CO2和ABC干粉灭火剂扑灭火旋风火焰实验对比分析*

解北京，杜玉晶，曾 膑

(1.中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083；2.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地，河南 焦作 454000)

0 引言

火旋风在浮力火羽流和流场耦合作用下被诱发，火旋风形成后，螺旋上升运动使燃烧剧烈程度加剧，产生的飞火会导致火灾蔓延[1-3]。因此，从火旋风形成机制、火焰温度场分布特征以及燃烧特性等方面入手，研究火旋风火焰的扑灭与抑制是重要且有意义的。为了研究火旋风的火焰燃烧特性，目前在实验室条件下，国内外学者主要通过设计圆筒式或垂直壁面式装置来满足火旋风形成所需的旋转流、摩擦力与流体汇3个基本条件，模拟火旋风的产生[4-9]。

对于火旋风火焰燃烧特性的研究，武红梅等[10]采用2 m×2 m×15 m的大尺寸火旋风发生装置，通过实验与数值模拟得到火焰中心温度与轴向速度随高度的分布规律；张光辉等[11]利用6壁面的火旋风发生装置生成火旋风，通过模拟分析得到火旋风临界环量与火焰尺寸的线性关系；解北京等[12]、杨春英等[13]依据火旋风火焰实际燃烧特征将火焰分为根部、中部和顶端3个燃烧区域；对于火旋风火焰的扑灭研究，秦俊等[14-15]对比分析了超细水雾对一般池火和火旋风的扑灭效果，发现细水雾能通过冷却和稀释氧气浓度来抑制火旋风。

目前尚未有火旋风火焰灭火抑制的相关研究，为深入研究灭火剂对火旋风火焰的燃烧抑制作用，在实验室条件下利用自制火旋风发生测量装置[16]生成火旋风，选用ABC干粉灭火剂和CO2灭火剂分别进行灭火实验，对2种灭火剂作用下火旋风在降温阶段火焰温度场变化特征进行拟合分析，探讨2种灭火剂扑灭火旋风的效果，实验结果对预防和扑灭火旋风灾害具有重要意义。

1 实验系统设计

1.1 实验方案

选择正庚烷作为燃料，风机出风口速度设为1.5 m/s，使用自制小型火旋风发生装置[16]生成火旋风，在3种不同实验条件下进行灭火实验。灭火剂通过人工手持的方式，由竖直槽道顶端中心位置释放，喷射时长由秒表计时进行控制，具体实验方案见表1。其中，实验2第1次喷射灭火剂时长过短，火焰复燃，在火焰回燃至稳定燃烧状态后于47.6 s时进行灭火剂的2次喷射，增加灭火剂释放时长至2 s。

表1 实验方案Table 1 Experimental scheme

1.2 实验装置

实验室自制火旋风发生装置由旋风罩与竖直槽道2部分组成[12,16]。扑灭火旋风火焰的实验数据收集所用传感器和数据信号采集设备如下：1)铠装K型热电偶：直径1 mm，测温范围0～1 200℃，响应时间<200 ms，置于竖直槽道200～1 100 mm火焰中轴线上，间距100 mm，共10个；2)火焰传感器：检测760～1 100 nm范围内光源，于竖直槽道一侧每间隔250 mm放置1个，共4路；3)摄像仪：HD高清索尼HDR-PJ820E摄像仪；4)8937电压/温度单元：采样速率1 MS/s，温度测量4 kS/s；5)HIOKI 8842T存储记录仪：采样速率1 KS/s。图1为扑灭火旋风火焰实验系统装置图和以正庚烷为燃料生成的火旋风火焰。

图1 实验装置及火旋风火焰Fig.1 Experimental device and fire whirlwind flame

1.3 灭火剂性能参数选择

实验选用CO2灭火剂和高效多功能ABC干粉灭火剂。其中，CO2灭火剂纯度≥99.5%，高效多功能ABC干粉灭火剂型号为MFJ520L。CO2灭火剂通过CO2的迅速汽化，吸收热量并排挤稀释燃烧区空气降低空间氧气含量，通过窒息和冷却作用使火焰熄灭[17]。高效多功能ABC干粉灭火剂通过化学反应消耗火焰中的·OH 和·H自由基中断燃烧的连锁反应，粉粒受高温作用发生分解吸收部分热量，起到使火焰熄灭的抑制作用[18]。

2 火焰温度场变化特征实验结果分析

实验1生成的火旋风在正常燃烧至自然熄灭过程中火焰的温度场变化，如图2(a)所示；图2(b)为实验2使用CO2灭火剂下火旋风火焰温度场变化曲线；图2(c)为实验5使用ABC干粉灭火剂下火旋风火焰温度场变化曲线。

