细水雾抑制障碍物遮挡气体池火的缩尺度实验研究

刘洋鹏 ，王喜世，沈佳杏，李国春，倪小敏，潘传鱼

(1.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥 230026；2.浙江大学能源清洁利用国家重点实验室，杭州 310027；3.浙江大学湖州研究院，湖州 313000)

自20 世纪80 年代联合国《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》签署以来[1]，凭借绿色、环保、高效灭火等优势，细水雾被看作是一种重要的卤代烷系列灭火剂的替代品[2-3].细水雾作为一种有效的防护技术，已在A、B、C 类等火灾的抑制以及燃油气、粉尘爆炸及锂离子电池热失控防控等诸多实际火灾场景中发挥着重要的作用[4-7].一些具有特定功能的场所诸如大型仓库、航空发动机舱等，一旦发生火灾，往往存在障碍物空间遮挡的特性.以大型仓库火灾为例，火源通常位于货架底部或被上层货物所遮挡.美国消防协会(NFPA)对仓库火灾事故的统计数据显示，在安装传统水喷淋系统的仓库中火灾发生数占比依旧高达33%[8].由于仓储场所普遍存在火源被障碍物遮挡情况，传统水喷淋技术难以有效保护该类场所.前人通过实验观察到细水雾雾滴在有障碍物遮挡情况下具备在较长悬浮时间下跟随燃烧气体的特性[9-10].因此，针对障碍物遮挡火的防灭火问题，本文开展了细水雾抑制障碍物遮挡火焰的实验研究.

在细水雾抑制障碍物遮挡火焰的研究方面，Chiu等[11]通过全尺寸风力发电机机房实验验证了细水雾能够有效熄灭障碍物遮挡油池火，但其工况只限于10 MPa 细水雾工作压力及两类障碍物遮挡位置.Liu等[12]开展了细水雾与障碍物遮挡火相互作用的缩尺度实体模拟实验.获取了不同障碍物遮挡情况下的细水雾灭火临界压力条件，分析构建了基于遮挡比及临界火羽流-雾滴动量比的细水雾灭障碍物遮挡火的研判模型.在获知障碍物遮挡情况及火源尺寸的前提下，通过研判预测公式便可预估出细水雾喷雾所需的最低要求.进一步为细水雾在障碍物遮挡的火情下的系统优化提供指导建议.

国内有不少学者开展了细水雾抑制或熄灭障碍物遮挡火的模拟研究[13-17]，但大多都侧重于通过某个特定工况条件的实验及数值模拟研究获取温度、热辐射等热力学数据.然而，细水雾与障碍物遮挡火焰相互作用过程中的雾滴流场及火焰燃烧区域内羟基自由基浓度等燃烧化学特性尚未获取.

依据Yu 等[18]提出的Froude 数相似缩比模型，本文搭建起了细水雾抑制障碍物遮挡甲烷气体池火的1/6 缩尺度实验平台.本实验利用激光诱导羟基自由基(OH-PLIF)及PIV 测量技术获取了在细水雾施加下羟基自由基火焰结构、羟基自由基浓度的分布特征及在障碍物附近区域内的雾滴流场.此外，建立了基于几何遮挡的最大有效雾量比的定量参数，以表征障碍物对细水雾喷雾及火焰的遮挡.本文的研究目的是获取在不同遮挡条件下细水雾抑制障碍物遮挡火焰过程中的火焰燃烧化学特性及雾滴流场特征，相关实验结果可为障碍物遮挡火场景下细水雾系统的优化提供基础测量数据.

1 实验设置

实验平台置于5 m×6 m×4 m(长×宽×高)的空间内.本实验平台严格按照Yu 等[18]发展的缩比关系进行1/6 缩比，一些关键的缩比参数如表1 所示.通过1/6 缩比的灭火实验设置，相关灭火结果也可适用于总水流率、细水雾雾滴粒径以及火焰热释放速率同步放大的火灾场景，进而扩展本实验结论对实际尺寸火灾事故的适用性.

表1 基于Froude数的缩比关系Tab.1 Froude-based scaling relationship

本文实验系统可划分为3 类，即灭火测试系统、OH-PLIF 测量系统及PIV 测量系统，如图1 所示.

