声波团聚技术发展现状及在火灾消烟应用前景*

陈子越 吕洪坤 张光学† 林宸煜 庞颖钢 顾海林 袁定琨

(1 中国计量大学能源工程研究所杭州 310018）

(2 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院杭州 310014）

0 引言

随着人类社会的发展，城市建筑物密度不断上升，这导致建筑火灾发生概率增加，给公众安全造成极大威胁。建筑物中可燃物多、人员密集，一旦发生火灾，极易造成巨大的财产损失和人员伤亡[1]。因此，如何减少建筑火灾的危害、保障受困人员的安全，成为学者最近广泛研究的议题之一。

现有研究表明，建筑物发生火灾时，火灾烟雾是妨碍人员逃生、造成人员伤亡的关键因素[2]。在火场中，大量可燃物的剧烈燃烧，会产生大量含碳烟尘和一些刺激性气体[3]。而包含大量含碳烟尘的烟雾会在短时间内充斥火场，使得火场能见度急剧下降，致使被困人员无法按疏散路线迅速逃离，被滞留在火场中[4]。被困人员被滞留仅数分钟，就会因为吸入过多火灾烟雾而昏迷，失去逃离火场的能力[5]。

为减少火灾烟雾带来的巨大危害，学者们提出多种烟雾控制手段，按形式可分为防烟法和排烟法。防烟法主要利用建筑物中的卷帘门等，将火灾烟雾隔绝在疏散通道外[6]。这种方式构造简单、成本低廉，但易受多重因素影响，防烟效果不稳定[7]。机械加压送风系统也被广泛用于防烟法中，但该系统的设计极其复杂，即使理论效果较好，也无济于事[8]。

排烟法通过排风机，改变烟雾流向，将火灾烟雾排至建筑物外[9]。该方法可在排烟的同时，排出部分热量，从而降低建筑物温度，对人员疏散起一定的助力作用。可这一过程也带来了新鲜空气，有加剧火势的风险。在实际火场中，排风机也常因断电而无法工作，成为一个摆设。同时，还有部分学者借助消防水雾来消除火灾烟雾[10]。该方法虽效果较好，但喷洒出的水雾往往会滞留在逃生通道中，进一步降低火场能见度。因此，亟需一种有效的火灾烟雾控制手段。

火灾烟雾的主要组分为气溶胶细颗粒，而声波团聚技术在细颗粒物排放控制领域具有巨大优势，该技术可作为一种全新的火灾烟雾控制手段被应用[11]。声波团聚技术通过高强声场促进细颗粒之间的相对运动和碰撞效率，使得细颗粒在短时间内被团聚为大颗粒。近年来，学者们将该技术与其他团聚方式进行多元耦合，取得较大进展。本文将从声波团聚技术的进展出发，通过电缆烟雾消除实验分析该技术在火灾烟雾控制领域的应用前景。

1 声波团聚技术进展

1.1 声波团聚技术发展现状

1931年，Paterson等[12]通过实验发现声波团聚现象，提出声波团聚技术的相关概念，揭开声波团聚技术的研究序幕。在此后的三十几年中，学者们对该技术的内在机理进行了广泛而深入的研究。1965年，Mednikov[13]较为完整地总结了声波团聚技术的研究成果，并发表了第一本有关声波团聚的著作。此后，由于声源功率的问题始终得不到解决，学者对声波团聚的研究基本停止。直至1970年，未见声波团聚新的研究报道。

20世纪70年代后，各国政府环保意识逐渐增强，对环境空气细颗粒浓度的限定标准日趋严格，使声波团聚的研究重新开始升温。此时，学者们的研究重点从该技术的内在机理转向除尘方面的应用，以期开发出一种新型除尘器。1987年，Reethof[14]发现，在合适的声场作用下，大部分烟尘颗粒被成功团聚，一定程度上体现了该技术在除尘方面的优越性。但是，实验中的声压级已至150 dB，在对人体造成听力方面的困扰时，也使得能耗的问题不可被忽视。

1993年，Hoffmann等[15]从前人的研究中得到启发，开辟出新的技术路线。他们以CaCO3粉末为团聚核，实现粉尘颗粒在低频声场中的有效团聚，并有效降低了设备能耗。1999年，Gallego-Juárez等[16-17]在对锅炉烟尘的团聚实验中，发现10 kHz声波比20 kHz声波的团聚效果更好，表明团聚效果并不与声波频率成正比，纠正了“频率越高效果越好”的错误。