图2 火旋风火焰温度场变化Fig.2 Temperature field change of fire whirlwind flame

由图2可以看出，火旋风的燃烧过程按温度变化情况可以分为点火后温度迅速升高的升温阶段，火焰温度保持稳定的燃烧阶段以及随燃料燃尽火焰温度逐渐下降的降温阶段。实验1中火旋风在保持稳定燃烧至147.60 s后，由于正庚烷燃料不足，蒸发量减小，火旋风火焰温度场呈“上凸”型缓慢下降，降温阶段耗时约150 s；实验2分别于40.1 s和47.6 s进行了CO2灭火剂的释放，由于CO2灭火剂第1次喷射仅持续1 s，CO2释放量不足导致火旋风火焰复燃，于47.6 s再次喷射CO2灭火剂，由于2次灭火剂喷射间隔较短，燃料消耗小且火焰已重新恢复稳定燃烧状态，故认为2次灭火行为之间相互影响关系较小，第2次喷射CO2灭火剂后火焰温度场变化可视为1次完整的灭火过程，取47.6 s后火焰温度场变化结果进行分析。在CO2或ABC干粉灭火剂作用下，火旋风火焰不同高度的温度呈现出相同的“下凹”型变化趋势，且降温时间明显缩短。因此，以实验2～5灭火剂喷射时刻作为火焰降温的起始时刻，截取不同灭火剂作用下火旋风降温阶段火焰温度场的变化曲线并进行拟合分析。

2.1 CO2灭火剂作用下火焰温度场变化

以实验2第2次灭火剂喷射时刻与实验3灭火剂喷射时刻作为火焰降温的起始时刻，截取CO2灭火剂作用下火焰温度场衰减曲线。其中，实验3火旋风火焰温度场的衰减曲线如图3所示。

图3 实验3 CO2灭火剂作用下火旋风火焰温度场变化Fig.3 Temperature field change of fire cyclone flame under the action of CO2 fire extinguishing agent of experiment 3

由图3可以看出，在接触CO2灭火剂后，火旋风火焰温度场在短时间内迅速衰减，火焰不同高度温度均呈“下凹”型衰减趋势。CO2灭火剂由竖直槽道顶端进行喷射，因此，火焰不同高度温度变化按接触灭火剂时间不同存在先后之分，最先接触灭火剂的火焰顶端区域温度场先发生下降，其次是火焰中部，最后是火焰根部。CO2灭火剂通过释放大量CO2气体降低火旋风火焰周围氧浓度，并通过CO2的汽化吸收大量热量，通过对火焰燃烧的冷却及窒息作用扑灭火旋风火焰。

2.2 ABC干粉灭火剂作用下火焰温度场变化

实验4与实验5对生成的稳定火旋风火焰由竖直槽道顶端中心喷射ABC干粉灭火剂，其中，实验5火旋风火焰在ABC干粉灭火剂作用下温度场变化如图4所示。

图4 实验5 ABC灭火剂作用下火旋风火焰温度场变化Fig.4 Temperature field change of fire whirlwind flame under the action of ABC fire extinguishing agent of experiment 5

由图4可以看出，燃烧稳定的火旋风火焰在ABC干粉灭火剂作用下，短时间内火焰不同高度的温度迅速衰减并且呈现规律性地“下凹”型变化，火焰顶部、中部以及根部区域温度下降同样存在先后之分。ABC干粉灭火剂喷出的干粉进入燃烧区与火焰混合，对火焰中的·OH和·H自由基进行化学抑制，迅速降低维持燃烧所需要的自由基浓度，从而使燃烧反应终止，扑灭火旋风火焰。

3 火旋风火焰温度场衰减拟合分析

火旋风火焰的温度场变化是分析灭火剂灭火效果的主要依据，CO2气体或干粉颗粒物对火焰燃烧有直接影响，火焰的降温速率与灭火剂灭火性能紧密相关[19]。利用软件Origin8.0对实验2～5喷射灭火剂后火旋风火焰温度场随时间的衰减规律用下式进行指数方程拟合[20-22]：

y=k×Tm×e-ax

(1)

式中：Tm为各组实验喷射灭火剂后火旋风火焰降温阶段的初始温度，℃；k为温度平衡常数，用以修正实验中热电偶等因素带来的温度测量误差；a为灭火剂对火焰温度场降温及灭火的影响系数；x为喷射灭火剂后火旋风火焰温度场降温耗时，s。

基于文献[12]和文献[13]中的火旋风火焰分区及各区域火焰燃烧特征，选取各组实验中火旋风火焰根部300 mm处，火焰过渡区800 mm处和火焰顶端1 000 mm处的温度衰减曲线进行拟合。由于火旋风火焰根部区域的火焰旋转剧烈，温度最高，以实验3和实验5火焰300 mm处温度衰减曲线及指数方程拟合曲线为例(见图5～6)进行火旋风火焰的灭火效果分析。实验2～5火焰300 ，800和1 000 mm处的拟合结果见表2。

图5 实验3 CO2灭火剂下火焰300 mm处降温及拟合曲线Fig.5 Cooling curve and fitting curve of fire cyclone flame at 300 mm under CO2 fire extinguishing agent of experiment 3

图6 实验5 ABC灭火剂下火焰300 mm处降温及拟合曲线Fig.6 Cooling curve and fitting curve of fire cyclone flame at 300 mm under ABC fire extinguishing agent of experiment 5

