开口位置对细水雾灭室内油盘火影响研究

杜文锋，戴仕杰

(中国人民武装警察部队学院消防工程系，河北廊坊 065000)

细水雾灭火技术具有灭火效率高，水渍损失小等优点，利用细水雾灭室内火是消防科技的重点研究领域之一［1－8］。开口通风对细水雾灭室内火有重要影响。目前，对细水雾灭墙壁开口的室内火已进行了广泛研究，并取得了许多重要成果［2，4－7］，但对细水雾灭顶棚开口的室内火则鲜有研究［1，3，8］。由于顶棚开口和墙壁开口两种情况下室内外气体流动交换和室内燃烧状况均有较大差别，因此可以预期，细水雾灭顶棚开口的室内火的灭火效果应与墙壁开口的室内火灭火效果有较大的区别。鉴于此，本文将实验研究不同开口方位对细水雾灭火效果的影响，以求了解开口状况对细水雾灭火效果的影响，为细水雾灭火技术的应用提供理论基础。

1 实验方法

1.1 开口设置

灭火实验在图1所示的燃烧室中进行。燃烧室长、宽、高均为1.5 m。燃烧室前壁为5 mm厚的钢化玻璃，其余壁面由水泥石膏板制成。通过前壁钢化玻璃可观察室内油盘火燃烧和烟气流动的情况。为方便室内实验设施的安放和调整，试验箱一侧设有尺寸为1.5 m×1.0 m的门。顶棚开口根据研究需要取三种开口位置中的一种:中央开口、顶棚边缘开口和顶棚角落开口。墙壁开口位于一面墙的水平对称位置，其上边沿与顶棚距离保持20 cm不变。所有开口均为正方形，开口面积根据需要取15 cm×15 cm、20 cm×20 cm、25 cm×25 cm和40 cm×40 cm等四种尺寸之一。

图1 燃烧室及其开口位置示意图

1.2 细水雾灭火系统

细水雾灭火系统由细水雾喷头、空气压缩机、储水罐、比例减压阀、压力计和控制装置等部分组成。储水罐额定压力为1.5 MPa。喷头出口水压为1.0 MPa。燃烧室顶棚正中心垂直向下安装一个由山东亚特美喷雾有限公司生产的细水雾喷头，其主要工作参数如表1所示。

表1 细水雾喷头主要参数

1.3 室内火源

室内火源为圆形柴油油盘火，位于燃烧室地板中心位置，其热释放速率取决于油盘面积和室内燃烧条件。考虑到本实验重点研究特定开口情况对细水雾灭火效果的影响，因此，实验数据处理时以火源直径(代表火源面积)表征火源的热释放速率，而不具体考虑燃烧条件的改变对火源热释放速率的影响。根据实验需要，油盘直径取15 cm、25 cm、35 cm和45 cm等四个值。

1.4 数据测量

油盘点火时，油盘尺寸、环境条件等因素对油面燃烧热释放速率和稳定火焰的形成时间有较大影响。为了统一灭火初始条件，降低这些因素对细水雾灭火效果的影响，每次点火后，先让油盘在室内燃烧50秒，使油面上方形成稳定火焰，之后启动细水雾灭火，并记录细水雾的灭火时间。

为了消除试验误差，每个实验工况进行两次实验，实验结果取两次实验的平均值。

2 结果与分析

2.1 灭火时间的一般变化规律

细水雾灭室内火时，灭火时间取决于燃烧室的构造、室内可燃物的燃烧状况和细水雾的工作状况。显然，在本文规定的实验条件下，细水雾的灭火时间仅取决于开口状况和油盘直径。大量的实验数据表明，虽然不同开口条件对灭火时间的具体数值有影响，但并不影响灭火时间的定性变化规律。因此，本文以墙壁开口为例对细水雾灭火时间随开口面积和油盘直径(代表室内燃烧热释放速率)变化的一般规律加以说明。

图2给出了墙壁开口时灭火时间随油盘直径和开口面积的变化关系。可以清晰的看出，细水雾的灭火时间呈现两大规律:一是随着油盘直径的增大，灭火时间逐渐减小;二是对相同直径的油盘火或相同的火源热释放速率，细水雾的灭火时间随着开口面积的增大而增大，但当油盘直径增大到45 cm时，开口面积的变化对细水雾的灭火时间影响很小。

图2 墙壁开口时的细水雾灭火时间曲线

细水雾的灭火时间之所以随着油盘直径的增大而减少，是以下原因共同作用的结果:(1)火源热释放速率越大，室内的温度越高，水雾蒸发形成的水蒸气数越多，因此，水蒸气对氧气浓度的稀释作用越明显;(2)火源热释放速率越大，燃烧耗氧速率越大，因此，室内氧气浓度下降越迅速;(3)热释放速率越大意味着燃烧的产烟速率越大，因此，室内烟气量聚积越迅速。在细水雾的冲击混合下，进入到燃烧区域起灭火作用的烟气量越多。