图1 1/6缩尺度实验平台示意Fig.1 Schematic diagram of the 1/6 scale experimental platform

1.1 灭火测试系统

灭火测试系统主要由气体燃烧器、细水雾喷头、障碍物遮挡装置及流量控制器组成.本文所使用到的气体燃烧器由不锈钢制成，图2 展示了其构造及尺寸.通过在气体燃烧器内放置直径为1 mm 的耐高温石英珠，可对甲烷气体进行整流以达到在燃烧器表面均匀分布的作用.甲烷的气体流量通过北京七星华创CS200-A 型流量计(流量规格：0 L/min～30 L/min甲烷，准确度：±1.0%；重复精度：±0.2% F.S)进行调节及控制.铁制薄板(厚度为2 mm)被用来作为障碍物，其大小及安装高度可人为调节.细水雾喷头被安装在距燃烧器上表面500 mm 的正上方，通过压力雾化的方式在0.25 MPa 细水雾喷头工作压力下可产生54 μm 索特平均直径(SMD)及68°雾锥角的实心喷雾.本文所使用到的细水雾喷头详细雾特性数据可查阅Liu 等[19]的研究.

图2 甲烷气体池火燃烧器(单位：mm)Fig.2 Methane gas pool fire burner(unit:mm)

1.2 OH-PLIF及PIV测量系统

在OH-PLIF 测量系统中，Nd：YAG 激光器可产生532 nm 的激光束(激光能量：250 mJ/pulse；重复率：10 Hz)，再经染料激光器及片光发散器可使其最终产生283.621 nm 的紫外片光以激发燃烧场内OH系(1，0)波段的Q1(6)能级线，进而诱导火焰中的羟基自由基发射荧光，其技术原理如图3 所示[20-22].此外，ICCD 相机(缩放因子：3.41 像素/mm；分辨率：1 024×1 024 像素；曝光时间：8 000.01 μs)需放置在垂直于片光位置以捕获经 OH 窄带滤波片后的308 nm 左右的羟基自由基荧光信号.最后，通过IRO将微弱的荧光信号进行放大.最终，利用LaVision DaVis 10.0 软件对OH-PLIF 图像进行后处理.

图3 激光诱导荧光原理Fig.3 Schematic diagram of laser induced fluorescence

在PIV 测量系统中，双脉冲激光器经片光发散器产生532 nm 的激光束(激光能量：200 mJ/pulse；重复率：10 Hz)以照亮雾场.CCD 相机(缩放因子：10.20 像素/mm；分辨率：1 600×1 200 像素)需放置在垂直于片光位置以捕获雾滴的散射光.双脉冲的间隔时间设置成75 μs 以获取最佳的速度矢量场信息.为提高信噪比和矢量计算的准确性，选取了32×32 像素的查问域窗口和多通道迭代的交叉关联算法方案，其技术原理如图4 所示.CDD 相机及ICCD 相机置于垂直于测量面1 m 处.由于不同激光诊断系统中CCD 相机在分辨率等性能上的差异，同时考虑到测量视场需兼顾细水雾在障碍物附近的流场及火焰基部的要求，最终确定了如图5 所示的视场上下重叠的布置方式.

图4 PIV技术原理示意Fig.4 Sketch of the principle of PIV technology

图5 测量视场设置示意(单位：mm)Fig.5 Diagram of the measurement field of view setup(unit:mm)

1.3 实验条件及工况设置

实验的初始条件维持在25 ℃及55%相对湿度的环境，以保证每次实验工况的初始条件保持相对恒定.如图6 所示(H 为细水雾喷头安装高度；h 为障碍物挡板安装高度；Db为燃烧器直径；Dob为障碍物挡板直径；θs为雾锥角)，在本实验通过改变火焰热释放速率、障碍物大小及位置等变量，研究不同火源、障碍物遮挡条件对细水雾灭火性能的影响.表2 展示了本文的实验工况及其结果.通过大量预实验，选取了30～93.8 mm 范围的障碍物尺寸，以便很好地研究障碍物大小对灭火效果的影响.此外，考虑到实验人员及激光设备的安全，最大甲烷流量设置为9 L/min(有障碍物工况).此外，细水雾喷头安装高度H 固定为500 mm 且所有工况细水雾工作压力都保持在0.25 MPa.

