障碍物遮挡条件下细水雾与油池火相互作用的实验研究

朱小勇，房玉东，廖光煊

（1.安徽省芜湖市消防支队，芜湖，241000；2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026）

0 引言

在火灾环境中，障碍物的遮挡使灭火变得更加困难。实验证明障碍物的存在对预混火焰或者非预混火焰都有稳定作用［1］，传统的水喷淋灭火系统无法有效扑救障碍物遮挡火焰。研究人员在没有障碍物的情况下进行了大量的细水雾灭火实验，结果表明对于航空煤油火焰，在喷射覆盖范围之内细水雾可以迅速的熄灭火焰，灭火时间基本小于20秒［2－6］。美国NIST研究机构进行了细水雾扑救计算机箱体内部有遮挡火焰的实验研究［7］，结果表明在细水雾工作压力低于1MPa的情况下，很难扑灭机箱内部有遮挡的火焰；当压力升高到2MPa时，灭火效果有所改善，细水雾可以扑灭某些遮挡火焰，但他们没有进行细水雾工作压力大于2MPa的实验。此外，已有研究表明细水雾对烟气有显著的冲刷作用。细水雾不仅能提高火场的能见度，还能吸附与溶解有毒产物，促使烟颗粒凝聚沉降，降低火灾中烟气的危害性［8，9］。目前国际上关于细水雾与障碍物火相互作用的研究基本局限在工作压力小于2MPa范围内［10－15］，因此有必要进行更高压力的细水雾与障碍物火相互作用的研究工作。本文主要针对障碍物油池火进行了细水雾灭火有效性的全尺寸实验研究，深入了解了高压细水雾对障碍物油池火的抑制熄灭作用。同时研究了障碍物与火焰的相对位置、细水雾的工作压力、喷头距离火焰垂直距离等关键因素对灭火有效性的影响，分析了在有障碍物遮挡的情况下细水雾灭火的主导机理。揭示了细水雾作用下火灾烟气中CO、CO2、O2浓度的变化规律，验证了高压细水雾在灭火过程中可以有效提高火场氧气浓度并降低烟气中一氧化碳及二氧化碳的浓度。

1 实验装置及工况

实验是在8m×10m×5m的全尺寸受限空间内进行的，实验中采用0.85m×0.75m×0.75m的铁制桌子作为障碍物，实验装置示意图如图1所示。桌子安放在喷头正下方、距喷头中心轴线约0.5m和1.0m处。在受限空间其中一长边侧墙（10m）靠近顶角处设置一机械排烟口（如图1所示），排烟量约为0.114m3／s。机械排烟只在每次测试结束后开启。实验受限空间有两个门，但在实验时处于关闭状态。实验中采用RP5型航空煤油作为燃料，油盘直径为0.16m、深度为0.01m，水平放置于地面，位于桌子的下方，测试时考虑桌子下中心和距中心约0.3m两个位置，油盘与桌子的摆放位置如图1、图2所示。细水雾喷头安置在受限空间的中心位置，测试中喷头考虑距地面4.5m和2.7m两个高度，且只考虑细水雾垂直下喷方式。利用M9000型烟气成份分析仪测量细水雾作用前后CO、CO2、O2的浓度，烟气分析仪采样探头设置在距地面约2.5m高度处（中心线上方、距火源1.0m），以着重研究细水雾作用对上部烟气的影响。采样探头每隔1s采样一次。选用高压瓶组式细水雾灭火系统进行灭火实验，该系统可提供的最高工作压力为4MPa。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental apparatus

图2 障碍物、油盘位置示意图Fig.2 Schematic diagram of the obstacle and oil pan locations

细水雾由7N型压力雾化喷头产生，实验中利用LDV／APV激光多普勒分析仪测量了细水雾的粒径及速度。图3给出了喷头下方1m处不同径向位置雾滴速度及其粒径的测量结果。细水雾雾滴的速度随压力增大而增大，且随径向距离的增加而减小；雾滴粒径随压力增大而减小，且随径向距离的增加而增大。细水雾喷头的雾化锥角为120°。实验时环境温度为30℃。

