受限空間脈沖細水霧系統關鍵參數試驗與數值模擬研究

李曉康 ，徐志勝

(1.中南大學 防災科學與安全技術研究所，湖南 長沙 410075；2. 中國人民武裝警察部隊學院 消防工程系，河北 廊坊 065000)

數字出版日期： 2017-04-24

0　引言

脈沖細水霧是噴水與暫停循環交替進行滅火的細水霧系統，脈沖噴射對室內氣體具有更強的擾動作用，能夠增強水霧與煙羽流的混合，使霧滴蒸發更加充分，有利于稀釋可燃氣體和氧氣，提高滅火效率[1]。

脈沖細水霧最初用于燃氣輪機機艙火災，目的是避免設備破裂和變形[2]。1999年，Liu等[3]在長9.7 m，寬4.9 m，高2.9 m的房間內進行了脈沖細水霧滅火試驗。房間中部放置柴油發動機模型，并在其他多個位置放置了不同尺寸的火源，分別采用連續和脈沖細水霧進行滅火，脈沖周期為50 s開啟30 s暫停和30 s開啟20 s暫停。結果表明，脈沖細水霧滅火效果較好，能夠減少滅火時間和用水量，某些連續細水霧無法滅火的場景可由脈沖細水霧實現滅火。滅火效果的提升是由于大量的稀釋和置換氧氣，以及脈沖細水霧的擾動作用。

2006年，Kapoor等[4]在1m3的試驗箱內進行了脈沖細水霧熄滅油盤火的試驗研究。試驗箱頂部設有排煙口和2個超細水霧噴頭，油盤位于墻角，避免與水霧直接作用。改變火源功率和預燃時間，對連續和脈沖細水霧的滅火效果進行了對比。研究表明，脈沖細水霧滅火效果優于連續細水霧，且在通風條件下同樣能高效滅火。合理設置脈沖周期對滅火效果有重要影響，每個脈沖周期內暫停時間應大于最大霧滴的生存時間，使霧滴最大限度蒸發。

脈沖周期是影響脈沖細水霧滅火效果的關鍵參數。從上述研究來看，脈沖細水霧的研究尚處于探索階段，雖然驗證了脈沖細水霧在一定條件下滅火的優越性，但主導滅火機理和脈沖周期優化設置等關鍵問題尚不明確，且研究結果都是用于特殊空間火災，對于脈沖細水霧滅室內火缺乏相關研究，影響了脈沖細水霧技術的推廣和應用。

針對上述問題，采用NIST開發的場模擬火災軟件FDS(Fire Dynamic Simulator)對受限空間內不同脈沖周期的細水霧熄滅油盤火進行數值模擬，研究脈沖周期設置等關鍵參數；根據模擬結果設置脈沖細水霧系統，對不同火災場景下細水霧的滅火效果進行數值模擬和實驗驗證。研究結果為系統設計提供了依據，對提高滅火效率，拓展細水霧滅火理論，推廣脈沖細水霧技術具有重要意義。

1　脈沖細水霧系統關鍵參數研究

FDS是計算流體力學程序，可以模擬火災條件下熱量和燃燒產物的傳輸、材料的熱解和燃燒過程、水噴淋和細水霧對火災的抑制效果等[5]，且模擬結果與實驗結果吻合較好[6]。采用FDS對不同脈沖周期細水霧滅受限空間油盤火進行數值模擬，分析得到細水霧系統參數的優化設計。

1.1　火災場景和細水霧參數設置

計算區域為1.5 m×1.5 m×1.5 m的受限空間，網格劃分為75 mm×75 mm×75 mm，環境溫度為20℃。空間不設開口，用以模擬封閉的艙室或門窗關閉的房間。火源位于地板中間位置，采用邊長250 mm、高60 mm的方形柴油油盤來研究不同周期脈沖細水霧及連續水霧的滅火效果。模擬過程中，湍流模型采用大渦模擬[7](Large Eddy Simulation，LES)，燃燒模型選擇混合分數模型[8]。