图6 实验工况设置示意及关键区域典型细水雾流场Fig.6 Schematic diagram of the experimental setup and typical water mist flow field

表2 实验工况Tab.2 Experimental conditions

2 测量误差及实验局限性

在OH-PLIF 方面，最主要的误差来自于受激OH自由基分子的碰撞失活导致的碰撞淬灭[19].相关研究表明，甲烷射流火焰中OH 荧光信号存在12%的淬火效率差异[23].因为本实验无法准确获取细水雾施加过程中火焰前锋的准确温度数据，OH-PLIF 的结果没有根据Harpooned 模型[24]对碰撞淬火率进行修正.因此，本文使用的OH-PLIF 实质上提供了一种半定量的羟基自由基浓度分布的表征数据.除去测量系统及实验限制导致的误差外，由于实验操作导致的实验误差也应严格进行说明.尽管每次实验的初始条件保持一致，但由于细水雾在实验过程中的施加，其局部湿度及温度无法严格保持恒定，因此，从严格意义上讲，激发波长不一定在每个实际操作工况下是最佳的.不过本文测试分析主要关注的是有无障碍物遮挡的影响，并非获取羟基自由基的绝对浓度分布，相同工况条件下的半定量比较分析在一定程度上弱化了对其测量精度的要求.

在PIV 方面，测量误差主要来自于系统误差和随机误差.大部分的不确定源往往来自于实验设置、PIV 数据的处理方式及两相流的随机性等.其中随机误差可以通过进行大量的独立重复实验在统计采样上进行避免[25].两相流的随机性一般是由气泡引起的物理和光学干扰造成的.Husted 等[26]的细水雾雾场测量结果表明，在95%的置信度基础上，由随机误差引起的测量平均速度的随机变化估计为所有成分的瞬时速度测量值的5%.由于本文使用了与前人研究相同的PIV 系统且两者都采用了压力雾化的细水雾喷头，故本文研究中对平均速度测量的总体误差约估为10%.考虑到重复实验速度测量差异及雾滴在测量视场的预估值，10%的总体误差依旧可以提供相对准确的雾滴速度测量数据.

由于本文使用的缩比模型未涉及雾滴粒径分布、雾锥角等更具体的雾特性参数.并且，在实际工程中，选取严格满足缩比关系的细水雾喷头极为困难[27].因此，本文通过缩尺度实验获取的结论在理想条件下可为实际细水雾系统的设计提供参考.

3 结果及分析

3.1 最大有效雾量比的构建

为表征障碍物对细水雾空间雾分布的遮挡程度，本文提出基于理想假设下的最大有效雾量比的参数.基本理想假设如下：①在固定细水雾喷头工作压力下，细水雾喷雾的雾锥角应保持不变；②细水雾呈现空间均匀分布规律；③忽略细水雾雾滴经过障碍物处的速度方向变化.

图6 展示了本文的一些关键几何特征量以及障碍物附近典型的细水雾流场结果.可以看出当雾滴绕过障碍物后，雾滴速度方向实际上会产生一定程度上的变化.基于以上3 个理想化假定，图6 中Smist定义为能够参与到灭火的最大细水雾面积.Stotal表示为从细水雾到燃烧器上表面的全场区域.通过Smist和Stotal的比值即可用于表征在相同火焰功率下细水雾的遮挡情况.最大有效雾量比被定义为Smist和Stotal的比值，其表达式如下：

式中：H 为细水雾喷头距燃烧器上表面的垂直高度(本实验H=500 mm)；h 为障碍物挡板安装高度；Dob为障碍物挡板直径；θs为实心喷雾雾锥角(本实验θs=68°).基于几何遮挡假设条件下的最大有效雾量比可表征障碍物对细水雾喷雾遮挡的程度.

整个实验工况下的k 值汇总见表2，灭火结果也验证了k 值在表征遮挡情况的可靠性.其结果表明：①在1.97 kW 火焰功率(甲烷流量：3 L/min)下，其临界k 值为0.52，即当k＜0.52，细水雾便无法有效熄灭障碍物遮挡火；②在3.93 kW 火焰功率(甲烷流量：6 L/min)下，其临界k 值为0.59，即当k＜0.59，细水雾便无法有效熄灭障碍物遮挡火；③在5.9 kW 火焰功率(甲烷流量：9 L/min)下，细水雾则无法抑制本实验工况下的障碍物遮挡火.因此，基于理想假设的k可以很好地表征本节实验工况的熄灭行为.应该指出的是，在实际复杂火灾场景下，基于k 值的相关结论应在后续大尺度实验下进行验证.

