冷激波灭火系统中激波对灭火效果和周边环境的影响＊

蒋耀港，马宏昊，沈兆武，程扬帆，范志强，汪 泉

（中国科学技术大学近代力学系，安徽 合肥 230027）

针对特殊火场火灾（如高楼火灾、森林火灾等），各种新的灭火思想和消防设备应运而生，如激波灭火［1］。对激波灭火的真正研究始于20世纪90年代初，A.M.Grishin等［2］从实验、模拟和实际观察等方面对激波与林冠火相互作用做了研究。张艳等［3］、常熹钰等［4］通过实验和数值模拟发现激波可以扑灭林冠火。但激波的高温、高压特性使激波在灭火的同时也会对火场周边造成不同程度的损伤。沈兆武等［5－6］结合 FAE （fuel－air explosive）战斗部思想提出了冷激波灭火的方法，该方法通过把激波能量转化为灭火介质的动能作用于火场区域来实现灭火。M.W.Glass［7］通过对FAE的研究发现，中心装药爆轰后，82%的能量用于液体燃料的动能和内能增加，18%的能量用于爆生气体的动能和内能增加，但并不能据此准确推测FAE起爆后在空中形成的激波强度。而作为冷激波灭火系统，灭火介质不仅有水基灭火介质，还有粉基灭火介质。因此，为了有效研究冷激波的灭火机理，必须研究冷激波灭火弹起爆后形成的激波对灭火效果及周边环境的影响。

1 纹影实验

纹影实验装置如图1所示：爆炸箱采用45钢焊接而成，尺寸为300mm×300mm×300mm，壁厚为10mm；窗口采用150mm×150mm×10mm的钢化玻璃；摄像采用OPTRONIS CR1000高速摄影机，拍摄频率为104s－1。爆炸抛撒装置如图2所示，灭火介质装填直径为6.8mm，长度根据装填质量而定。实验时，爆炸抛撒装置被竖直固定在实验箱顶部中心处，纹影视场高120mm，宽11.5mm。

采用碳酸氢钠粉体和水作为灭火介质，粉体的表观密度为1.1g／cm3，水的密度为1g／cm3，其他参数见表1，me为RDX炸药的质量，mm为灭火介质的质量。点火时刻为零时刻，实验结果见图3。

从图3（a）～（b）的粉基灭火介质爆炸抛撒纹影图片中能观察到激波现象，已用黑线标出；而图3（c）～（d）的水基灭火介质爆炸抛撒纹影图片中，即使增大比药量，也未观察到激波现象，即水基灭火介质爆炸抛撒后未能在空中形成激波。根据窗口尺寸比率和拍摄频率计算得到实验1和实验2的激波速度分别约为443和473m／s。

图1 纹影装置Fig.1 Schlieren apparatus

图2 灭火介质爆炸抛撒装置Fig.2 An explosion and dispersion apparatus for fire－extinguishing media

表1 纹影实验参数Table1 Parameters of schlieren experiment

图3 纹影实验结果Fig.3 Results of schlieren experiment

2 理论分析

对于水基灭火介质，由于水具有不可压缩性，且水的波阻抗远大于空气的波阻抗，因此在图3（c）～（d）的纹影实验图片中未观察到激波现象；而对于粉基灭火介质，由于其存在大量孔隙［8］，中心装药爆轰后冲击波在粉体内传播，使颗粒破碎、重排等，从而不断压缩颗粒间的孔隙空气，使粉体介质爆炸抛撒后在空气中形成激波。

火焰面处激波强度和波后质点速度分别为：

式中：Δp为波阵面上的超压（100kPa）；v0、p0和V0分别为波前介质速度（m／s）、压强（取100kPa）和气体质量体积（取0.775 2m3／kg）；v1和p1分别为波后介质速度和压强；vd为激波速度（m／s）；K 为气体的多方指数，取1.4。

假定初始速度v0为零，把实验所得出口处激波速度代入式（1）～（2）可得：波后压强p1为194kPa，超压为94kPa，波后质点速度为165m／s。尽管出口处波后质点速度较大，但是激波在空气中传播时，由于几何耗散，激波强度会随传播距离的增加而急剧衰减，其衰减关系［9］为

实验中激波速度测点距离抛撒装置5cm，而以尺寸为1m×1m的油盆火为例，激波要驱动可燃气体进入火焰面，需要传播约1m的距离，即折合距离增大20倍，由式（3）可得，爆炸超压衰减95%以上。波后质点速度

波后质点速度也衰减95%以上，即此时1m处的质点速度低于8.25m／s。实验1中灭火粉体被装填在强约束的管中，装填长度为5mm，灭火粉体在爆生气体作用下沿管道向外喷射，因此可假设为一维情况；而空中爆炸抛撒是三维情况，需考虑几何耗散，由量纲分析可得

图4 介质抛撒位移时程曲线Fig.4 Displacement－time profile of dispersion medium

式中：Δp0为抛撒装置出口处的爆炸超压；Δp′0为球形装药结构下，同等药量、同等距离处的爆炸超压为实验1中的折合距离。

实验2中冷激波灭火弹中抛撒药采用柱形装药，装药质量me为3g，装药密度为1.2g／cm3，内径r为6.8mm，粉体装填半径为5.2cm，因此，有［10］

式中：Δp1为冷激波灭火弹粉体边缘处的爆炸超压；Δp′1为球形装药结构下，同等药量、同等距离处的爆炸超压为实验2中的折合距离。

综合式（6）和式（7）可得：Δp0＞Δp1。因此对于普通冷激波灭火弹（比药量小于0.3%），即使是粉基灭火介质，爆炸抛撒所形成的激波强度也是非常微弱的。当弱激波到达燃烧火焰面时，所引起的波后质点速度（即可燃气体运动速度）低于8.25m／s。对比介质抛撒所引起的可燃气体运动，如图4所示，介质前沿以近似恒定的速度穿越油盆区域，其速度约为80m／s，即介质前沿可燃气体向外运动的速度约为80m／s，远大于激波引起可燃气体向外运动的速度。因此冷激波灭火弹爆炸所形成的激波对加快可燃气体的燃烧作用和后续的阻氧作用几乎可以忽略；同时由于激波较弱，其对周边环境的影响也可以忽略不计。