1.1.1滅火條件

細水霧滅火是通過降溫冷卻和降低氧氣濃度實現的。對于細水霧冷卻滅火，FDS采用簡化的火災抑制模型來計算熱釋放速率的變化。水霧對燃料和周圍環境具有冷卻作用，影響了可燃物的熱解速率。基于Hamins和McGrattan的試驗結果[9]，燃料的質量燃燒速率可表示為：

(1)

除冷卻滅火外，當氧氣濃度小于極限氧氣濃度時，便會窒息滅火。可以通過設置絕熱火焰溫度(critical adiabatic flame temperature，CFT)來計算滅火時的極限氧氣濃度：

(2)

基于上述分析，對于細水霧冷卻滅火，將柴油的閃點56℃設置為滅火的臨界溫度，當柴油溫度低于56℃時火焰熄滅；對于細水霧窒息滅火，取TCFT為1 600 K，此溫度為碳氫化合物擴散燃燒的絕熱火焰溫度，柴油消耗單位質量氧氣產生的能量為13 100 kJ/kg，由式(2)計算得極限氧氣濃度值為0.12，即氧氣質量濃度達到12%時，火焰熄滅。

1.1.2脈沖細水霧設置

火源正上方距地面1.4 m處設置1個單噴嘴細水霧噴頭，可豎直向下噴射連續或脈沖細水霧。細水霧系統參數見表1。細水霧系統的流量mw可通過式(3)計算：

(3)

式中：p為系統的工作壓力；K為噴頭流量系數。

根據流量和孔口面積，便可得到霧滴的初始速度。脈沖周期的設置是脈沖細水霧系統的關鍵，對滅火效果有重要影響。為了確定合理的周期設置，開啟和暫停時間都分別取2 s，4 s，6 s，8 s和10 s，對25組不同脈沖周期的細水霧以及連續細水霧熄滅油盤火進行數值模擬。

表1　細水霧系統參數

1.2　結果分析

油盤預燃30 s后開啟細水霧系統，并測量油面溫度以及空間內氧氣濃度、二氧化碳濃度、水蒸氣濃度和溫度場分布。總計算時間為240 s。

1.2.1滅火時間分析

通過分析不同工況下的滅火時間，可為脈沖細水霧的優化設計提供參考。滅火時間為開啟細水霧系統至火焰熄滅所經歷的時間，不同脈沖周期細水霧及連續水霧的滅火時間見表2。根據表中數據可得到如下規律：

1)噴頭開啟時間固定，隨著暫停時間的增加，細水霧滅火時間呈先減小后增大的趨勢。

當暫停時間較短時，噴霧雖能夠降低火源燃燒速率，但空間內溫度相對較低，不利于水霧的蒸發，特別是對于噴頭開啟時間較長的工況，暫停時間過短使脈沖細水霧近似于連續水霧，滅火時間會進一步延長。隨著暫停時間增加，火源燃燒增強，空間內溫度升高，有利于水霧的蒸發，從而達到更好的窒息效果，故滅火時間逐漸減小并達到最小值。若進一步增加暫停時間會對火源的抑制作用減弱，火源恢復到猛烈燃燒狀態，使滅火時間延長。

表2　不同脈沖周期細水霧滅火時間

2)暫停時間固定，隨著噴頭開啟時間的增加，細水霧滅火時間呈先減小后增大的趨勢。

當噴頭開啟時間較短時，細水霧滅火時間較長，這是由于噴出的水霧量少，難以抑制火源，房間內溫度高，且噴霧時間短，水霧難以進入燃燒區，不利于滅火。隨著噴頭開啟時間增加，持續的噴霧能夠使大量霧滴進入燃燒區并降至燃料表面，水霧充分蒸發，在降溫的同時置換和稀釋氧氣，故滅火時間逐漸減小并達到最小值。若進一步增加噴頭開啟時間，由于噴霧時間過長近似于連續水霧，降低了霧滴的蒸發效率，使滅火時間延長。