3.2 火焰燃烧特征

参照LaVision Tunable LIF 测量技术原理[28]及前人测量方法[29]，为了更好地表征在相同工况下的羟基自由基强度分布，本文定义一个无量纲OH-PLIF强度，其表达式为

式中：Ci为某羟基自由基成像区域内的强度；Ci,max为羟基自由基成像区域内最大的强度值.

图7 为未施加细水雾下h 分别为 125 mm 及375 mm 工况的火焰羟基自由基浓度分布(每张图片的尺寸为250 mm×150 mm).由于扩散火焰本身存在一定程度上的周期性脉动[30]，因此，本实验发现在撞击障碍物挡板后扩散火焰也表现出一定的周期性.在第1 帧图像中(t=100 ms)，热羽流与冷空气的不稳定导致了火焰在碰撞障碍物时出现了典型的涡结构.从羟基自由基浓度分布来看，障碍物附近(虚线为障碍物安装高度位置)的燃烧强度明显高于火焰基部.在t=100～500 ms 内，火焰逐步脱离障碍物而后再次碰撞障碍物挡板，即完成了一个周期性火焰撞击行为.如图7(t=500 ms)所示，火焰结构已经恢复至第1 帧的状态.

图7 h 分别为125 mm和375 mm工况下y/Db＝0～4垂直位置上羟基自由基无量纲强度Fig.7 Hydroxyl radical concentration distribution at vertical positions y/Db＝0—4 for the cases of h＝125 mm、375 mm

当继续提高甲烷流量，火焰初始动量增加，障碍物下方的火焰也开始形成涡流结构，如图8 所示(每张图片的尺寸为312.5 mm×150.0 mm).由于火焰与障碍物碰撞更为剧烈，相比于更大的障碍物安装高度工况(即工况#5-3 及#5-4)，工况#1-1 和#1-2 的火焰结构也随之发生改变.当火焰触及到障碍物挡板时，整个火焰结构被破坏.随着甲烷流量的进一步增加，火焰高度的增加致使火焰结构从顶部开始坍塌，如图8 黄色虚线区域所示.当甲烷流量增加到9 L/min时，剧烈的撞击导致火焰内部出现了明显的涡结构.

图8 典型工况下的y/Db＝0～5 垂直位置上羟基自由基无量纲强度Fig.8 Hydroxyl radical concentration distribution at y/Db＝0—5 vertical positions under typical cases

3.3 细水雾施加下OH-PLIF 火焰结构及典型流场特性

图9 展示了部分典型工况下细水雾施加后火焰燃烧区域内的羟基自由基浓度分布演变过程(每张图片的尺寸为312.5 mm×300.0 mm).在所有的火焰抑制工况中，火焰在细水雾施加后快速地与障碍物脱离(见图9 工况#3-6)，随后被迅速压制在燃烧器上表面.同时由于雾滴的气相冷却作用，相对应的羟基自由基强度大幅度下降.不同于更大k 值的工况，工况#3-6 火焰并没有快速抑制并熄灭，而是呈现火焰周期性“起伏”的特点(见图9 中t=62.4 s).当k 值和甲烷流量降低时，燃烧器底部的整个火焰羟基自由基结构基本上未受影响.

图9 典型工况下选取不同时刻下的y/Db＝0～5 垂直位置上的连续羟基自由基强度Fig.9 Continuous hydroxyl radical concentration profiles at y/Db＝0—5 vertical positions at different moments for typical cases

图10(a)展示了未熄灭工况的羟基自由基强度变化趋势及其对应的火焰结构.虽然OH-PLIF 强度至少下降为初始值的一半，其羟基自由基强度的火焰轮廓变化规律与图8 所示一致.在该工况下，经快速火焰抑制，火焰行为呈现周期性火焰扰动状态，其羟基自由基时间平均强度(t=1～60 s)分别为585(工况#1-1)和633(工况#1-2)，与自由燃烧相比，羟基自由基强度相应地降低了65%和69%.在细水雾喷雾的施加过程中，羟基自由基强度也在一定程度上呈现出周期性脉动趋势(如图10(a)所示).图10(b)和(c)展示了在工况h 为250.0 mm 及375.0 mm 时的典型熄灭及未熄灭工况.图10(b)和(c)内的图中图为快速熄灭时间段下的数据，以便对快速熄灭过程中羟基自由基强度变化进行清晰展示.相比未熄灭工况，在k值最小的情况下，熄灭工况下羟基自由基强度迅速降低为零，并且经历了相对较长的熄灭过程.

