含添加剂雾滴蒸发速率的实验及数值模拟

Ａ ｓａ ； ｅ ｅｍｎｌ ｙ ｔ ｅａ ｒｉ ｏａ ｌｗｔ ｄ ｐｔ ａｉ ａ ａ ｉ ｅ ｈ ｔ ， ｓ ｄ ｂｒｃ Ａ ｘ ｒ ｅａｓｄｏ ｈ ｖ ｏｔｎ ｓａ ａｒ ｌ ｃ ｔｎｇ ｄ ｔ ｏａ ｅ ｐ ｈ ｔ ｔ ｎ ｉ ｔ ｔ ｎ ｐ ａｏ ｆ ｌ ｒ ｅ ｏ ｉｎ ｎ ｉ ｎ ｅ ｄ ｏ ｅ ｐ ｕ ｅ ｍ ｅｏ ｎ ｄｖ ａ ｉ ｌ
刘江虹， 黄 鑫‘ 潘文辉 ， ， ， ２ 廖光煊，
（． 科学技术大学火灾科学国家重点实验室， １中国 合肥 ２０２； ３０６
２中 国科学技术大 学国家同步辐射实验室 ， ． 合肥 ２０２） ３０６ 摘 要：为揭示含添加剂细水雾 灭火机理和评价其灭 火有效性 ， 首先建立 了抛光金属 热表 面雾 滴蒸 发实验台 ， 选
ａｄｔｅ ｗ ｔ ｄｏｌ； ｐｒｉ ｎｍ ｅｃｌ ｕａｏ ｄｉｖ； ｅ ｒｐ ｔ ｅａｏａｏ ｕ ｂｒａ ｓ ｌ ｎ ｉ ａ ｒ ｅ ｖ ｔｎ； ｉ ｉ ｔ ｍ ｉ
世界各国 对细水雾灭火技术开展了广泛、 深人的 研究， 并取得了 一系列重要成果［ 常规细水雾灭火 １１ － ３ 技术属于抑制、 熄灭火灾的物理方法， 因此在某些特殊 火灾场所的应用存在不足［． ［ 研究人员发现， ４ ］ 常规细 水雾灭火 技术难以 有效扑灭位于障碍物保护下的火 焰； 对于通风良 好的空间， 由于雾滴大量损失， 降低了 常规细水雾的 灭火有效性； 环境温度低于０ 当 ℃时， 水 会结成冰， 限制了低温情况下细水雾的应用． 因此， 进 一步提高 常规细水雾的 灭火有效性、 发展清洁、 效的 高
匀 分布 ， 并且液滴表 面保持 液体一 蒸气相平衡
实验研究
整个 实验 在 自制的抛光金属热表面雾滴蒸发实验 台上进行 ， 实验装置示意见 图 １包 括压 电陶瓷雾滴发 ， 生器 、 溶液瓶 、 两个桶 形加热 器的镀镍 圆铜块 、 内装 一 块洁净的抛光金属表 面、 温控器 以及 Ｃ Ｄ摄像机 ． Ｃ
添加剂的 纯水慢 在此基础上， 建立了 单个半球雾滴的传热传质蒸发模型 并进行了数值模拟， 在定性上与 实验结果
相一致 ． 关键词 ：添加剂 ；细水 雾雾滴 ； 蒸发速率 ； 数值 模拟
中 图分类号： ９２ Ｘ３
文献标志码： Ａ
文章编号：０６８ ０２０）２０１ ０ １ －７ （０６０－２７ ４ ０ ４ －
误差控制在 １℃以内． 每次实 验通过触 发雾滴发 生器
雾滴撞击 到热表面上后 ， 大 的展开直径 可 以由 最
经 公 计 ［， 验 式 算［ 即 ７ ）
产生一 滴雾滴撞击距喷嘴下方６５ ．ｃ ｍ的热表面， 细水 雾雾 滴的蒸发过程都用 ＣＤ摄象机进行记录， Ｃ 然后对 图 像一幅一幅进行分析， 可以精确得到雾滴的蒸发时
圈 １ 实验装里 示意
果， 加剂加人会影响雾滴的 但添 蒸发过程 ， 如降低雾滴