进入21世纪，声波团聚技术逐渐成为一项研究热点，发展迅速。2000年，Capéran等[18]通过对湿度的调节，在显著增强团聚效果的同时，也使得学者的目光不再仅限于对声学参数的优化上。2007年，陈厚涛等[19]发现，低频高强声场可有效团聚亚微米级颗粒，将该技术的作用颗粒范围进一步扩大。2009年，张光学[20]发现燃煤飞灰在1.4 kHz的声场中团聚效果最佳，即存在最佳频率。该频率的发现，可令燃煤电厂在低能耗的情况下实现对飞灰的有效控制。2011年，杨振楠等[21]通过探究气氛对团聚效果的影响，不仅得出了最佳气速，也进一步开拓了学者的思路。2012年，王洁[22]对声场环境展开研究，发现高温可使得团聚速率进一步提升。2018年，赵云等[23]将燃煤烟气置于167 dB的高强声场下，发现PM2.5脱除率接近100%，即完成完全脱除。2019年，Fan等[24]将目光投向团聚颗粒本身，发现颗粒的粒径若存在明显差异，将不会发生碰撞团聚。2020年，Shi等[25]通过对声场压力、温度的研究，发现细颗粒物可在高温高压的环境中保持较高的团聚效率，表明声波团聚受环境因素较小。2020年，赵天昊[26]尝试将声波团聚与除尘装置结合起来，研发一种可处理极细颗粒的除尘装置，从根本上解决粉尘污染。

此外，从近年的研究中不难看出，学者们的研究逐渐多元化，表现为将声波团聚技术与其他团聚方式进行耦合。2014年，颜金培等[27]将蒸汽相变与声波进行耦合，将细颗粒的团聚效率从40%增长到80%，一定程度上证明了多元耦合的可行性。2018年，祖坎[28]利用数值模拟，将声场和声雾进行耦合，得到细颗粒的粒径变化趋势，为之后可能进行的多场耦合作用提供思路。2020年，陶威等[29]发现声波与喷雾耦合之后，能耗有所下降，适应了我国节能减排的政策。2021年，张宇擎等[30]将声波与化学团聚进行耦合，发现团聚速率有了显著提高。此外，也有学者利用多场协和作用来处理一些难处理的细颗粒[31]。

还有一些学者对声波团聚在实际工程领域的可行性进行了探索。早在20世纪50年代，国外便有人将声波团聚技术运用于工业领域[32]。2017年，解建坤等[33]依据声波团聚技术，开发了一种新型工业装置，对电厂生产过程中产生的细颗粒进行有效处理。在2019年，国内有公司将声波团聚技术应用于转炉烟气除尘，成功实现超低排放[34]。2020年，Zhang等[35]在经过广泛而深入的研究后，首次将声波团聚运用于火灾烟雾控制领域，为火场消烟提供了新的思路，引发了众多学者的兴趣。最近，曹志勇等[36]发现声波团聚可在短时间内有效消除电站发生火灾时的烟雾，进一步验证了声波团聚技术在火灾烟雾控制领域的可行性。

1.2 声波团聚机理

声波团聚是指在高强声场的持续作用下，气溶胶颗粒之间发生碰撞，使气溶胶的平均粒径值在短时间内迅速提高，显著降低气溶胶的数量浓度的过程[37]。该过程如图1所示。

图1 声波团聚过程示意Fig.1 Acoustic wave agglomeration process

近百年来，国内外学者在深入研究声波团聚现象后，归纳出多种解释机理。在这些机理中，学者们普遍认为同向团聚机理、声波尾流效应是团聚过程中最关键的机理[38]。除此之外，声致湍流也是学者们研究的重点。

同向团聚机理由Mednikov等[13]在1965年提出，表现形式如图2所示。该机理的基础是粒径大小不同的颗粒惯性存在差异，受振荡气体介质的挟带程度也不同。在声场中，粒径较小的颗粒易被挟带，粒径较大的颗粒不易被挟带。这将导致大小颗粒之间的相对运动，从而发生碰撞和团聚[39]。该机理的提出，引发了学者对颗粒挟带程度的兴趣。Temkin等[40]通过实验总结出了不可压缩、黏性流体的颗粒挟带函数。Song等[41]对粒径较大的颗粒进行研究，由实验数据进一步发展了颗粒挟带函数。