1.2.2霧滴的運動和蒸發

分析霧滴的運動和蒸發過程對于了解細水霧滅火機理、有針對性的進行系統優化設計具有重要意義。霧滴下落過程中受到的空氣阻力與速度的平方成正比。在火災條件下，燃燒產生的火羽流具有很強的浮力作用，而細水霧霧滴直徑和動量小，極易被火場中的高溫煙氣帶走，難以降至燃料表面進行冷卻。霧滴的蒸發滿足二次方定律：

(4)

式中：τ為霧滴的生存時間，即完全蒸發需要的時間；d0為霧滴的初始直徑；kv為蒸發常數。

(5)

式中：λ為水的導熱系數；cp為水的比熱容；ρ為水的密度；qv為水的蒸發潛熱；T∞為燃燒區溫度；Tb為霧滴的溫度。

剛開始噴射水霧時，燃燒區溫度較高，取平均溫度為400℃，由式(5)計算得kv值為7.2×10-7。在此條件下，直徑300 μm的霧滴生存時間僅為0.125 s，霧滴初速度按10 m/s估算，考慮煙羽流的阻力作用，霧滴從噴頭到燃料表面的時間大于其生存時間。因此在噴霧初期，大部分霧滴被蒸發；隨著噴霧時間的增加，溫度降低，霧滴才能夠進入燃燒區到達燃料表面。根據模擬結果，從開始噴霧到燃料表面出現水霧的時間為7 s，對于連續細水霧，在此時間之后水霧能夠持續到達燃料表面進行冷卻；對于脈沖細水霧，由于噴頭暫停期間溫度上升，再次開啟噴頭霧滴仍會大量蒸發。

1.2.3滅火機理

表3給出了連續和脈沖細水霧滅250 mm油盤火時燃燒區的O2質量濃度和H2O體積濃度以及油面溫度。連續細水霧滅火時O2濃度為13%，高于滅火的極限氧氣濃度，油面溫度為38℃，低于柴油的閃點，故滅火機理是冷卻滅火；脈沖細水霧滅火時O2濃度為12%，達到極限氧氣濃度，且油面溫度高于閃點，因此是窒息滅火。

表3　滅火時燃燒區域參數

圖1為連續和脈沖細水霧滅火過程中燃燒區O2質量濃度變化曲線。對于連續細水霧，O2濃度是逐漸降低的。對于脈沖細水霧，圖中可明顯看出在噴頭暫停時O2濃度急劇下降，這一方面是由于燃燒消耗氧氣，另一方面是因為水霧大量蒸發稀釋了氧氣濃度并阻止新鮮空氣進入燃燒區。噴頭的反復動作有利于空間內氣體的動力混合，每經歷一個脈沖周期，O2的濃度都會有較大幅度的下降。

圖1　細水霧滅火過程中O2濃度曲線Fig.1　Concentration curve of O2 during the process of extinguishment by water mist

圖2　脈沖細水霧滅火過程中H2O濃度Fig.2　Concentration of H2O during the process of extinguishment by water mist in pulsed mode

連續細水霧滅火時間為82 s，脈沖細水霧僅為40 s，二者滅火效果的差異主要由水霧蒸發效率引起。連續細水霧滅火時水蒸氣濃度為18%，而脈沖細水霧滅火時水蒸氣濃度上升至20%。圖2為脈沖細水霧滅火過程中H2O體積濃度的截面圖。在30 s時，噴頭尚未啟動，房間內少量的水蒸氣是燃燒產物隨煙氣上升的結果；35 s時，細水霧噴頭處于開啟狀態，霧滴在向下運動過程中蒸發，燃燒區附近蒸發速度最快；42 s時，噴頭處于暫停狀態，此時空間內水蒸氣濃度較噴頭開啟時有了明顯的增加，表明暫停過程中懸浮在空氣中的霧滴大量蒸發；70 s時火焰熄滅，此時水蒸氣濃度達到20%，有效稀釋了氧氣使火焰熄滅。

根據上述模擬結果，結合霧滴運動和蒸發的理論分析可知，脈沖細水霧在噴霧初期霧滴大量蒸發，空間內溫度降低，當霧滴布滿整個房間后暫停噴霧；在暫停階段燃燒增強，溫度升高，懸浮在空氣中的霧滴繼續蒸發。進入下一個脈沖周期后，受限空間恢復高溫狀態，將會重復上述過程，如此循環極大的提高了霧滴的蒸發效率并稀釋了氧氣，從而實現窒息滅火。