的蒸气压 以及传质驱 动力 ， 提高溶液 的沸点 ， 改变水 的
Hale Waihona Puke Baidu
２ 理论分析
雾滴撞击受热表 面后迅速展 开 ， 变成扁球形 ， 如图 ２ 所示 ． 雾滴和加 热表 面之 间的热量 传递决 定 了雾滴 的蒸发速率 ， 笔者建立 了在加热表 面上含 有添加 剂的 雾滴蒸发模型 ， 用于预测雾 滴的蒸 发速率并 和实 验结 果进行 比较． 为便于推导 ， 以下假设 ： 进行
其他物理特性等． 此外， 水蒸发以 残留的固 后， 体溶质 会继续留在热表面上， 不会参与灭火过程． 因此研究含
添加剂的细水雾雾滴 的蒸 发过程 有助于揭示含添加剂 细水雾的灭火机理．
笔者选用分别含 ３％６％ ０ ， 质量分数的醋酸钾添加 ０
剂的水溶液和含 ３％ ６％ ０ ，０ 质量分 数的碘化钠添加剂的 水溶液作为研究介质 ， 过压 电陶瓷雾滴 发生器产 生 通
用分别含３％６％ ０ ， 质量分数的醋酸钾添加剂的水溶液和含 ３％６溉 ０ ０ ， 质量分数的碘化钠添加剂的水溶液作为研究 ０ 介质， 通过压电陶瓷雾滴发生器产生均匀的细水雾雾滴， 观察雾滴在热金属表面的蒸发过程， 实验过程中 金属表面
的温度控制在 ５ １０℃． ０－ ０ 研究表 明， 给定 的温度条件下 ， 在 含醋酸钾和碘化钠 的水 溶液 的平 均燕发速率要 比不含
ｓ ｉｌｓｓｅｓｒ ｃ ｗｓ ｆｒｅ． ｕｏｓ ａ ｒ ｔｎ ｇ ０ ｅ ｈｐｒ ｎａｅ ａｄ ％ ｅ ｈ ｐｒｅｔｇ） ｔｎｅ －ｅｌ ａｅ ｐｒ ｍ ｄ Ｓｌｉ ｏｗ ｔ ｃｎａ ｉ ３％（ ｉ ｔ ｃ ｔ ） ６ （ ｉ ｔ ｃｎａｅ ａ ｓ ｔ ｕｆ ａ ｅｏ ｏ ｔｎ ｆ ｅ ｏ ｉｎ ０ ｗ ｇ ｅ ｅ ｇ ｎ ０ ｗ ｇ ｅ ｏ ｐｔ ｓ ｍ ｅａ ａｄ ｉｍ ｉｅ ｐｃｖｌｗｒ ｕｅ ｉｔｅ ｅｉｅｔ Ｓｒｃ ｔｍ ｅ ｔ ｅ ｕｅ ｉｔｅ ｅ－ ｆ ａ ｉ ａ ｔｅ ｓｄｕ ｉ ｄ ｒｓｅｔｅｙ ｅ ｄ ｈ ｅｐｒ ｎ ． ｆ ｅ ｐｒ ｕ ｓ ｄ ｈ ｍｐｒ ｏｓ ｕ ｃ ｔ ｎ ｏ ｏ ｄ ｅ ｉ ｅ ｓ ｎ ｘ ｍ ｓ ｕ ａ ｅ ａ ｒ ｓ ｎ ｉ ｍｅｔｒｎｅ ｆｍ ｎｓ ｇｄ ５ ａ ｏ ｒ ０℃ ｔ １０℃．Ｔｅ ｒ ｅ ｐｒ ｏ ｒｔｓ ｔｅ ａｓｍ ｅ ｔ ａｄ ｄ ｍ ｄｄ ｓｕｏｓ ｏ ０ ｈ ａｅａ ｅａｏａ ｎ ｅ ｆ ｈ ｐｔ ｉ ａ ｔｅ ｓ ｉ ｉ ｉ ｏ ｔｎ ｖ ｇ ｖ ｉ ｔ ａ ｏ ｒ ｏ ｓｕ ｃａ ｎ ｏ ｕ ｏ ｅ ｉ ｌ ｗｒ ｆ ｎ ｌ ｅｔａ ｔａｏｐｒｗ ｔ ａａ ｅ ｓｒｃ ｔ ｅ ｔｅ Ａ ｌｅａｏ ｔｎ ｄｌ ｄｖｌｐｄ ｉｔ－ ｅ ｏ ｄ ｒ ｎ ｔ ｕｅ ｅ ｔ ｉ ｎ ｆ ｅ ｒ ｕ ． ｓ ｅ ｐｒｉ ｍ ｅ￣ ｅｅ ｅ ｔ ｎ ｒ ｅ ｕ ｏ ｗ ｈ ｈ ｆ ａ ｒ ｇ ｖ ｕａ ｅ ａｒ ｍｐ ｉ ｍｐ ｖ ａｏ ｏ ｏ ｏ ｅ