由图5和图6可以看出，燃烧稳定的火旋风火焰在CO2灭火剂或ABC干粉灭火剂作用下温度场呈指数形式衰减，开始时降温速度快且温度下降幅度大，降温曲线呈“下凹”型。当温度下降至正庚烷自燃点附近，火焰降温速率与降温幅度有所减小，随后火焰降温曲线缓慢下降至环境温度(最低温度)后保持不变。对比图5与图6，相较于CO2灭火剂，ABC干粉灭火剂作用下火旋风火焰300 mm处温度拟合曲线斜率、降温速率及温度下降幅度更大。

表2 火旋风火焰温度场拟合参数值Table 2 Fire cyclone flame temperature field fitting parameter value

由表2可以看出，火焰根部区域、火焰过渡区域与火焰顶端区域的降温初始温度相差较大，各组实验中火焰同区域的降温初始温度在修正后相差不大，与前人研究的火旋风火焰分区结果保持一致。受灭火剂由竖直槽道顶端喷射的影响，CO2灭火剂或ABC干粉灭火剂在火焰根部、中部及顶端3个不同分区的影响系数a不同，由于各组实验中喷射灭火剂时火焰不同高度的初始温度不同，可以通过计算CO2灭火剂或ABC干粉灭火剂作用下火焰温度场的降温速率，结合降温过程火焰光信号变化数据进一步分析2种灭火剂对于火旋风火焰的灭火效果。

实验2～5生成的火旋风火焰在不同高度降温曲线的拟合决定系数R2均在0.90以上，说明函数拟合效果较好，即在CO2灭火剂或ABC干粉灭火剂作用下，火旋风火焰的温度场随时间的下降趋势符合指数衰减的变化规律。

4 火旋风火焰灭火效果分析

由于火旋风火焰根部区域燃烧剧烈，温度最高，分析该区域火焰在CO2或ABC干粉灭火剂喷射作用下的温度场变化特征对于研究火旋风扑灭有重要意义。因此，选取火焰根部300 mm处温度变化曲线为分析对象，计算实验2～5在喷射灭火剂10 s内火旋风火焰下降温度，结合降温阶段火焰光信号数据，分析2种灭火剂对火旋风火焰的灭火效果。其中，实验2～5火焰300 mm处10 s内降温数值见表3，火焰根部区域获取的光信号变化如图7所示。

表3 火旋风火焰根部300 mm处降温数据Table 3 Cooling data at 300 mm of the root of the whirlwind flame ℃

由表3可知，实验2～4火旋风火焰300 mm处的初始降温温度分别为713.00，738.75，805.00和772.50℃；实验2和实验3火旋风300 mm处火焰在喷射CO2灭火剂后10 s内分别降温509.37℃和495.01℃；实验4和实验5火旋风300 mm处火焰在喷射ABC干粉灭火剂10 s内分别降温568.02℃和526.55℃。相同时间内ABC干粉灭火剂作用下火焰下降温度远大于CO2灭火剂作用下火旋风火焰根部下降温度，说明对燃烧起抑制及冷却作用的ABC干粉灭火剂降温效率更高，灭火效果更好。

图7描述了经STA/LTA算法处理后实验2～5火旋风火焰450 mm处的光信号振幅及STA/LTA比值变化，计算可得实验2～5火焰根部对应的脉冲数分别为11 022，6 263，10 236和10 280。

图7 火旋风火焰根部区域光信号Fig.7 Fire whirlwind flame root area light signal

由图7可以看出，正常燃烧阶段火焰根部的光信号波动频率低且稳定，喷射CO2灭火剂或ABC干粉灭火剂后火焰光信号变弱且波动明显，实验2第1次喷射CO2灭火剂后出现火焰回温现象。相比于CO2灭火剂，ABC干粉灭火剂作用下火焰根部光信号低阈值波动分量多，波动频率明显减弱，火焰灭火效果更好。

由灭火剂作用下火旋风火焰降温速率及光信号变化可知，喷射CO2灭火剂和ABC干粉灭火剂对火旋风火焰均有良好的灭火效果，但CO2灭火剂作用下火旋风火焰会出现复燃现象，相同时间内火旋风火焰在ABC干粉灭火剂作用下降温速率更快，且光信号波动明显减弱，高阈值分量明显减弱。因此，对火旋风火焰燃烧起抑制作用的ABC干粉灭火剂降温效率更高，灭火效果更好。

5 结论

1)火旋风在CO2灭火剂或ABC干粉灭火剂作用下，火焰的温度场衰减曲线呈明显“下凹”型变化，并且下降温度与降温时间之间存在确定的指数关系。

2)对CO2灭火剂或ABC干粉灭火剂作用下火旋风火焰温度场衰减曲线进行拟合，发现2种灭火剂对火焰的影响系数不同，并且受灭火剂由槽道顶端喷射的影响，火焰根部、中部及顶端不同区域的灭火剂影响系数不同。

3)对比2种灭火剂作用下火旋风火焰温度场的降温速率及光信号变化情况，相较于对火焰燃烧起冷却与窒息作用的CO2灭火剂，对火焰燃烧起抑制作用的ABC干粉灭火剂对火旋风火焰的降温效率更高，火旋风火焰的扑灭效果更好。