实验工况如表1所示。每种工况进行三次实验取平均测量结果。首先进行喷头距离地面高度为4.5米的实验，在每种工况下分别进行多种细水雾工作压力的灭火实验。实验开始时，首先调整好障碍物与油盆的相对位置。点燃油池火，经过20秒左右的预燃时间，油池达到稳定燃烧阶段后，开始施加细水雾。当火焰熄灭后，关闭供水阀，打开排烟通道，清理实验环境，进行下一个工况的实验。然后进行喷头距离地面高度为2.7米的单个喷头实验，实验过程同上。在实验中如灭火时间超过120秒，记录灭火失败。最后对采集到的实验数据进行处理分析。

图3 细水雾雾滴速度及其粒径的测量结果Fig.3 Measurement results of droplet velocityand diameter of water mist

表1 实验工况Table 1 Experimental cases

2 实验结果与分析

2.1 细水雾灭火有效性分析

由图4可以看出，在工况1的条件下，细水雾只能抑制火焰的燃烧，火焰很难被熄灭。当压力升高时，这种情况也没有得到改善，主要是因为障碍物完全遮挡了火焰，只有少量的细水雾通过卷吸作用到达火焰区域，由于细水雾不能大量进入火焰区域，表面冷却的灭火机理不能充分发挥，因此细水雾的灭火性能受到了限制。在工况2的条件下，当细水雾压力增大到1MPa时可以在105秒左右的时间熄灭火焰，细水雾灭火所需时间随着压力的升高而缩短。当压力超过3MPa后继续增大压力灭火时间没有明显缩短。由图4可以看出在工况7的条件下，细水雾还是难以快速熄灭火焰。在工况8的条件下当细水雾工作压力超过1MPa时，可以熄灭油池火。同工况2相比，在相同的工作压力下细水雾灭火时间有所降低，这主要是因为喷头高度降低，到达火焰区域的细水雾动量明显增加，细水雾对火焰的冲击作用大大增强，笼罩在桌子周围的细水雾通量也明显增加，强化了细水雾的隔绝氧气和降温作用，从而提高了细水雾的灭火效率。

图4 灭火时间与水压之间关系（工况1、2、7、8）Fig.4 Relationship between the fire extinguish time and water pressure（Case 1，2，7and 8）

由图5可以看出，在工况3的条件下当压力增大到1MPa时，细水雾可以熄灭火焰，但灭火所需时间仍较长。在这种工况下虽然不能快速灭火，但细水雾可以有效的抑制油池火。在工况4的条件下当细水雾工作压力达到0.5MPa时，火焰被熄灭。当细水雾工作压力增大到3MPa以上时，细水雾灭火时间降低到40秒左右，由此看出在该工况下细水雾的灭火效率随着压力增大明显提高。主要是因为在该位置障碍物没有完全遮挡火焰，细水雾通过卷吸作用大量的进入火焰区域，同时有一部分细水雾直接作用在火焰根部，随着细水雾喷射动量的增加细水雾的表面冷却和拉伸火焰作用得到了显著的提高。从图5还可以看出，工况9灭火时间小于工况3。工况10的灭火时间随着压力的升高大大的降低了，灭火效果明显好于工况4。当压力达到3MPa时细水雾灭火所需时间大约为4秒左右，原因主要有两点：一是因为压力增大后，细水雾的粒径减小，动量增大，从而提高了雾滴的蒸发吸热速率，增强了细水雾穿透火羽流的能力，同时细水雾喷射动量增大之后可以更加有效地冲击火焰根部，限制了火焰的发展；二是因为喷头高度降低使得卷吸进入火焰区域的细水雾通量增大，强化了细水雾表面冷却作用。由此看出火源在部分被遮挡的情况下，当喷头高度降低到2.7米时增大细水雾的工作压力可以有效地提高细水雾的灭火效率。这表明喷头距离火源的垂直距离及水平距离明显地影响细水雾的灭火效率。

图5 灭火时间与水压之间的关系（工况3、4、9、10）Fig.5 Relationship between the fire extinguish time and water pressure（Case 3，4，9and 10）