1.3　脈沖周期的優化設計

由上述分析可知，脈沖細水霧并非對火源進行持續的降溫冷卻，在所有脈沖細水霧滅火的工況中，滅火時油面溫度均高于56℃，而氧氣質量濃度均降至12%以下，且水蒸氣濃度非常高，大量水霧迅速蒸發產生的窒息作用是滅火的主要因素。因此，如何設置脈沖周期來提高水霧蒸發效率并達到最佳滅火效果，是脈沖細水霧系統設計的關鍵。

在設計的火災場景下，脈沖周期為8 s開啟、8 s暫停時，細水霧滅火時間最短。水霧平均粒徑為300 μm，但是在噴射過程中還會產生一部分較大粒徑的水霧。水霧與煙氣溫差200℃時，直徑600 μm的霧滴生存時間約為7 s[10]，因此暫停時間8 s基本為霧滴完全蒸發所需的時間，既保證了水霧的充分蒸發，又不會使燃燒過于增強。細水霧霧滴降至燃料表面的時間為7 s，因此噴頭開啟時間8 s能夠使霧滴充分降落并布滿整個空間，有利于提高蒸發效率。

因此，對于脈沖周期的優化設置，應使噴頭開啟時間接近霧滴降至燃料表面的時間，暫停時間應接近霧滴的生存時間。

2　脈沖細水霧滅火試驗研究

由模擬結果可知，脈沖細水霧的滅火效率高于連續細水霧。為驗證模擬結果，建立細水霧試驗臺，采用周期為8 s開啟、8 s暫停的脈沖細水霧與連續細水霧，對受限空間不同尺寸火源進行滅火試驗，并與數值模擬結果進行對比。

2.1　脈沖細水霧試驗臺

實驗采用單相流細水霧系統，該系統由細水霧噴頭、空氣壓縮機、水瓶組、比例減壓閥、流量計、壓力計和控制裝置等部分組成。利用空氣壓縮機作為增壓設備，其工作壓力為0～3 MPa，試驗中通過系統的比例減壓閥調節系統的工作壓力。在系統的管路中設有流量計，用來測量實驗時系統管路流量的變化。在噴頭末端管路上設有電子測壓設備，用來測量噴頭的末端壓力。脈沖控制系統采用多段式數位雙調型限時繼電器，通過時間繼電器調節電源通斷時間，繼而使電源控制電磁閥實現細水霧噴頭的噴灑與停止。

試驗箱尺寸為1.5 m×1.5 m×1.5 m(長×寬×高)，框架由5 mm厚的角鋼焊接而成，試驗箱前壁用5 mm厚的鋼化玻璃制成，用于觀察實驗中火焰燃燒過程和室內煙氣的流動，其余壁面由水泥石膏板制成，為了方便測量設備的安裝和調試，在一側壁面設置尺寸為1.0 m×0.5 m的門，在燃燒室頂部中央設置細水霧噴頭，噴頭距離燃燒室底面1.4 m，總體裝置如圖3所示。

圖3　細水霧滅火過程中CO2濃度曲線Fig.3　Concentration curve of CO2 during the process of extinguishment by water mist

為研究脈沖細水霧滅火效果，采用不同尺寸火源進行實驗。燃料為0號柴油，油盤為直徑為150 mm，250 mm和350 mm，放置于燃燒室地板中間。試驗過程中門窗關閉，每次點火后，讓油盤在室內預燃30 s，使油面上方形成穩定火焰，之后啟動細水霧滅火，并記錄滅火時間。細水霧系統壓力設置為1 MPa，霧滴平均粒徑為300 μm，脈沖周期為8 s，開啟8 s暫停。

采用熱電偶測量空間內溫度分布，最底層熱電偶放置在油盤表面測量油面溫度，其上方每隔150 mm設置1個熱電偶，共布置7個熱電偶，從下到上編號為1～7號。為了消除試驗誤差，每個實驗工況進行2次實驗，實驗結果取兩次實驗的平均值。