图2 同向团聚机理示意Fig.2 Synthetic aggregation mechanism schematic

虽然同向团聚机理较好地解释了声波团聚的过程，但该机理忽略了颗粒的形状等因素。Dong等[42]也发现颗粒重力在声波团聚过程中不可忽视，因此研究其他团聚机理仍很有必要。

声波尾流效应由Dianov等[43]在1968年提出，是指颗粒在流场中因压力差而碰撞团聚[44]，表现形式如图3所示。颗粒在声场中做往复运动时，后方会形成一个低压尾流区。当某一颗粒进入另一颗粒的低压尾流区时，其运动阻力将会下降，从而加速向前方颗粒靠近。待到声波的下半个周期，角色互换。两颗粒在声波尾流的作用下持续靠近，最终碰撞在一起并团聚[45]。

图3 声波尾流效应示意Fig.3 Sonic wake effect

Dianov的理论模型一直为学者们所沿用，直到半个多世纪后。2018年，Zhang等[44]发现该模型存在错误，并构建了一种新的声波尾流模型。新模型相较于原模型更加精确，并可用于高浓度气溶胶的声波团聚数值模拟。之后，张云峰等[46]发现颗粒放置角度会对声波尾流效应造成影响，随着放置角度的改变，颗粒之间的吸引和排斥作用随之改变。

此外，声致湍流指声场强度在提升至某一阈值时，声场内会发生剧烈的相对运动，令声场内的颗粒相互靠近并团聚[47]。该机理也是学者们研究的重点机理之一。Chou等[48]发现惯性湍流对声波团聚影响较大。Malherbe等[49]在前人的基础上，进一步研究了不同类型湍流对声波团聚过程的影响。他们发现扩散湍流对粒径相差不大的颗粒影响大，而对于粒径相差较大的颗粒，惯性湍流的影响更大。

2 声波团聚在消除火灾烟雾的应用

2.1 声波团聚消烟方法的提出

气溶胶细颗粒是造成火灾烟雾能见度低的主要因素，若能将其团聚，减少颗粒数量浓度，可以大幅提高火场能见度，起到消烟的效果。在此启发下，Zhang等[35]将声波团聚技术引入火灾烟雾控制领域，在国际上首次提出声波团聚消除火灾烟雾的技术路线，并对该技术在实际火灾中消除烟雾的潜在应用进行了讨论。

聚苯乙烯作为生活中最常见的可燃物之一，燃烧后会产生大量浓郁的黑烟，对受困人员逃生造成极大阻碍。Zhang等[35]以聚苯乙烯为燃烧对象，收集聚苯乙烯燃烧烟雾进行实验。实验结果表明，初始状态下的烟雾消光系数极高，透光度仅为0.24，人员身处该烟雾中时根本无法分辨方向，难以逃生。但在声波的团聚作用下，这种能见度极低的烟雾却在短时间内被消除干净，不再对人员逃生形成阻碍。此实验证明了声波团聚消烟方法的可行性。

在声波消烟的实验探究中，Zhang等[35]发现声波对火灾烟雾的团聚作用，在1.5 kHz时效果最佳，即存在最优频率。当频率偏离该最优值时，团聚效果大幅度降低。该现象与同向团聚定理所述一致，表明高低频率之间存在某一频率，使得大颗粒接近静止状态，而细颗粒仍随气体介质发生振动[50]。同时，颗粒振动受到流体力学作用的影响，故声波团聚实际上是一个耗能过程，具体表现为声波功率与团聚效率成正比，直到相应的非线性效应显著增加[51]。同时，在声波团聚过程的早期，高浓度烟雾的团聚效率远高于低浓度的烟雾，而在后期，这种差异趋于消失。

2.2 声波团聚消烟的实验结果

电缆作为火场中常见的可燃物，电缆烟雾在火灾烟雾中占比较大。本文以电缆烟雾作为团聚对象，采用1.5 kHz声源，进行声波团聚消烟的实验研究。由图4可见，初始时刻收集的电缆烟雾颗粒浓度极高，光线经过团聚室时形成明显光路。而在施加声场0.5 min后，光路强度明显下降。1 min后，光路完全消失不见。这一现象是因为声波团聚过程中，颗粒之间发生碰撞，使得细颗粒成长为大颗粒；重力作用下，大量超重的聚集颗粒发生沉降，降低了烟雾的数量和质量浓度。结果，减弱了光的遮蔽效果，大大提高了烟雾可见度。