3 验证实验

为了验证上述理论结果，采用图5所示的实验装置拍摄冷激波灭火弹扑灭油盆火的过程。油盆尺寸为1m×1m，灭火弹尺寸为∅110mm×180mm，抛撒药质量为3g，燃料选用90汽油，高速摄像的拍摄频率为4×103s－1。油盆点火后，预燃一段时间，火焰面基本稳定后起爆冷激波灭火弹，灭火过程如图6所示。

图5 冷激波灭火实验装置Fig.5 Experimental apparatus for cold shock wave extinguishing fire

图6 冷激波灭火实验过程Fig.6 Fire－extinguishing process by cold shock wave extinguishing bomb

以冷激波灭火弹起爆时刻为零时刻，0≤t＜3ms，火焰面向外折叠，由壳体高速膨胀运动和抛撒药爆炸所形成的激波引起的扰动向外传播；t＝3ms，火焰面开始回缩，直到t＝5ms结束；冷激波灭火弹起爆后，灭火介质穿越火场，推动可燃气体到达火焰面，使火焰面亮度逐渐增大，同时灭火介质逐渐隔断火焰面和汽油；t＝48ms后，明火被冷激波灭火弹扑灭。

图7 区域A和B的位置Fig.7 Location of regions Aand B

本次高速摄影图片像素为400×248，图像由0～255个色阶组成（0代表黑色，255代表白色），其中高色阶色素所占图片色素百分比越多，代表燃烧越剧烈。选取每张图片同等位置处的A、B等2个区域，如图7所示；考察A、B等2个区域高色阶色素所占图片色素的百分比随时间的变化情况，如图8所示。

由图8可知，t＜5ms，各区域高阶色素（230以上）百分比变化不大，即激波对燃烧速率的影响较小；t≥5ms，灭火介质推动可燃气体到达火焰面，使各区域的高阶色素百分比逐渐增大，即各区域燃烧速率逐渐增大；随后灭火介质隔断火焰面和油盆，各区域高阶色素百分比逐渐减小，即燃烧速率逐渐减小，直至火焰熄灭。由此证明介质抛撒对加快可燃气体燃烧的作用大于激波的影响。因此该实验验证了冷激波灭火弹中激波对灭火效果和周边环境的影响可以忽略的结论。

图8 不同区域色素百分比时程曲线Fig.8 Pigment percent－time profiles in different regions

4 结 论

（1）在0.3%的比药量下，粉基冷激波灭火弹爆炸后会在空中形成弱激波，而水基冷激波灭火弹爆炸后只能在空中形成扰动（由壳体高速运动引起）。

（2）对比灭火介质抛撒加快可燃气体燃烧（加快灭火）的效果，冷激波灭火弹爆炸形成的激波对加快可燃气体燃烧的效果是可以忽略的；同时激波对周边环境的危害也是可以忽略的。因此冷激波灭火系统通过能量转换尽管降低了激波对灭火效果的影响，但同时也降低了激波危害，改善了激波灭火方法。

［1］冶金工业部安全技术研究所.苏联统一爆破安全规程［M］.武汉：冶金工业部安全技术研究所，1983：284.

［2］Grishin A M，Kovalev Y M.Experimental and theoretical investigation of the effect of an explosion on the front of crown forest fires［J］.Combustion，Explosion and Shock Waves，1989，25（6）：724－730.

［3］张艳，任兵，常熹钰，等.激波诱导可燃气体爆燃的数值模拟研究［J］.国防科技大学学报，2001，23（2）：33－37.Zhang Yan，Ren Bing，Chang Xi－yu，et al.Numerical simulation about the process that a shock wave induces the combustible gas deflagration［J］.Journal of National University of Defense Technology，2001，23（2）：33－37.

［4］常熹钰，易仕和，罗俊荣，等.激波喷出过程和在林带中的传播［J］.爆炸与冲击，2000，20（4）：373－378.Chang Xi－yu，Yi Shi－he，Luo Jun－rong.et al.Shock ejection from a tube and propagation in forest belt［J］.Explosion and Shock Waves，2000，20（4）：373－378.

［5］蒋耀港，沈兆武.比药量对冷激波灭火弹灭火效果的影响［C］∥刘殿书.爆破工程新技术Ⅱ.北京：冶金工业出版社，2008：875－880.

［6］蒋耀港，沈兆武，马宏昊.冷激波灭火弹的灭火机理及应用研究［J］.火灾科学，2007，16（4）：226－231.Jiang Yao－gang，Shen Zhao－wu，Ma Hong－hao.Mechanism and application of cold shock wave fire extinguishing bomb［J］.Fire Safety Science，2007，16（4）：226－231.

［7］Glass M W.Far－field dispersal modeling for fuel－air－explosive devices［R］.SAND－90－0528，1990：18－19.

［8］Ni Xiao－min，Kuang Kai－qian，Yang Dong－lei，et al.A new type of fire suppressant powder of zeolite nanocomposites with core－shell structure［J］.Fire Safety Journal，2009，44（7）：968－975.

［9］Henrych J.The dynamics of explosion and its use［M］.New York：Elsevier Scientific Pub.Co.，1979：126－128.

［10］马宏昊.高安全雷管机理与应用研究［D］.合肥：中国科学技术大学，2008：81－82.