受限空间开口对细水雾灭火有效性影响实验研究*

周　洋，卜蓉伟，陈　波，张武晖

(1.中南大学 土木工程学院，长沙 湖南 410075；2.广州中国科学院工业技术研究院，广州 广东 511458；3.庆阳市公安消防支队，甘肃 庆阳，745000)

0　引言

建筑受限空间火灾在日常生活中极为常见，如卧室、储物间、办公室、厨房等，受限空间内部可燃物种类繁多、火灾载荷大，引发火灾后给生命财产安全带来极大的威胁。细水雾灭火作为卤代烷系列的主要替代技术之一，具有高效、稳定、成本低、易于得到、无环境污染、对防护对象破坏性小等特点[1-5]。

细水雾的灭火有效性不仅与细水雾的灭火机理有关，且同时与火灾场景密切相关[6]。尽管近年国内外细水雾灭火有效性的研究取得了新的进展，但是对受限空间内细水雾灭火有效性影响研究较少。Liu[7-8]等人通过测定室内温度、CO2和O2浓度，利用全尺寸实验研究了不同通风条件下细水雾的灭火效果，实验结果表明通风情况是影响细水雾灭火效果的一个重要因素，指出在强制通风条件下细水雾灭火效果会因为房间和周围环境强烈的质量交换而降低，但同时也指出通风对细水雾灭火效果的影响取决于火场中的火源位置和所选用的细水雾灭火系统；Mawhinney[9]等人指出通风情况下细水雾的喷雾动量应足够大，在通风条件未知的情况下，即使细水雾灭火系统可以快速灭火，细水雾施加时间也应该设置得更长；Yang[10]等人利用全尺寸火灾实验和数值模拟的方法研究了细水雾的灭火特性，发现数值模拟结果与实验数据符合的很好，并提出建立用于预测细水雾灭火特性数值模型的思想；Jenft[11]等人发现当细水雾施加在火灾充分燃烧阶段时，火灾能够被快速地扑灭，而当细水雾应用在火灾发展的初期时，要实现灭火则需要细水雾较长时间的施加；房玉东[12]等人通过实验研究发现施加细水雾之后，烟颗粒中的球形基本粒子吸收了烟气中的饱和水蒸汽，体积和重量均有所增大；另一方面，速度较大的细水雾能更有效的冲击烟颗粒，强化雾滴与烟颗粒之间的碰撞运动，有利于雾滴与烟颗粒之间发生凝聚和合并，从而加速烟颗粒的沉降过程；此外，房玉东[13]还通过全尺寸火灾实验研究了细水雾作用下烟气组分浓度的变化规律；陆强[14]等人研究了细水雾灭油池火时各种影响因素的相对重要度；黄鑫、刘江虹[15]等人研究了细水雾扑灭油池火的临界条件；丛北华[6]等人做了细水雾抑制熄灭室内火灾的有效性模拟实验研究；李晓康[16]等人基于数值模拟技术研究了在受限空间内不同周期脉冲细水雾的灭火效率。本文就单一开口，通过依次改变开口位置以及开口尺寸，对特殊受限空间内开口位置和开口尺寸对细水雾灭火有效性影响进行了实验研究。

1　实验装置

利用合理的尺度间动力学法则，参照科学的尺度关系，建立小尺寸灭火实验平台。采用特殊受限空间模拟实验台，如图1所示，简化后的实验装置如图2所示。实验台外部尺寸为1.2 m×1.2 m×1.2 m，考虑到特殊受限空间内的烟气层温度可能超过600℃，为避免实验舱因高温而变形，整个受限空间外围为6 mm厚的钢板。由于实验舱应该具备一定的隔热效果，在无开口的内壁面上嵌入8.5 mm厚的防火板。为方便实验观测，在实验舱左右两侧壁面上安装封闭的防火玻璃观察口，并利用右侧观察口处的摄像机记录火灾的发展与变化的全过程。将正面壁面换成8.5 mm厚的隔火板。在隔火板上的不同位置开口，进行细水雾灭火实验。本实验细水雾发生装置采用罐式系统，细水雾压力额定为0.7 MPa。此外，实验中引燃火源之后开始计时，利用秒表来控制细水雾的开启时间，并通过录像来确定点火时刻，细水雾的施加时刻和火焰的熄灭时间。