图4 声波团聚过程中的烟雾照片Fig.4 Photos of smoke during acoustic agglomeration

透光度是透射烟雾后的光强与入射光强的比值，可直观反映烟雾疏密。图5为团聚室内透光度的变化情况。初始状态下的团聚室内透光度极低，仅为0.24。但对电缆烟雾施加声场后，透光度在1 min内就提高到了0.82。与之相较的自然沉降，在相同的时间内，其透光度没有明显的变化。表明声波团聚技术对电缆烟雾存在突出的团聚效果，可在短时间内提高火场内光线的透光度(即能见度)，为受困人员逃离火场提供便利。

图5 有无声波时透光度的变化趋势Fig.5 Variation trend of transmittance with or without sound waves

本文使用尺寸为0.3 cm×0.3 cm的导电胶对电缆烟雾进行了采样，将团聚前和团聚后的颗粒收集至导电胶上，拍摄扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)图，如图6所示。图6(a)为电缆烟雾颗粒团聚前的微观样貌，呈现细小的链式结构；使用频率为1.5 kHz、声功率为12 W的声波对烟雾颗粒进行团聚，烟雾颗粒团聚后的微观样貌如图6(b)所示，可见细颗粒在声场中发生快速团聚，形成直径约为100 μm的松散絮状团聚体。

图6 团聚前后颗粒粒径变化Fig.6 Changes of particle size before and after agglomeration

2.3 声波团聚用于火场消烟中的前景及挑战分析

21世纪是我国城市化和经济发展的重要阶段，城市高楼林立，建筑密度达到有史以来的峰值。同时，建筑物内可燃物数量也不断增加，致使火灾发生的概率急剧增长。烟雾作为火场中最致命的因素，对受困人员产生巨大威胁[52]。学者为减少火灾烟雾所带来的巨大危害，提出多种烟雾控制手段。可这些手段并不能很好地帮助火场受困人员逃生，火灾烟雾对受困人员的威胁仍然存在，为火灾烟雾控制领域寻找一种切实可行的控制手段势在必行。

张光学等[53]提出的声波消烟方法，与依托自然通风系统的防烟法相比较，不易受风向等诸多因素影响，消烟效果较好。而与排烟法相比，声波消烟不会带来新鲜空气，对被困人员逃生不会造成威胁。同时，声波消烟还具备作用时间短这一优势，1 min内就能很大程度上消除火场内充斥的烟雾，为人员安全逃离火场提供保障。

然而，微细颗粒的团聚与解团聚、分散是一个复杂而又动态、受多种因素影响的非稳态平衡过程。从SEM图中不难发现，微粒并不是简单的、大小不一的刚性粒子，而是可能不会弹性碰撞的、有各种聚合状态可以断裂、分散，也可能缠绕成团的族状聚合物，需要对微粒的成分组成、结构、形态和聚集状态展开进一步研究。而火场作为开放环境，在无人机等装置无法靠近的情况下，如何形成有限空间，并最大限度上减少距离导致的声强衰减和能耗，也是不可忽视的因素。

基于上述挑战，今后声波团聚消烟的研究分为两方面：一方面是对微细颗粒本身及团聚环境的研究，另一方面则是研究如何在火场中保持一定的团聚效果。此外，在走向实际应用的过程中，操作技术与工艺、设备上也有许多因素需要考虑，做出较大改进势在必行。

3 结论

声波团聚技术在经过近百年的发展后，在实验及机理两个不同方面上都取得了极大进展。近年来，学者们在声波团聚与其他团聚方式的多元耦合方法上取得一定进展，且对声波尾流的模型做出修正。而声波消烟方法的提出，更是将声波团聚技术应用于一个新的领域中，为火灾烟雾控制领域提供了新的思路和方法。本文在对声波消烟技术进行阐述的基础上，对另一种火场内常见烟雾展开实验，得到的团聚效果显著。这也进一步佐证了声波消烟方法的可行性与优越性。

声波消烟方法虽在实验室的研究中取得一定进展，但在走向实际应用的过程中仍存在一些挑战，需要展开更多的实验研究，并在操作技术、设备上做出较大改进。若能把这些挑战一一克服，将声波消烟作为一种有效控烟手段应用于实际火场中，可为被困人员迅速撤离提供强有力的保障。