图10 典型羟基自由基强度随时间变化趋势Fig.10 Typical hydroxyl radical intensity trends with time

灭火过程中虽然存在相同的最大细水雾作用区域，但作用区域内雾滴的有效数量可能受不同火焰功率的影响，图11 所示为甲烷流量对相互作用流场的影响.图11 显示，在施加细水雾后，障碍物下方的火焰强度和行为存在显著差异.在未熄灭的情况下，障碍物下方的火焰强度和湍流明显偏高，这点符合经验预期.在靠近障碍物边缘的区域，在工况#3-4 火焰较强的向上浮力羽流的作用下，雾滴运动方向发生了近90°的变化，部分液滴被推离至火源外围(见图11 中t=0.6 s 和t=50.1 s).在工况#3-3 中大量雾滴不被火羽流吹走，而是绕过障碍物进行火焰熄灭(见图11 中t=0.6 s 和t=1.6 s 的图像).在本实验中，Smist中液滴的密度没有通过相关测量设备进行定量获取.因此，在阐述液滴的行为时，局限于液滴流场和液滴的定性分析上.

图11 工况#3-3(上方)及#3-4(下方)典型PIV瞬时原图像及细水雾流场矢量图Fig.11 Typical PIV instantaneous raw images and vector diagrams of the water mist flow field for Case #3-3(top series)and#3-4(bottom series)

图12 展示了工况#3-3 及工况 #3-4 下在PIV 拍摄视场内的液滴最大速度随细水雾施加时间的变化规律.当火焰临近熄灭时，液滴速度会逐步增加，这种液滴速度增加的规律也验证了在工况#3-3 中向下喷射的细水雾喷雾主导了整个雾-焰相互作用过程.由于在未熄灭工况下火焰向上的热羽流主导了雾-焰两相的相互竞争，以工况 #3-4 为例，从图12(b)可以看出同期的液滴最大速度值都会比成功熄灭工况下更低.从相同细水雾作用时间内的平均液滴最大速度来看，工况#3-3 和工况#3-4 的速度值差异达到了50%.因此，PIV 的结果揭示了雾-焰相互竞争会直接影响细水雾抑制障碍物遮挡火焰的实际效果.在典型工况下，PIV 视场内最大的液滴速度值可在一定程度上表征细水雾向下的动量.实验结果表明，熄灭瞬间最大雾滴速度可达12 m/s.

图12 PIV拍摄视场下液滴最大速度随细水雾施加时间变化趋势Fig.12 PIV data of maximum droplet velocity versus water mist discharging time in the field of view

4 结论

(1) 通过缩尺度实验获取了细水雾抑制障碍物气体池火过程中火焰燃烧区域内羟基自由基浓度分布特征、羟基自由基火焰结构的变化规律及典型细水雾流场特性.基于几何遮挡及理想化假设，本文提出了用于表征可参与灭火作用的潜在最大喷雾区域的特征参数即最大有效雾量比k.通过改变障碍物安装高度、大小及火焰热释放速率，开展了一系列基于Froude 数缩比模型的1/6 缩尺度实验.

(2) 实验结果表明，本文所使用的细水雾喷头可在0.25 MPa 工作压力下成功熄灭最大有效雾量比大于0.59 且火焰功率小于3.93 kW 的火焰.OH-PLIF及PIV 测量结果验证了细水雾灭火中雾-焰相互竞争的动力学机制.在典型工况下，细水雾雾滴能够以最大12 m/s 的速度绕过障碍物直接参与到火焰冷却等灭火作用中.

(3) 本文获取的细水雾与障碍物遮挡火相互作用的燃烧化学、流场特征等方面的光学测量数据，可进一步帮助理解细水雾抑制障碍物遮挡火焰的灭火机理，为细水雾在障碍物遮挡火场景下的系统优化提供指导.