泡沫灭火综合教学实验平台的设计与实践

颜 龙， 关晶晶， 朱志辉， 徐志胜

（中南大学a.土木工程学院；b.土木工程国家级实验教学示范中心，长沙 410075）

0 引 言

建设教育强国是中华民族伟大复兴的基础工程，全面培养和提升人才综合素质和综合能力是高校教育工作不断探索和实践的重要任务和目标［1-2］。实验教学是培养学生综合素质和综合能力的重要手段，开设综合性实验平台是实验教学的重要措施，是提高学生实践、科研和创新能力以及实施素质教育的有效方式［3-4］。教育部发布的《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》中明确提出：“加强实践育人平台建设，综合运用校内外资源，建设满足实践教学需要的实验实习实训平台。加强校内实验教学资源建设，构建功能集约、资源共享、开放充分、运作高效的实验教学平台。”因此，高校应基于现有实验条件，积极整合各项实验资源，不断改进实验教学内容，进行综合性、设计性实验平台的探索、研究与开发，以实现培养高素质和高能力人才的目的［5］。

消防工程专业属于专业性和实践性较强的学科，专业理论知识不足以满足目前人才培养需求，还需通过针对性的教学实验对理论学习进行开拓与补充［6-7］。“灭火技术”作为消防工程专业的核心课程，涉及各类灭火剂、灭火系统和灭火技术原理及应用的理论知识，对学生从事消防灭火领域的相关工作和研究具有重要的指导作用，故开展“灭火技术”课程的教学实验意义重大［8-9］。泡沫灭火技术是扑救石化火灾最有效的手段之一，在现实应用和科学研究中具有重要地位，开展泡沫灭火教学实验有利于学生对泡沫灭火技术进行全面综合的认识和研究，还能为学生能力提升和未来发展带来帮助［10］。

本文设计和搭建了泡沫灭火综合教学实验平台，包含泡沫灭火剂的发泡、析液、蔓延、灭火和抗烧实验，能够实现学生对于泡沫灭火剂理化性能和灭火性能进行测试研究的目的。实验教学内容涵盖实践操作和结果分析部分，巩固学生理论知识的同时，增强学生的动手能力和解决问题能力，培养学生辩证思维方式和创新意识。

1 实验平台设计

泡沫灭火综合教学实验平台主要包括发泡实验平台、析液实验平台、蔓延实验平台、灭火实验平台以及抗烧实验平台。析液实验平台和蔓延实验平台用于测量和分析泡沫的理化性能，析液特性关乎泡沫灭火剂的稳定性，稳定性低会导致泡沫灭火剂灭火效率下降；蔓延性能决定灭火时泡沫灭火剂铺展的速度，直接影响其灭火时间［11］。灭火实验平台和抗烧实验平台用于测试泡沫灭火剂的灭火性能，灭火效能直接影响泡沫灭火剂的灭火性能，而抗烧性能通过影响火灾复燃的概率，间接影响泡沫灭火剂的灭火性能［12］。泡沫灭火综合教学实验平台具体内容与功能如图1 所示，实验平台装置示意图见图2。

图1 泡沫灭火综合教学实验平台内容与功能

图2 泡沫灭火综合教学实验平台装置示意图

1.1 发泡实验平台

双注射器发泡装置如图2（a）所示，由2 支体积为100 mL的注射器组成，一支装泡沫液，另一支装空气，2 支注射器间用软管连接。双注射器发泡具有可重复性强、泡沫分布均匀等特点。压缩氮气泡沫产生装置，主要由压缩氮气气瓶、泡沫液储罐、流量计、气液混合腔组成。压缩氮气气瓶和泡沫液储罐主要用于存放能够产生灭火泡沫的气体和泡沫液，气体流量计和液体流量计用于获得泡沫不同的气液比。气液混合腔是灭火系统的核心装置，主要由泡沫混合装置和整流装置组成，泡沫混合装置的作用是将压缩气体注入腔内的泡沫溶液中，使气液两相充分接触而产生均匀稳定的灭火泡沫；整流装置通过改变整流颗粒粒径大小，调整初始气泡尺寸和状态，从而影响泡沫的稳定性。压缩氮气通过管路一路流向泡沫液储罐为内部泡沫液提供动力流至气液混合腔，另一路进入气液混合腔内与泡沫液充分混合产生压缩氮气泡沫。压缩氮气产生泡沫具有尺寸小、压力高，气泡均匀稳定等特点。