2.2　滅火時間對比分析

脈沖和連續細水霧滅不同尺寸油盤火時間見表4，脈沖細水霧滅火時間少于連續細水霧，且試驗結果與模擬結果趨勢一致，但試驗結果略高于模擬結果，這是由于試驗箱無法做到完全密閉，燃燒過程中會有少量新鮮空氣從外部進入，增加了氧氣供給。

對于脈沖細水霧，設計工況下滅火均發生在噴霧暫停階段，這表明噴頭停止動作時，霧滴的充分蒸發對滅火有重要影響。連續細水霧無法熄滅直徑150 mm的油盤，因為持續噴霧使燃燒強度減弱，空間內溫度低不利于水霧蒸發，燃燒產物濃度較低，水霧在運動過程中將空氣帶入燃燒區，經過一段時間的作用，火源的釋熱和散熱達到平衡狀態，形成穩態燃燒，火焰無法熄滅。隨著油盤尺寸增大，滅火時間明顯減少，連續和脈沖細水霧滅火時間的差距縮小，這是由于受限空間內氧氣有限，而大尺寸火源消耗氧氣多，產生的水霧量大，使燃燒難以維持。

表4　細水霧滅不同尺寸油盤火時間

2.3　脈沖細水霧滅火過程分析

以熄滅250 mm油盤火為例，油盤預燃30 s后啟動細水霧系統，在施加細水霧初期，會造成火源燃燒增強的現象，如圖4所示，這是由于細水霧霧滴進入燃燒區與燃料形成共沸[11]，即當2種互不相溶的液體共存時，沸點恒低于任一純組分的沸點。模擬過程中并不存在燃燒強化現象，這是由于FDS模型當中可燃物僅為1種，物理化學特性相對固定，且無法實現燃料與水霧的摻混。

圖4　施加細水霧對燃燒強度的影響Fig.4　Influence on combustion intensity by water mist

共沸增大了燃料蒸發速率導致燃燒加劇，并使空間內部溫度升高，提高了水霧蒸發效率，消耗更多氧氣，在一定程度上有利于密閉空間滅火。燃燒強化現象出現在噴頭動作后3～4 s，繼續施加水霧則強化現象消除且火源受到抑制。在噴霧暫停過程中，火源燃燒強度會有一定的恢復，這使得空間內溫度升高，懸浮在空氣中的霧滴進一步蒸發。

圖5　脈沖細水霧滅火過程溫度曲線Fig.5　Temperature curve during the process of extinguishment by pulsed water mist

試驗和數值模擬過程中燃燒區溫度變化曲線如圖5所示，脈沖細水霧滅火過程中溫度隨著噴頭的啟閉呈震蕩趨勢，并且滅火時燃燒區域溫度較高，因此判斷是稀釋氧氣而實現窒息滅火。在預燃階段，模擬溫度比實驗溫度高，這是由于在FDS燃燒模型中燃料與氧氣接觸便發生燃燒，而試驗過程中燃燒面積是由局部逐漸擴散至整個燃料表面，從引燃柴油到形成穩定火焰需要一定時間，因此該階段試驗測定溫度曲線升溫較慢，溫度較低。在滅火過程中，試驗測得溫度值較模擬結果偏高，且震蕩幅度較小，這一方面是由于試驗箱無法做到完全密封，新鮮空氣進入增強了燃燒，另一方面是由于燃燒強化現象使得降溫幅度偏小，但二者總體趨勢一致，表明數值模擬結果能夠較好的反映實際火災情況。