图6 灭火时间与水压之间的关系（工况5、6、11、12）Fig.6 Relationship between fire extinguish time and water pressure（Case 5，6，11and 12）

由图6可以看出，在工况5的条件下细水雾很难熄灭火焰，这主要是因为喷头距离油盆的水平距离过大，再加上障碍物的遮挡使得细水雾很难大量进入到火焰区域，随着水压的升高细水雾对火焰的抑制效果有所提高。在工况6的条件下灭火情况得到了明显的改善，当压力增大到3MPa时可以在50秒左右熄灭火焰。这主要是因为障碍对火焰的遮挡程度变小，同时喷头距离火焰的水平距离缩小。在工况11的条件下还是很难灭火。在工况12的条件下当压力增大到3MPa时，细水雾可以快速熄灭火焰，灭火时间在8秒钟左右。由于工况12喷头距离火源的水平距离大于工况10，因此灭火时间稍大于工况10。

2.2 CO、CO2、O2浓度变化分析

为了考察在细水雾长时间作用下火场氧气、一氧化碳及二氧化碳浓度的变化规律，特选取灭火所需时间较长的工况6（40s＜t＜80s）进行烟气组分浓度变化规律分析。由图7可以看出，在没有细水雾作用的情况下，火场的氧气浓度随着燃烧反应过程的进行不断降低，这是由于燃烧反应大量消耗氧气造成的。当施加了细水雾之后，火场氧气浓度开始上升，火场氧气浓度上升的速度随着细水雾工作压力的增大而增加。在1MPa和2MPa工作压力下，细水雾不能熄灭障碍物火焰，但在细水雾的作用下火场氧气浓度维持在19%左右；在4MPa工作压力下，当火焰熄灭时，火场氧气的浓度上升到20.6%。这是因为细水雾在灭火过程中抑制了燃烧反应，从而降低了氧气的消耗，同时由于细水雾的卷吸作用不断的卷吸新鲜空气进入火场，因此在灭火过程中火焰附近氧气浓度得到了提高。

图7 氧气浓度随时间的变化规律Fig.7 Variation of O2concentration via time

图8 二氧化碳浓度随时间的变化规律Fig.8 Variation of CO2concentration via time

由图8中可以看出，在没有细水雾作用的情况下，火场二氧化碳浓度不断上升，在燃烧20秒之后二氧化碳浓度已经上升到2%，进入充分燃烧阶段二氧化碳浓度上升速度加快。当施加细水雾之后火场的二氧化碳浓度随之下降，二氧化碳浓度下降的速度随着细水雾工作压力的增大而增加。在4MPa的工作压力下，当火焰熄灭时，火场二氧化碳浓度下降到0.3%左右。这是因为细水雾抑制了燃烧反应过程，降低了二氧化碳的生成速率。同时大量的二氧化碳气体吸附在烟颗粒上，在细水雾的冲刷作用下，大量的烟颗粒碰撞凝结并溶解在水中迅速沉降。因此在灭火过程中随着工作压力的增大，细水雾冲刷烟气的能力不断增强，从而有效地降低了火场二氧化碳的浓度。

图9 一氧化碳浓度随时间的变化规律Fig.9 Variation of CO concentration via time

图9表明，在没有细水雾作用的情况下，由于燃烧反应过程充分，火场一氧化碳浓度缓慢上升，在60秒之内上升到200ppm左右。当施加细水雾之后，在1MPa及2MPa工作压力下，一氧化碳浓度上升速度加快，在细水雾施加40秒后，上升速度减慢，这是因为火焰区内细水雾受热气化之后体积迅速膨胀，占据了大量空间，降低了氧气的体积分数，从而使燃烧化学反应过程不完全，导致一氧化碳大量产生。但在4MPa的工作压力下，当细水雾施加后一氧化碳浓度上升的速度明显小于1MPa及2MPa的情况，且当细水雾施加25秒之后，一氧化碳浓度开始下降，当火焰熄灭时，火场一氧化碳浓度下降到30ppm左右。这是由于在压力较低时，细水雾雾滴的粒径较大、速度较低，其与火羽流相互作用中对火焰燃烧起到了一定抑制作用但不够彻底，导致因局部燃烧不充分等原因致使CO浓度上升；当压力较高时，细水雾雾滴粒径减小、速度增大，其与火羽流相互作用时对火焰燃烧的抑制作用增强，同时因其穿透力较强致使可到达燃料表面的液滴增多，导致热解挥发份的产生降低且火焰燃烧得到较完全的抑制，因而这种情况下CO浓度有所下降。