图1　特殊受限空间模拟实验台Fig.1　Schematic of the special confined experimental system

图2　实验系统简化示意Fig.2　Simplified experimental system

本实验采用9路热电偶分2层测烟气层温度，分布方式如图3所示，第一层5个短热电偶距顶部250 mm，第二层4个长热电偶距顶部500 mm，考虑细水雾影响，将中心两路热电偶偏离中心位置向右200 mm，向前200 mm。热电偶H和C靠近开口。热电偶的规格为直径1.2 mm的镍铬—镍硅K型铠装热电偶，测温范围为0～1 000℃。然而，为了方便数据进行对比分析，需将A至I的9个热电偶温度数据经过如下处理转换为热烟气层的平均温度。

图3　热电偶分布示意Fig.3　Diagram of thermocouple distribution

首先，对每一层热电偶所测的温度求平均，得到2个不同高度下的平均温度T1，T2。然后利用状态方程平均法[17]，求得烟气层平均温度。

(1)

再对上式的分母离散化，得到：

(2)

式中：H2，H1分别表示上层热电偶和下层热电偶的高度，mm；h2，h1分别表示T2，T1对应的热电偶的高度，mm。

2　实验场景设计

为了达到实验的目的，弄清开口对特殊受限空间内细水雾灭火有效性的影响，就要分清开口位置的影响和开口大小的影响。故选取150 mm×150 mm，200 mm×200 mm 2种不同大小的油盆，采用汽油和柴油2种不同的燃料，并采用不同的开口尺寸，改变开口位置，设计56个实验工况，见表1。

表1　开口对特殊受限空间内细水雾灭火有效性影响实验工况设计及实验结果Table 1　Experimental conditions and results under theinfluence of vents on water mist suppression effectiveness

续表1

3　实验结果及比较分析

不同工况下细水雾的启动时间不同，细水雾的灭火时间也不相同，具体的细水雾灭火实验结果见表1。发现大多数情况细水雾均不能有效灭火，但能以控火的形式抑制火焰和烟气层温度。根据对实验现象的观察，细水雾在工况48下虽不能有效灭火，但控火作用显著，因此以典型工况48为例进行如下分析。

如图4所示，图中为9组重复实验曲线。在施加细水雾之前，受限空间烟气层温度迅速上升，但上升速率越来越小，在140 s左右施加细水雾后，烟气层温度下降，但细水雾不能有效灭火，只能控火，让烟气层温度维持在一个平衡的范围内波动，直至燃料燃完。为进一步说明细水雾的抑制作用，设置一组未施加水雾组作为对照，其与工况48唯一不同为实验中不施加水雾。图5显示了工况48与其未施加水雾时的烟气层平均温度变化对比。

图4　典型细水雾灭火过程中温度变化情况(工况48)Fig.4　Temperature profiles during water mist fire suppression (Condition 48)

图5　不同工况下烟气层平均温度变化对比 Fig.5　Variation curves of average smoke temperature under different conditions

3.1　开口位置对细水雾灭火有效性的影响

由于对称性，即左上开口与右上开口雷同，本实验考虑的开口位置有3种，即上、中、下。至于左右不对称开口、上下小移动距离开口、2个以上复合开口，由于实验条件所限，本文不予讨论。

3.1.1典型工况41，45，49的典型结果与分析

这3组实验开口大小均为0.3 m × 0.3 m，燃料均为400 g的93#汽油，油盆大小均为150 mm × 150 mm，分别对应上、中、下3种开口位置，其特殊受限空间内烟气层平均温度变化如图6所示。

图6　烟气层平均温度变化Fig.6　Variation curves of average smoke layer temperature

由图6可知，细水雾施加之后，相当长时间内烟气层平均温度继续升高，因此火灾在工况41，45，49下并未能得到有效的抑制，也即灭火失败。这是因为对于低闪点的汽油，低流量的细水雾(0.7 MPa)不仅难以通过稀释作用使可燃气体浓度降低至临界浓度之下，也难以通过冷却作用达到灭火的效果。但是相对而言，通过对开口位置不同的3组实验结果进行分析，开口位置由下至上，由于烟气排放越来越容易，施加细水雾以后特殊受限空间内烟气层温度由高到低，可见细水雾抑制火灾有效性同样是由低至高。但由于开口大小相同，空气卷吸难度虽有所不同，但卷吸量却差不多，烟气成分分析得氧气浓度相差不多，由下至上，分别为19.2%，18.1%，20.1%左右，二氧化碳浓度却由高到低，分别为2.2%，1.3%，0.5%左右。