表5給出了脈沖細水霧滅火時燃燒區的O2質量濃度、H2O體積濃度以及油面溫度。其中油面溫度為試驗測量結果，O2質量濃度和H2O體積濃度為數值模擬結果。脈沖細水霧熄滅不同尺寸油盤火時，滅火瞬間燃燒區H2O濃度較高，水霧大量蒸發稀釋了氧氣和可燃氣體，滅火時O2濃度均降至極限氧氣濃度12%以下，且油面溫度均高于閃點，可判斷滅火機理為窒息滅火。從試驗現象分析，脈沖細水霧滅火前，如圖6、圖7所示，火源尺寸擴大并脫離燃料表面燃燒，之后迅速熄滅，表明火源周圍的氧氣濃度不足以維持燃燒，未燃蒸汽擴散至油池上方和周圍區域導致火焰向油盤外蔓延，并最終窒息滅火。

表5　脈沖細水霧滅不同尺寸油盤滅火時燃燒區域參數

圖6　火源熄滅前5 sFig.6　5 second before extinguishment

圖7　火源熄滅瞬間Fig.7　the moment of extinguishment

3　結論

1)當噴頭開啟時間接近霧滴降至燃料表面時間，暫停時間接近霧滴生存時間時，脈沖周期最佳，脈沖細水霧滅火時間最短。

2)脈沖細水霧滅火時間短，霧滴蒸發效率高，滅火機理為窒息滅火，水霧的大量蒸發稀釋氧氣對滅火起到關鍵作用。

3)對于不同尺寸火源，脈沖細水霧均能實現窒息滅火，且滅火效率高于連續細水霧，而連續細水霧無法熄滅直徑150 mm的油盤火。

[1]Dyer J. H. Water mist fire suppression systems: application assessment test on full-scale enclosure [J]. Fire Engineers Journal, 1997,11:27-32.

[2]Ural E. A., Bill R. G. Fire Suppression Performance Testing of Water Mist Systems for Combustion Turbine Enclosures[A]. Proceedings of Halon Alternatives Technical Working Conference[C]. Albuquerque: New Mexico Engineering Research Institute, 1995: 449-456.

[3]Zhigang Liu, Andrew K. Kim, Joseph Z. Su. Examination of the extinguishment performance of a water mist system using continuous and cycling discharges[J]. Fire Technology, 1999, 35(4):336-360.

[4]J.C.Kapoor, Meenakshi Gupta, A.K.Kapoor. Comparative study on fire suppression performance of 25μm water mist in continuous and pulsed discharge mode[A]. 10th International Conference on Liquid Atomization and Spray Systems[C]. Kyoto: Institute for Liquid Atomization and Spray Systems-Japan, 2006: 77-83.

[5]McGrattan K., McDermott R., Hostikka S., et al. Fire dynamics simulator (Version5) user’s guide[M]. Maryland: NIST Special Publication 1019-5, 2014:86-91.

[6]林霖，房玉東，翁韜,等. 細水霧與火災煙氣相互作用的實驗和數值模擬研究[J]. 中國工程科學，2007，10(10):72-77.

LIN Lin, FANG Yudong, WENG Tao, et el. An experimental and numerical study on the interaction between water mist and smoke[J]. Engineering Sciences, 2007, 10(10): 72-77.

[7]Zhang W., Ryder N., Roby R.J., et al. Modeling of the combustion in compartment fires using large eddy simulation approach [A]. Proceedings of the 2001 Fall Technical Meeting[C]. Pittsburgh: Combustion Institute, 2001: 223-230.

[8]McGrattan K., Hostikka S., Floyd J., et al. Fire dynamics simulator (Version5) technical reference guide[M]. Maryland: NIST special publication 1018-5, 2014:139-142.

[9]Hamins A., McGrattan K. Reduced-scale experiments on the water suppression of a rack-storage commodity fire for calibration of a CFD fire model[A]. Fire Safety Science: Proceedings of the Seventh International Symposium[C]. London: International Association for Fire Safety Science, 2002: 457-468.

[10]牛國慶. 細水霧抑制室內火災的理論與試驗研究[D]. 長沙：中南大學, 2007.

[11]陸強，李鈣，廖光煊,等. 油池火中細水霧強化火焰現象研究[J]. 中國工程科學，2006，8(7):78-82.

LU Qiang, LI Gai, LIAO Guangxuan, et al. Investigation of fire enhancement in pool fire by water mist[J]. Engineering Science, 2006, 8(7):78-82.