低压环境对高压细水雾雾滴粒径影响的实验分析

贺元骅， 陶 波， 伍 毅 ， 张 政

(中国民用航空飞行学院民航安全工程学院，广汉 618300)

细水雾灭火技术有灭火效率高，无污染、安全环保等优点。相比之下，抑制火灾中传统的物理方法和化学方法都无法达到上述的特点。细水雾灭火技术正逐渐代替卤代烷系列灭火剂。

目前，已有研究结果表明细水雾的雾场特性参数会影响细水雾灭火效果，其中，雾场特性参数主要由雾通量、雾锥角及雾滴粒径大小的分布表示。对于细水雾灭火系统前人已经开展了大量的研究，其中，陈健等[1]研究了细水雾喷头内部雾化芯结构变化对水滴雾化效果的影响，通过设计14种不同雾化芯结构的喷头装置，结果得到四流道结构的细水雾喷头雾化效果最佳；杨克等[2]利用超细水雾灭甲烷在空气中爆炸引起的火灾，通过搭建相关实验平台，验证超细水雾对甲烷爆炸引起的火灾具有抑制作用；伍毅等[3]从细水雾喷头的流量系数方向研究其流量系数值的改变，对细水雾的雾场特性参数的影响，结果得出流量系数增大，细水雾的雾场特性参数也随之增大；陆林[4]开展了大尺度航空煤油池火的火行为研究，分别从温度、热流密度、氧浓度等参数进行分析，与此同时研究细水雾抑灭火效能；杨震铭等[5]研究分析了细水雾雾滴粒径的测量方法，采用相关技术测得细水雾雾滴粒径值的大小；余世雄[6]研究了细水雾灭海上油气火，通过对灭海上油气火的研究，得出细水雾广泛适用性的特点，并且也得出了高压细水雾灭海上油气火时的最佳粒径值范围为50～200 μm；刘志斌等[7]利用工作压力为变量条件，通过改变工作压力值，研究细水雾雾场特性参数的变化规律，包括细水雾雾滴粒径大小分布、雾锥角大小以及雾通量的变化；石磊等[8]对细水雾灭电缆桥架底层火进行研究分析，通过改变雾滴粒径值的大小，观察分析实验现象，通过温度、热释放速率及时间的参数，确定具有最佳灭火效果的粒径范围。通过对上述研究发现，均未涉及到环境压力的改变对高压细水雾雾场特性的影响规律，一般认为，细水雾灭火技术是通过隔绝氧气，降低火焰温度并进行冷却以及减弱火灾的热辐射等多种机理相互作用达到灭火目的，那么在不同的环境压力下，物质的燃烧特性将有所变化，以上的已知影响因素会不会随之发生改变，或者会有更加显著的决定因素出现还有待于研究论证。

通过开展相关的实验测量，研究了在不同的环境压力下高压细水雾雾滴粒径的变化规律并与理论相结合共同论证实验结果的准确性。

1 实验过程

1.1 实验平台的搭建

实验装置主要由马尔文仪设备系统、流量系数为2.5、3.4类型喷头、雾滴采集装置和管道组成，喷头通过支架固定在空中，高压泵提供不同的工作压力；喷雾流量由流量表读出数值；两边放置马尔文仪设备，连接计算机得出细水雾雾滴粒径的变化图表，规定时间即可测量分析，实验平台的搭建如图1所示。

1为喷头； 2为马尔文仪设备； 3为烧杯； 4为计算机图1 实验平台简图Fig.1 Experimental platform diagram

1.2 实验方法

为研究环境压力对高压细水雾雾滴粒径及喷雾流量的影响，实验在广汉平原以及康定机场进行，目的是获得不同的环境压力。搭建平台完成后，控制出水时间60 s，在两种类型喷头下(流量系数K分别为2.5、3.4)调整工作压力，通过马尔文仪记录粒径变化，每组进行三次实验，收集数据取平均值减小误差，最后对比分析。

2 数据处理

实验设置4、6、8、10、12 MPa的工作压力，两种类型喷头，两种环境压力(常压101 kPa，低压60 kPa)，实验测得喷雾流量平均值和细水雾雾滴粒径平均值如表1所示。

表1 细水雾粒径数据Table 1 Water mist droplet size data normal pressure

注：K为喷头流量系数。

3 结果分析

3.1 环境压力对高压细水雾喷雾流量的影响

流量系数K[9]：

(1)

式(1)中：Q为细水雾喷嘴流量值，L/min；P为出水口压力，MPa。

则有：

(2)

