大。

由此可见, 在本实验中细水雾灭火主要机制是燃料表面冷却。

随着细水雾雾滴不断撞击试样表面, 试样表面和沉积在表面的水之间发生热量交换，冷却了试样表面，降低了试样表面的温度。

随着试样表面温度的下降， 细水雾雾滴的蒸发率以及试样的汽化率都随着下降。

而细水雾不断的施加, 雾滴在试样表面进一步沉积和蒸发率的进一步降低，在试样表面开始形成水膜。

水薄膜进一步的扩张使暴露在外的试样表面积渐渐减少，同时试样表面温度也进一步下降，最后以至于试样的汽化率下降很多而不能维持燃烧的正常进行，气相火焰最终被完全扑灭。

3.3 细水雾通量对灭火效率的影响
图5、图6给出了细水雾通量与固体灭火时间、细水雾灭火效率之间的相互关系。

从图中可以看出随着细水雾通量的增加，灭火时间逐步减少，并将最终达到一个渐近值，即有存在一个临界通量下的最小灭火时间，超过临界通量再加大细水雾的流量将不能有效地减少灭火时间，细水雾灭火效率在此临界点达到最佳值。

而为了保证实际灭火过程中能有效地扑灭火灾，设计雾通量比最佳流量值要高一些。

40
50
60
70
80
90
100
5
1015202530
3540
熄灭时间 /s
细水雾通量 / g m -2s -1
图5 细水雾通量与固体灭火时间的关系
- 9 -
405060708090100
20
30
40
50
60
70
80
细水雾通量 / g m -2s -1
总用水量 /g
图6 细水雾通量与总用水量的关系
4. 结 论
根据以上分析与讨论，本文得出以下结论：
1. 通过对细水雾喷嘴的特征参数的分析，结合实验观察，可以发现在本实验中细水雾
灭火主要机制是燃料表面冷却。

随着细水雾雾滴不断撞击试样表面，试样表面和沉积在表面的细水雾之间发生热量交换，降低了试样表面的温度。

随着试样表面温度的下降，试样的汽化率随之下降，最终火焰被细水雾扑灭。

2. 细水雾扑灭非碳化型固体火（如PMMA ）的过程更多类似于扑灭油池火；扑灭碳
化型固体火（如胶合板）时由于表面成炭，阻碍了热量向试样内部的传递，降低了材料热解率，相比非碳化型，明火虽容易被扑灭，但如果固体在细水雾灭火之前燃烧了相当长时间，则燃烧将不仅发生在试样表面，其内部也会发生氧化燃烧，这将大大降低灭火效率，因为雾滴及水膜同样难以直接穿透试样表面的残炭层，有效发挥其灭火冷却作用。

因此在明火扑灭后，碳化型固体试样内仍存在热区，若无更多的时间加以冷却，这些热区将容易使固体复燃。

3. 本实验中，随着细水雾通量的增加，灭火时间将最终达到一个渐近值，即有存在一
个临界通量下的最小灭火时间，超过临界通量再加大细水雾的流量将不能有效地减少灭火时间，细水雾灭火效率在此临界点达到最佳值。

参考文献
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2002.
Experimental Studies on the Interaction of Solid Fires with
Water Mist
CONG Beihua, WENG Tao, WANG Xishi, LIU Jianghong, QIN Jun, LIAO Guangxuan State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and technology of China, Hefei,
Anhui 230026, China
Abstract
Experimental studies on the fire suppression of solid fires with water mist were described in the paper. The LDV/APV system was employed to determine the water mist characteristics discharged from a single pressure nozzle. Small scale tests on studying the behavior of solid fires suppressed by water mist were carried out in a 3m×3m×3m enclosure. The flame suppression processes were observed and analyzed using an IR camera. Results showed that fuel surface cooling is confirmed to be the key mechanism for water mist extinguishing solid fires. Fuel characteristics greatly affect the water mist suppression efficiency. Under the same suppression condition, the charring solid fires are more easily being extinguished than fires without char. However more water is need to cool down the charring solid fuel in order to prevent re-ignition. Water mist flux also has significantly effect on the water mist suppression capability. The relationship between mist flux and extinguishing time satisfies the marginal utility decreasing theory. There exists an optimum mist flux to get the maximum efficacy. Keywords: water mist, solid fires, fire suppression mechanism, optimum mist flux
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