当油盘直径45 cm时，开口面积的变化对细水雾灭火时间影响不明显。作者认为这是因为当油盘直径在45 cm时，燃烧产烟速率相对于开口处的排烟速率很大，因此，在本文限定的开口面积范围内，无论开口面积怎样变化，通过开口流出的烟气总是室内产烟速率，导致室内烟气迅速聚积和火源附近的氧气浓度迅速降低，从而使油盘火易于被细水雾扑灭;而当火源热释放速率很小时，例如油盘直径为15 cm时，烟气生成量较小，室内烟气聚积速度的决定因素是开口面积。开口面积越大，烟气溢出越迅速，室内烟气聚积对火源燃烧的影响越小。因此，开口面积越大，细水雾灭火时间越长。反之，开口面积越小，灭火时间越短。

2.2 开口位置对灭火时间的影响

图3给出了不同开口面积和开口位置时，灭火时间随油盘直径的变化曲线。从图可知，开口位于墙壁和顶棚时，灭火时间均随油盘直径的增大而减小，但两种开口位置情况下的灭火时间有较大差别。当油盘直径较小，例如，当油盘直径为15 cm时，墙壁开口时的细水雾灭火时间大于顶棚开口时的细水雾灭火时间;而当油盘直径为35 cm和45 cm时，墙壁开口时的灭火时间小于顶棚开口时的灭火时间。即火源热释放速率存在某一临界值，当火源热释放速率小于临界值时，墙壁开口的灭火时间大于顶棚开口的灭火时间;反之，当热释放速率大于此临界值时，墙壁开口的灭火时间小于顶棚开口的灭火时间。

对两种开口位置的灭火时间的差异可作如下解释:

图3 墙壁开口和顶棚开口时的灭火时间曲线

文献［1，3］对顶棚开口情况下开口处的烟气和空气进行了详细研究。研究表明，当开口位于墙壁时，开口处高温烟气从开口上部流出，空气从开口下部流入，虽然高温烟气和空气流动方向相反，但二者占据同一开口的不同部位，因此，在开口处空气流动和烟气流动相互之间影响较小。由于高温烟气层在浮力作用下始终处于空气的上方，因此，空气进入室内后，能够直接进入燃烧区域支持燃烧持续进行。而当开口位于顶棚时，烟气流出开口和空气流入开口的方向相反，且占有相同的通道。因此，二者相互阻碍，既不利于烟气流出，也不利于空气流入。

当油盘直径为15 cm时，由于燃烧产烟速率较小，被水雾射流携带进入燃烧区域的烟气较少，因此，燃烧是否熄灭主要取决于氧气的补充速度和细水雾对燃烧反应的抑制。当开口位于墙壁时，由于烟气与空气通过开口时的分层流动特征，外界空气比顶棚开口时更容易进入火源支持燃烧。因此，在相同的细水雾作用条件下，细水雾灭火时间高于顶棚开口时的灭火时间。

随着油盘直径的增加，燃烧产烟速率越来越大。在此情况下，随细水雾进入燃烧区域的烟气成分成为重要的灭火介质。在墙壁开口的情况下，由于开口上沿与顶棚存在20cm的距离，因此，烟气将在顶棚下方形成一定体积的蓄烟池。而当开口位于顶棚时，烟气在形成顶棚射流时即开始从开口处溢出，在此情况下，烟气在顶棚下方的聚积速度将明显不如墙壁开口时顶棚下方的烟气聚积速度大。正是由于墙壁开口时室内蓄烟能力较强，因此，当室内燃烧速率较大，例如，油盘直径为35 cm和45 cm时，随同细水雾一起进入燃烧区域的烟气对燃烧起较大的抑制作用。因此，墙壁开口时的细水雾灭火时间小于顶棚开口时的细水雾灭火时间。

从图3还可以看出，当开口位于顶棚中央、顶棚边沿和顶棚角落时，对于相同的火源，细水雾灭火时间依序减小。这是因为三种情况下空气进入燃烧区域的距离依序增大，不利于补充燃烧耗氧的结果。对此，文献［8］已进行了系统研究与说明。

3 结论

综合以上实验结果及理论分析，得到以下重要结论:

(1)无论开口位于墙壁还是顶棚，细水雾灭火时间均随着开口面积的增大而增大，随着燃烧热释放速率的增大而减小。

(2)当火源热释放速率小于某一临界值时，墙壁开口时细水雾的灭火时间比顶棚开口时细水雾的灭火时间长。而当火源热释放速率大于该临界值时，墙壁开口时的细水雾灭火时间小于顶棚开口时细水雾的灭火时间。

(3)分析表明，墙壁开口和顶棚开口两种情况下，开口处室内外气体交换能力的差异和燃烧室蓄烟能力的差异是导致灭火时间出现差异的原因。

［1］陈兵.船舶顶部开口舱室油油盘火灾模拟实验研究［D］.合肥:中国科学技术大学，2011.

［2］ Chow W.K，Li Y.F.A review on studying extinguishing room fires by water mist［J］.Journal of Applied Fire Science，2003，11(4):367 －403.

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［8］杜文锋，戴士杰.顶棚水平开口对细水雾灭室内火的影响研究［J］.消防科学与技术，2013，32(3):280－293.