由式(2)可以得出流量值与工作压力线性相关，所用的喷头的流量系数已知，即为2.5、3.4。对上述喷雾流量平均值进行整理绘图，见图2。

图2 2.5、3.4类型喷头在不同环境压力下的流量对比Fig.2 Comparison of flow rate of 2.5,3.4 type nozzleunder different environmental pressure

从图1中可以看出，低压环境下的流量值大于常压环境，呈线性增长趋势，符合式(2)关系式。细水雾出水口流速由伯努利方程[10]得：

(3)

式(3)中：P静为流体静止时表面所受到的压强，MPa；U为细水雾出水口流速，m/s；K是喷嘴流量系数；ΔP是动压，即压差值MPa；ρl是液体密度，kg/m3。

结合式(3)进行计算，环境压力减小导致作用在水面上的静压减小，动压增大，以至于出水口流速增强，流量值增大。

3.2 环境压力对高压细水雾雾滴粒径的影响

对第2节细水雾粒径值的数据进行画图比较，见图3。

图3 2.5、3.4类型喷头在不同环境压力下的细水雾粒径对比Fig.3 Comparison of water mist droplet size of 2.5,3.4type nozzle under different environmental pressures

图3为不同环境压力、喷嘴类型以及工作压力分别对高压细水雾雾滴粒径影响的实验结果。从图中得出：在2.5类型喷头下，随着工作压力的增大，粒径变小，这是因为工作压力的增大导致水从喷嘴喷射的速度增强，使得水滴雾化程度增强，雾滴粒径减小，此外在环境压力不同的条件下可以发现康定机场(60 kPa)得出的粒径数据都大于广汉平原地区(101 kPa)得出的粒径数据；在流量系数为3.4类型喷头下得出的结果与流量系数为2.5类型喷头的结果完全一致。

则可以发现无论是在流量系数为2.5的喷头下还是在3.4的喷头下，广汉平原(101 kPa)与康定高原(60 kPa)得出的高压细水雾粒径值都在随着出水口压力值增大而逐渐减小，环境压力的改变，高压细水雾的粒径值也发生了变化，环境压力小的地区得出的粒径值大于环境压力大的地区，得出环境压力减小时，雾滴粒径将会变大的结论。

为了验证上述结论的准确性，在这里引出几个无量纲参数，即雷诺数(Re)、韦伯数(We)以及气液密度比(Ra)三个无量纲参数。其中雷诺数是惯性力与黏性力之比、韦伯数是惯性力与表面张力之比，气液密度比则代表气动力的影响[11]，方程如下：

(4)

(5)

(6)

式中：d为喷口直径，mm;ρa和ρl分别是环境气体的密度和液体的密度，单位分别为g/dm3、kg/m3；σ是液体表面张力，mN/m；υl是液体的黏度，Pa·s。

出水口处的流速计算公式见式(3)。现在讨论环境压力对细水雾雾滴粒径的变化可由气液密度比来体现，常压为101 kPa，低压环境为60 kPa，两种环境压力下的实验步骤相同，仅改变环境压力，在这种情况下雷诺数与韦伯数的值变化范围小，为25 000及74 000左右[12]。

此外文献[13-15]中对于静止空气中的直流喷嘴雾化问题有所研究，并且得出了下面的准则关系式：

(7)

式(7)中：M为气液密度比，其性质与Ra完全相同。求解对于不同环境压力下的气体密度，运用方程：

PV=nRT

(8)

式(8)中：P表示气体压强，Pa；V表示气体体积，m3；n表示物质的量，mol；R是气体常数，J/(mol·K)；T表示绝对温度，K。

则此时在标准状态下的1 m3空气，在海拔高度2 560 m，环境温度7 ℃，大气压力60 kPa条件下的体积可以求出，列出方程：

(9)

将数值代入式(9)求解得出，环境压力减小时的气体体积为1.732 m3，则该环境下的空气密度约为0.75 kg/m3。

将上述的数据整理后发现，可将式(7)处理成如下关系式：

(10)

式(10)中：D表示水雾雾滴粒径。式(10)可以表达出空气密度的改变可以导致粒径大小的改变，环境压力的减小，空气密度减小，则此时会导致粒径增大，该结论与实验数据相符。

4 结论

通过实验分析得出以下结论。

(1)环境压力的改变影响高压细水雾喷雾流量，低压环境导致静压减小，促使出水口流速增加，流量增大。

(2)环境压力的改变影响高压细水雾雾滴粒径，低压环境下的粒径大于常压环境下的雾滴粒径。低压强条件下，空气密度小，水流雾化阻力增加，水滴经过喷嘴处时分裂破碎程度减弱，高压细水雾雾滴粒径值增大。