为得到上述结论，仅1组实验结果还不能证明该结论的准确性，因此通过改变开口尺寸、火源大小、燃料验证该结论的正确性。

3.1.2实验结论的验证

1.不同开口尺寸

1)工况29，33，37这3组实验开口大小为0.3 m×0.6 m，开口位置、火源大小、燃料均与典型工况(工况41，45，49)相同。其特殊受限空间内烟气层平均温度变化如图7所示。

图7　烟气层平均温度变化Fig.7　Variation curves of average smoke layer temperature

通过对3组实验结果进行分析，发现开口位置由下至上，细水雾抑制火灾有效性由低至高，即工况37，33，29的抑制火灾有效性逐渐升高，这与实验结论相符，工况33细水雾能够有效的抑制火灾的发展。

2)工况17，21，25 3组实验开口大小为0.6 m×0.6 m，开口位置、火源大小、燃料均与典型工况相同。其特殊受限空间内烟气层平均温度变化如图8所示。实验结果与实验结论相符，工况25细水雾有效灭火。

图8　烟气层平均温度变化Fig.8　Variation curves of average smoke layer temperature

2. 不同火源面积

工况42，46，50 这3组实验油盆大小改为200 mm×200 mm，开口位置、燃料、开口尺寸与典型工况相同。其特殊受限空间内烟气层平均温度变化如图9所示。发现其温度分布与实验结论相符。由于火源尺寸变大，热释放速率变高，故平均温度较高。

图9　烟气层平均温度变化Fig.9　Variation curves of average smoke layer temperature

3.不同燃料种类

工况44，48，52与典型工况相比，这3组实验将燃料改为350 g柴油，50 g汽油引燃，油盆大小改为200 mm×200 mm，其他条件不变。其特殊受限空间内烟气层平均温度变化如图10所示。发现这3组实验温度较为符合实验结论，但不是特别明显。实验场景52在380 s左右，由于柴油中水滴积累较多，突然发生剧烈燃烧。

图10　烟气层平均温度变化Fig.10　Variation curves of averaged smoke layer temperature

3.1.3实验结论

综上所述，可得以下结论：开口位置由下至上，细水雾抑制火灾有效性由低至高。结合细水雾灭火机理，分析可能原因如下。

1)冷却原因：开口位置越靠近下方，烟气越容易聚集，烟气层越厚，细水雾吸收热量越多，越易蒸发，越不容易接触火焰，减少能直接吸收火焰区热量，降低火焰温度的雾量，不能有效抑制火焰。

2)动力学机制原因：开口位置越靠近下方，烟气越容易聚集，烟气层越厚，阻力越大，细水雾越不容易通过烟气层，降低了细水雾的动量，减弱细水雾对火焰的抑制作用。开口位置越靠近下方，卷吸空气越容易，氧气越容易补充，火焰越不容易扑灭，降低了细水雾对火灾的抑制作用。

3)外部原因：开口位置越靠近下方，烟气越不容易排放，更容易对喷头造成堵塞，降低了细水雾的雾通量，减弱细水雾对火灾的抑制作用。

3.2　开口尺寸对细水雾灭火有效性的影响

由于实验条件所限制，本文讨论开口的尺寸有全尺寸1.2 m×1.2 m，半尺寸0.6 m×1.2 m，1/4尺寸0.6 m×0.6 m，1/8尺寸0.3 m×0.6 m，1/16尺寸0.3 m×0.3 m以及全封闭0 m×0 m等6种尺寸。

3.2.1典型实验工况1，21，45，53的结果与分析

这4组实验开口大小分别为1.2 m×1.2 m，0.6 m×0.6 m，0.3 m×0.3 m，0 m×0 m，燃料均为400 g 93#汽油，油盆大小均为150 mm×150 mm，开口位置均在开口面正中位置。其特殊受限空间内烟气层平均温度变化如图11所示。

图11　烟气层平均温度变化Fig.11　Variation curves of smoke layer temperature

通过对开口尺寸不同的4组实验结果进行分析，开口尺寸由大至小，由于烟气排放越来越难，施加细水雾以后特殊受限空间内温度由低到高，可见细水雾抑制火灾有效性也是由高至低。但对于工况53，可能由于全封闭不能卷吸空气，氧气不足，燃烧不充分，火焰较为容易抑制造成的。