1.2 析液实验平台

析液实验平台采用自制析液装置，如图2（b）所示。该装置主要由泡沫收集装置、恒温加热装置、析液收集装置、液体称量装置、数据采集装置构成。泡沫收集装置由双层玻璃制成，并且上下两端采用橡胶管与恒温加热装置相连，达到保持温度恒定的作用。泡沫收集装置析液口处要设置泡沫滤网，并与放在液体称量装置上的析液收集装置保持平行，以此保障液体能够持续、稳定、均匀地流入析液收集装置。液体称量装置与数据采集装置相连接，能够实时记录析液收集装置中液体质量。

1.3 蔓延实验平台

蔓延实验装置如图2（c）所示，平台利用压缩氮气泡沫产生装置发泡，蔓延容器为自制敞口立方体水槽，尺寸为150 cm×50 cm×15 cm。水槽长边一侧装有刻度尺，可以观察泡沫蔓延距离，高清摄像机能够实时记录泡沫蔓延过程。

1.4 灭火实验平台

灭火实验平台利用压缩氮气泡沫产生装置发泡，实验装置包括温度采集仪、高清摄像机等，如图2（d）所示。油盘面积为0.25 m2，喷头和油盘之间的距离为1.5 m。油盘上方10 cm处开始，每隔20 cm布置一个热电偶，通过温度采集仪记录泡沫灭火实验过程中的温度变化。高清摄像相机能够全程记录灭火过程的动态图像。

1.5 抗烧实验平台

抗烧实验平台利用压缩氮气泡沫产生方式供泡，抗烧实验装置参考GB 15308-2006《泡沫灭火剂》自制，主要由油盘、抗烧罐、支架、高清摄像机构成，装置如图2（e）所示。油盘和抗烧罐由钢材料制成，能够抵抗高温、防止变形。油盘的主要作用是盛放液体燃料和泡沫灭火剂，抗烧罐主要用于停止供泡后引燃油盘，达到测量抗烧时间的目的。高清摄像机可以实时记录实验过程中泡沫灭火剂的抗烧过程。

2 实验设计

2.1 析液实验

泡沫灭火剂的稳定性可由析液特性进行评估，一般以25%或50%析液时间作为性能判别指标。析液收集装置中收集到的液体的质量为初始泡沫液质量的25%或50%时所对应的时间为25%或50%析液时间［13］。

实验步骤：进行析液特性测试前，需先打开恒温加热装置进行预热并且调节加热温度；采用双注射器技术发泡，一支注射器装一定质量的泡沫液，另一只注射器装空气，两只注射器经过多次反复推拉产生泡沫；待温度持续稳定后，快速将泡沫倒入泡沫收集装置，注意时刻观察析液口处状态；液体流入析液收集装置时开始计时，析液收集装置中的液体质量为25%或50%的初始泡沫液质量计时终止；记录下25%或50%析液时间。

2.2 蔓延实验

实验开始前，保证蔓延水槽水平放置在泡沫灭火剂释放口下端，将燃料倒入水槽中；打开气瓶阀门，调节系统压力，并调节液体流量计和气体流量计；驱动气体和泡沫液在气液混合腔内充分混合发泡后喷射于水槽中；时刻观察泡沫的蔓延过程并记录泡沫前锋蔓延至关键位置处的时间（如距离每隔10 cm记录一次时间）。

2.3 灭火实验

实验开始前，保证油盘水平放置在泡沫灭火剂释放口下端，将燃料倒入油盘中；使用酒精引燃燃料，等到盘内处于稳定燃烧阶段后，打开气瓶阀门，调节系统压力，并调节液体流量计和气体流量计；驱动气体和泡沫液在气液混合腔内充分混合发泡后喷射于燃料表面，观察火势变化情况，记录灭火时间和灭火过程中热电偶温度变化。

2.4 抗烧实验

泡沫的抗烧性能由抗烧时间作为判别指标，抗烧时间为点燃抗烧罐至一定燃料表面被引燃需要的时间［13］。实验步骤参考GB 15308-2006《泡沫灭火剂》如下：实验开始前，先用水将油盘洗净，待油盘干燥后加入适量燃料；将抗烧罐放于安全位置，并向罐内加入燃料；打开通风装置，点燃油盘并预燃（60 ±5）s；打开气瓶阀门，调节系统压力，并调节液体流量计和气体流量计；驱动气体和泡沫液在气液混合腔内充分混合发泡后向油盘供泡（180 ±2）s；停止供泡后等待（60 ±5）s，将抗烧罐放置于油盘中央并点燃，记录抗烧时间。