细水雾雾滴在几何尺寸为５ ｘ ｘ ｃ ｃ ３ ０５ ｍ ｃ ． ｍ ｍ 的抛光不锈钢表面上进行蒸发， 不锈钢固定在表面积
相同、 厚度为 １２ ｃ ．５ ｍ镀镍铜块上 ， 镍铜 块用来 加热 镀
图 ２ 皿滴抽 击热衷面后剖面图
不锈钢， 并通过温控器将表面温度保持在 ５ －０ ℃ ， ０１ ０
第 １卷 第３ ２ 期
２０ ６年 ６月 ０
燃 烧 科 学 与 技 术 Ｊｕｎｌ Ｃ ｍｂｓｉ Ｓｉ ｃ ａｄ ｃｎｌｇ ｏｒａ ｏ ｏ ｕｔｎ ｅ ｅ Ｔ ｈｏｏｙ ｆ ｏ ｃｎ ｎ ｅ
Ｖ．ｏ ． Ｎ． Ｊ ３ ｕ １ － ｎ １ ２
２ 阳６ ｔ
含添加剂雾滴蒸发速率的实验及数值模拟
Ｅ ａｏａｏ ｏ ａ ｌＷａｅ Ｄ ｏｌ Ｃ ｎａ ｉ Ａ ｄｔｅ ｖｐｒｔ ｎ Ｓ ｌ ｔ ｒｐｅ ｏ ｔｎｎ ｄ ｉｖ ｉ ｆ ｍａ ｒ ｔ ｉ ｇ ｉ
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间． 采用频闪照相机记 录雾滴 离开发生器 的形态 ， 撞击 热表 面前 的直径和平均撞 击速度 ， 验时雾 滴的平 均 实
擎 ＝ ６Ｒ ｝ 。１ Ｗ） （州ｅ ｅ ＂ Ｕｏ
击前后质量守衡来计算雾滴 瞬时球冠高度 Ｈ ．
（） １
式中：￣为碰 Ｄ 撞后液滴最大展开直径， ； ｃ Ｄ 为初始 ｍ ｏ 液滴直径， ； Ｗ ｂｒ Ｒ 为Ｒｙｏｓ 按撞 ｃ Ｗ 为 ｅｅ数；ｅ ｅ ｌ 数． ｍ ｅ ｎｄ
ｐ ｔ ｅ ｅｍｎｄ ｌ， ｉｐ ａ ｌｉａｒｓ ｌｔｅ ｗｈ ｄ ｈ ｅ ｅｍｎｌ ． ｅ ｈ ｐｉ ｅｅ ｔ ｈ ｍ ｅ ｓ ｇ ｕｉ ｖｙ ｒ ｆ ｐｉ ａ ａ ｒ ｔ ｘ ｒ ｅｔ ｒｕｓｔ ｓ ｌ ｎｙｓ ｅｑａｔｉｌ ｉ ｔｎ ｏｔ ｘ ｒｅｔ ｄａ ｅ ｓ ｅ ａ ｅ ａ ｔ ｅ ｅ ｔ
撞击速度为（２ ） ｓ通过测量初始雾滴的溶液 ７ ｔ ｃ／． ２ ｍ 密度、 雾滴直径和溶质浓度， 可以计算出 单个雾滴中的
初始含水量 ， 利用初始含水量 除以雾滴的蒸发时间 ， 就 可得到单个雾滴 的平 均蒸 发速率．
６ Ｄ＋ ｒ ｗ４ Ｈ一Ｄ Ｈ ＿ ？ （ Ｚ ）６ ０ ３
（ ２）
一旦Ｈ决定了， 球冠的曲 率半径 Ｒ 可由式（） ３获 得１ ８ １
（） １ 相对于雾滴在加热表面上的 蒸发时间， 雾滴
获得最大展开直径 的时间较短 ， 可忽略 ； （）蒸发过程 中雾滴维持 初始最 大展开直 径 ， ２ 只 有 Ｈ是时间 的函数 （ 图 ２ ； 见 ）
均匀的细水雾雾滴 ， 雾滴直径控制在 。３ ．ｍ ｍ到。６ ． ｍ ｍ之间， 观察雾滴在热金属表面的蒸发过程 ， 揭示含