3 结论

本文通过12种工况的实验，研究了细水雾与障碍物遮挡油池火相互作用的规律，得出如下主要结论：

（1）障碍物对火焰的遮挡程度对细水雾的灭火效果具有明显的影响作用。当障碍物完全遮挡住火焰时，由于细水雾无法直接进入火焰区域和作用到燃料表面，其冷却火焰和燃料表面的灭火机理受到限制，火焰很难被熄灭。但在压力增大的情况下，细水雾可以有效地降低火焰温度和火焰高度，控制燃烧的规模。

（2）当障碍物部分遮挡火焰时，增大细水雾的工作压力、缩短喷头距离火源的水平距离和垂直高度，均可缩短细水雾的灭火时间，因此在细水雾的实际应用中，应充分考虑细水雾喷头的布置以及优化设计细水雾系统的工作压力。

（3）在高压细水雾的作用下，烟气中一氧化碳及二氧化碳的浓度明显下降，并最终维持在人能接受的安全范围之内；同时烟气中氧气的浓度明显上升，说明细水雾的应用还有利于火场人员的安全。

［1］崔正心，等.细水雾抑制障碍物稳定火焰的实验研究［J］.火灾科学，2001，10（3）：174－177.

［2］Grant G，et al.Fire suppression by water sprays［J］.Progress in Energy and Combustion Science，2000，26（2）：79－130.

［3］Kim AK，et al.Water－mist system can replace halon for use on electrical equipment［J］.Canadian Consulting Engineer，1996，（5）：30－32.

［4］Mawhinney JR.Water－mist fire suppression systems for the telecommunication and utility industries［A］.Proceedings：Halon Alternatives Technical Working Conference［C］，Albuquerque，1994.

［5］Mawhinney JR.Findings of experiments using water mist for fire suppression in an electronic equipment room［A］.Proceedings：Halon Options Technical Working Conference［C］，Albuquerque，NM，1996.

［6］Ndubizu CC，et al.On water mist fire suppression mechanisms in a gaseous diffusion flame［J］.Fire Safety Journal，1998，31（3）：253－276.

［7］Grosshandler W，et al.Protection of data processing equipment with fine water sprays ［R］， NISTIR 5514，1994.

［8］张小艳，等.微细水雾除尘技术的实验研究［J］.环境污染与防治，2003，25（4）：234－236.

［9］张小艳.微细水雾除尘系统设计及实验研究［J］.工业安全与环保，2001，27（8）：1－4.

［10］Liu Z，et al.A review of water mist fire suppression technology：part II－application studies［J］.Journal of Fire Protection Engineering，2001，11（1）：16－43.

［11］丛北华，等.含添加剂的细水雾与油池火的相互作用［A］.全国高校工程热物理会议［C］.2002，677－685.

［12］Richard G.Next generation fire suppression technology program［J］.Fire Technology，1998，34（4）：363－364.

［13］Finnerty AE. Water－based fire－extinguishing agents［A］.In：Proceedings of Halon Options Technical Working Conference［C］，Albuquerque，New Mexico.1995，461－471.

［14］Michelle D.King，et al.Evaporation of a small water droplet containing an additive［A］.Proceedings of the ASME National Heat Transfer Conference［C］..Baltimore，1997.

［15］Daniel Madrzykowski.Water additives for increased efficiency of fire protection and suppression ［A］.Fire Detection，Fire Extinguishment and Fire Safety Engineering［C］.NRIFD 50thAnniversary Symposium Proceedings.Tokyo，Japan，1998.