为得到上述结论，仅一组实验结果还不能证明该结论的准确性，因此通过改变开口位置、火源大小、燃料验证该结论的正确性。

3.2.2实验结论的验证

1.不同开口位置

1)工况9，17，29，41。这4组实验开口大小分别为0.6 m×1.2 m，0.6 m×0.6 m，0.3 m×0.6 m，0.3 m×0.3 m，开口位置均在开口面左上位置，火源大小、燃料均与典型工况(工况1，21，45，53)相同，其特殊受限空间内烟气层平均温度变化如图12所示。实验结果表明：开口尺寸由大至小，细水雾抑制火灾有效性也是由高至低，即工况9，17，29，41的抑制火灾有效性逐渐降低，与实验结论相符，工况9和17出现强化燃烧现象。

图12　烟气层平均温度变化Fig.12　Variation curves of mean smoke layer temperature

2)工况5，25，37，49。这4组实验开口大小分别为0.6 m×1.2 m，0.6 m×0.6 m，0.3 m×0.6 m，0.3 m×0.3 m，开口位置均在开口面右下位置，火源大小、燃料均与典型工况相同。其特殊受限空间内烟气层平均温度变化如图13所示，发现施加细水雾以后特殊受限空间内温度由低到高，符合结论，工况25有效灭火。

图13　烟气层平均温度变化Fig.13　Variation curves of average smoke layer temperature

2.不同火源面积

工况2，22，46，54 的4组实验油盆大小均改为200 mm×200 mm，开口位置、燃料、开口尺寸与典型工况相同，其特殊受限空间内烟气层平均温度变化如图14所示。通过对4组实验结果进行分析，发现与典型工况结论完全相同，但也出现了相同的问题，工况54处于全封闭环境，不能卷吸空气，火焰较为容易抑制。对比工况53和54，发现氧气浓度都一直处于20%左右，说明并不是氧气不足造成的，故可得：当开口足够小时，卷吸空气扰动火焰作用足够小时，开口越小，细水雾越容易抑制火焰。

图14　烟气层平均温度变化Fig.14　Variation curves of average smoke layer temperature

3.不同种类燃料

工况3，23，47，55的 4组实验燃料改成了350 g的柴油，用50 g汽油引燃，开口位置、火源大小、开口尺寸与典型工况相同。其特殊受限空间内温度变化如图15所示，发现符合结论。工况23中温度最后出现较大扰动是因为雾水进入油盆，由于燃料是柴油，发生强化燃烧造成的。对于全封闭空间的结论，考虑工况55燃料是柴油，烟气更多，故烟气层平均温度较高，但从抑制火焰的角度看是更为容易，符合结论。

图15　烟气层平均温度变化Fig.15　Variation curves of average smoke layer temperature

3.2.3实验结果分析

综上所述，可得以下结论：开口尺寸由大至小，细水雾抑制火灾有效性先是由高至低，当开口足够小时，甚至接近全封闭，细水雾抑制火灾有效性则是由低至高。结合细水雾灭火机理，分析原因如下。

1.冷却原因：开口尺寸越小，烟气越不容易排放，烟气层越厚，细水雾吸收热量越多，越易蒸发，越不容易接触火焰，减少能直接吸收火焰区热量，降低火焰温度的雾量，不能有效抑制火焰。

2.动力学机制原因：开口尺寸越小，烟气越不容易排放，烟气层越厚，阻力越大，细水雾越不容易通过烟气层，降低了细水雾的动量，减弱细水雾对火灾的抑制作用。受限空间内的火灾会受到卷吸空气的影响，处于一个有扰动的燃烧环境，而且这种扰动是不利于细水雾抑制火灾的。

3.外部原因：开口尺寸越小，烟气越不容易排放，更容易对喷头造成堵塞，降低了细水雾的雾通量，减弱细水雾对火灾的抑制作用。

4　结论

1)特殊受限空间内，在相同条件下，开口位置由下至上，细水雾抑制火灾有效性由低至高。

2)特殊受限空间内，在相同条件下，开口尺寸由大至小，细水雾抑制火灾有效性由高至低。当开口尺寸足够小以后，细水雾抑制火灾有效性由低至高。

3)开口对特殊受限空间内细水雾灭火有效性影响的主要原因是烟气排放的难易不同，动力学机制在灭火过程中起到了十分重要的作用。

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