（． Ｋ Ｌ ｏａｒ ｏ ｉ Ｓ ｅ ｅ Ｕ ｖｍｔ ｆ ｅ ｅ Ｔｃｎｌｙ ｏ ｈｎ Ｈ ｅ ３０６， ｎ； ｔｅ ｙ ｂｒｏ Ｆ ｉ ｃ， ｉｅｉ ｏ Ｓｉ ｃ ａｄ ｈｏ ｇ Ｃ ｉ ， ｆ ２０２ Ｃｉａ １Ｓａ ｅ ａ ｔ ｆ ｃ ｎ ｔ ｙ ｅ ｒ ｎ ｙ ｃｎ ｎ ｅ ｏ ｆ ａ ｅ ｉ ｈ ２Ｎ ｔｎｌ ｃｒｔｎ ｄ ｔｎ ｂｒｔ ， ｉ ｒｔ ｏＳｉ ｃ ａｄ ｃｎｌ Ｃｉａ Ｈｆｉ ０６ Ｃ ｉ ） ． ｉ ａＳｎｈ ｒ Ｒ ｉｉ Ｌ ｏ ｏ Ｕ ｖ ｓｙ ｃ ｎｅ Ｔ ｈｏｏ ｏ ｈ ， ｅ２０２ ， ｎ ａｏ ｙ ｏｏ ａ ａｏ ａ ａ ｒ ｎ ｅ ｉ ｆ ｅ ｙ ｎ ｅ ｙ ｇ ｆ ｎ ｅ ３ ｈａ
作者简介： 刘江虹（９ １“一
）男可 博土，ｈ ｕｃｅｕ二 ｌ＠ ． ・ ｉ ｓ ｄ ｔ
・２ ８ ・ １
燃
烧
科
学
与
技
术
第 １ 卷 第 ３期 ２
很小， 它们会被上升的 火焰羽流带 ， 走 绝大多数的小 雾
滴不 大可能到达火 苗 的根 部 ， 而出现 在周 围温度相对
较低的 环境里， 从而减慢 了 雾滴的蒸发速度［． ］ ’ 这些
收稿 日期 ： ０５ ０ －５ ２ ０－ ８０
含添加剂细水雾灭火技术成为当今国际火灾科学前沿
的 究 点 一［ 研 热 之 ［ ５ ］
常规细水雾以 水为灭火介质， 而含添加剂细水雾 是以水为载体， 通过添加超高效化学类灭火介质， 利用 水的物理灭火机制和添加剂的 化学 灭火机制共同作用 来抑制、 熄灭火灾． 适当的添 加剂不但可以解决水的冰 点问题， 且还能增强灭火效果， 而 扩展其应用范围，
小雾滴撞击在火焰 范 围之外 的表 面上 ， 或者撞 击在火
场中的障 碍物上， 最终会在这些热表面上进行蒸发， 它
们一方面通过表 面冷却来 降低火 焰的传播 速率 ， 另一
方面通过火焰卷吸雾滴蒸发产生的水蒸气， 发挥间接 的灭火作用． 当只有少量的雾滴穿过热羽流到达火焰
的根部时 ， 离火焰 区的雾滴蒸 发过程 将对灭火 起到 偏 关键作用． 在细水雾 中加 人添加 剂会提 高它 的灭 火效
１０ 年 ６ ０６ 月
刘江虹等 ； 添加剂雾滴蒸发速率 的实验及数值模 拟 含
Ｒ６４ 卜３ 。Ｈ Ｄ十 ＿ 二（ ＿‘ Ｈ
（ ３）
加， 平均蒸发速率呈下降趋势．
（－ 』 ．严 ０ １） ￣ 瓣 月 瑕 飨
添加剂细水雾在加热 表面上 的蒸 发特性 ． 在此基础 上
建立单个半球雾滴的 传热传质蒸发模型 并进行数值计
算。 将实验结果 与计算结 果进行 比较分析．
（） ３ 加热表面无限 热容； （） ４ 蒸气与液体界面之间 主要是分子扩散； （） ５ 蒸发过程中 液滴内 溶解盐的 瞬时 浓度径向 均
细水雾 施放后 ， 由于细水 雾 中小 雾滴 的动量一 般
甚金项目： 国家自然科学基金资助项 目（０２０５ ； ５３３０）国家重点基础研究发展ｉ划（７） ９３资助项目（０１ ０６９ ２０Ｃ４９０）安徽省人才开发基金资助 ３ ；
项 目（０３，１） ２０ ７ ９ ． ０