3 实验教学和实践

3.1 析液实验

本实验能够改变恒温加热装置的加热温度，研究温度对泡沫灭火剂稳定性的影响。此外，稳定剂的加入能够提高泡沫的稳定性，然而稳定剂的类型、浓度和配比等对稳定性的影响不同，也可以通过实验研究稳定剂不同变量与泡沫灭火剂稳定性的关系。利用实际操作观察和数据处理分析过程，加深学生对泡沫灭火剂稳定性的规律认识，帮助学生掌握影响泡沫灭火剂稳定性的主要因素。

从图3 可以看出，25%析液时间随着温度的升高而逐渐降低，说明温度越高，泡沫液膜析液速率越快，泡沫稳定性越差。泡沫析液会使泡沫结构破坏，稳定性丧失，无法在燃料表面形成起窒息作用的隔绝层，最终导致泡沫灭火性能降低。

图3 不同温度下自制有机硅泡沫灭火剂的25%析液时间

3.2 蔓延实验

利用实验平台开展泡沫蔓延实验，能够观察泡沫灭火剂的蔓延现象，对比不同类型泡沫灭火剂的蔓延性，研究气液比、浓度等因素对泡沫灭火剂蔓延性的影响。实验操作过程能够增强学生的实践能力和学习兴趣，并通过实验现象观察、实验数据记录和实验数据处理过程，帮助学生了解泡沫蔓延规律，理解泡沫蔓延的原理，实现理论知识与实践知识的结合。

从图4 可以看出，开始释放泡沫灭火剂时会出现泡沫堆积现象，随着泡沫向前铺展，泡沫层厚度逐渐减小。并且由于泡沫与燃料界面的作用力的影响，泡沫灭火剂在整个蔓延过程中速度逐渐减缓［14-15］。

图4 自制有机硅泡沫灭火剂油面蔓延过程

3.3 灭火实验

利用实验平台可以开展泡沫灭火剂扑灭多种类型火灾的灭火实验。通过实验可以研究不同变量对泡沫灭火剂灭火效能的影响，如气液比、喷射角度、灭火剂种类等，需要注意的是在研究过程一般采用控制变量法。实践操作有利于学生熟悉压缩氮气泡沫产生装置的使用方法，理解压缩氮气泡沫的产生原理。对高清摄像机和温度采集仪记录的灭火全程影像和温度进行分析和处理，帮助学生了解不同类型火灾特点以及灭火过程火势变化，理解泡沫灭火剂扑救火灾的灭火机理，掌握影响泡沫灭火剂灭火效能的关键参数，加深学生对泡沫灭火理论知识的理解。

从图5 可以看出，油盘内燃料火势随着泡沫灭火剂的持续释放而得到控制，火焰在泡沫灭火剂释放过程中明显减弱并最终熄灭。实验结果可知，气液比是泡沫灭火剂的灭火效能的影响因素之一，当气液比为17 时，灭火效能最优。

图5 不同气液比α下自制有机硅灭火剂的灭火过程

3.4 抗烧实验

本实验可以对比不同类型泡沫灭火剂的抗烧性能，也可以通过改变泡沫灭火剂的气液比、浓度等，研究各因素对泡沫灭火剂的抗烧性能的影响规律。通过实践操作和结果处理过程，学生能够观察泡沫灭火剂的抗烧现象，了解不同类型泡沫灭火剂抗烧特征，理解不同类型泡沫灭火剂的抗烧机理，掌握泡沫灭火剂抗烧性能的影响因素。

从图6 可以看出，在抗烧过程中，泡沫层厚度会随着水分的蒸发和析出而下降。随着整个泡沫层厚度减小，与抗烧罐接触的油面会出现火焰并快速蔓延使得油盘内燃料复燃。由抗烧时间可知，自制有机硅泡沫灭火剂具有更加优异的抗烧性能。

图6 自制有机硅泡沫灭火剂（a）和市售灭火剂AFFF（b）的抗烧过程

4 结 语

泡沫灭火综合教学实验平台主要包括发泡实验平台、析液实验平台、蔓延实验平台、灭火实验平台以及抗烧实验平台，能够实现泡沫灭火剂理化性能和灭火性能的测试研究。实验操作过程可以帮助学生充分吸收专业基础知识，增强学生的动手能力，培养学生学习兴趣和创新意识；结果分析过程能够增强学生的逻辑分析能力，培养学生辩证思维。总体而言，泡沫灭火综合教学实验平台满足培养学生综合素质和综合能力的目标要求，可为培养具有工程实践和创新能力的高素质和高质量消防工程人才提供实验平台支撑。