CO2和ABC干粉滅火劑撲滅火旋風(fēng)火焰實(shí)驗(yàn)對比分析*

解北京，杜玉晶，曾 臏

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作 454000)

0 引言

火旋風(fēng)在浮力火羽流和流場耦合作用下被誘發(fā)，火旋風(fēng)形成后，螺旋上升運(yùn)動(dòng)使燃燒劇烈程度加劇，產(chǎn)生的飛火會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)蔓延[1-3]。因此，從火旋風(fēng)形成機(jī)制、火焰溫度場分布特征以及燃燒特性等方面入手，研究火旋風(fēng)火焰的撲滅與抑制是重要且有意義的。為了研究火旋風(fēng)的火焰燃燒特性，目前在實(shí)驗(yàn)室條件下，國內(nèi)外學(xué)者主要通過設(shè)計(jì)圓筒式或垂直壁面式裝置來滿足火旋風(fēng)形成所需的旋轉(zhuǎn)流、摩擦力與流體匯3個(gè)基本條件，模擬火旋風(fēng)的產(chǎn)生[4-9]。

對于火旋風(fēng)火焰燃燒特性的研究，武紅梅等[10]采用2 m×2 m×15 m的大尺寸火旋風(fēng)發(fā)生裝置，通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬得到火焰中心溫度與軸向速度隨高度的分布規(guī)律；張光輝等[11]利用6壁面的火旋風(fēng)發(fā)生裝置生成火旋風(fēng)，通過模擬分析得到火旋風(fēng)臨界環(huán)量與火焰尺寸的線性關(guān)系；解北京等[12]、楊春英等[13]依據(jù)火旋風(fēng)火焰實(shí)際燃燒特征將火焰分為根部、中部和頂端3個(gè)燃燒區(qū)域；對于火旋風(fēng)火焰的撲滅研究，秦俊等[14-15]對比分析了超細(xì)水霧對一般池火和火旋風(fēng)的撲滅效果，發(fā)現(xiàn)細(xì)水霧能通過冷卻和稀釋氧氣濃度來抑制火旋風(fēng)。

目前尚未有火旋風(fēng)火焰滅火抑制的相關(guān)研究，為深入研究滅火劑對火旋風(fēng)火焰的燃燒抑制作用，在實(shí)驗(yàn)室條件下利用自制火旋風(fēng)發(fā)生測量裝置[16]生成火旋風(fēng)，選用ABC干粉滅火劑和CO2滅火劑分別進(jìn)行滅火實(shí)驗(yàn)，對2種滅火劑作用下火旋風(fēng)在降溫階段火焰溫度場變化特征進(jìn)行擬合分析，探討2種滅火劑撲滅火旋風(fēng)的效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對預(yù)防和撲滅火旋風(fēng)災(zāi)害具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

選擇正庚烷作為燃料，風(fēng)機(jī)出風(fēng)口速度設(shè)為1.5 m/s，使用自制小型火旋風(fēng)發(fā)生裝置[16]生成火旋風(fēng)，在3種不同實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行滅火實(shí)驗(yàn)。滅火劑通過人工手持的方式，由豎直槽道頂端中心位置釋放，噴射時(shí)長由秒表計(jì)時(shí)進(jìn)行控制，具體實(shí)驗(yàn)方案見表1。其中，實(shí)驗(yàn)2第1次噴射滅火劑時(shí)長過短，火焰復(fù)燃，在火焰回燃至穩(wěn)定燃燒狀態(tài)后于47.6 s時(shí)進(jìn)行滅火劑的2次噴射，增加滅火劑釋放時(shí)長至2 s。

表1 實(shí)驗(yàn)方案Table 1 Experimental scheme

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)室自制火旋風(fēng)發(fā)生裝置由旋風(fēng)罩與豎直槽道2部分組成[12,16]。撲滅火旋風(fēng)火焰的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集所用傳感器和數(shù)據(jù)信號(hào)采集設(shè)備如下：1)鎧裝K型熱電偶：直徑1 mm，測溫范圍0～1 200℃，響應(yīng)時(shí)間<200 ms，置于豎直槽道200～1 100 mm火焰中軸線上，間距100 mm，共10個(gè)；2)火焰?zhèn)鞲衅鳎簷z測760～1 100 nm范圍內(nèi)光源，于豎直槽道一側(cè)每間隔250 mm放置1個(gè)，共4路；3)攝像儀：HD高清索尼HDR-PJ820E攝像儀；4)8937電壓/溫度單元：采樣速率1 MS/s，溫度測量4 kS/s；5)HIOKI 8842T存儲(chǔ)記錄儀：采樣速率1 KS/s。圖1為撲滅火旋風(fēng)火焰實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置圖和以正庚烷為燃料生成的火旋風(fēng)火焰。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置及火旋風(fēng)火焰Fig.1 Experimental device and fire whirlwind flame

1.3 滅火劑性能參數(shù)選擇

實(shí)驗(yàn)選用CO2滅火劑和高效多功能ABC干粉滅火劑。其中，CO2滅火劑純度≥99.5%，高效多功能ABC干粉滅火劑型號(hào)為MFJ520L。CO2滅火劑通過CO2的迅速汽化，吸收熱量并排擠稀釋燃燒區(qū)空氣降低空間氧氣含量，通過窒息和冷卻作用使火焰熄滅[17]。高效多功能ABC干粉滅火劑通過化學(xué)反應(yīng)消耗火焰中的·OH 和·H自由基中斷燃燒的連鎖反應(yīng)，粉粒受高溫作用發(fā)生分解吸收部分熱量，起到使火焰熄滅的抑制作用[18]。

2 火焰溫度場變化特征實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)1生成的火旋風(fēng)在正常燃燒至自然熄滅過程中火焰的溫度場變化，如圖2(a)所示；圖2(b)為實(shí)驗(yàn)2使用CO2滅火劑下火旋風(fēng)火焰溫度場變化曲線；圖2(c)為實(shí)驗(yàn)5使用ABC干粉滅火劑下火旋風(fēng)火焰溫度場變化曲線。

圖2 火旋風(fēng)火焰溫度場變化Fig.2 Temperature field change of fire whirlwind flame

由圖2可以看出，火旋風(fēng)的燃燒過程按溫度變化情況可以分為點(diǎn)火后溫度迅速升高的升溫階段，火焰溫度保持穩(wěn)定的燃燒階段以及隨燃料燃盡火焰溫度逐漸下降的降溫階段。實(shí)驗(yàn)1中火旋風(fēng)在保持穩(wěn)定燃燒至147.60 s后，由于正庚烷燃料不足，蒸發(fā)量減小，火旋風(fēng)火焰溫度場呈“上凸”型緩慢下降，降溫階段耗時(shí)約150 s；實(shí)驗(yàn)2分別于40.1 s和47.6 s進(jìn)行了CO2滅火劑的釋放，由于CO2滅火劑第1次噴射僅持續(xù)1 s，CO2釋放量不足導(dǎo)致火旋風(fēng)火焰復(fù)燃，于47.6 s再次噴射CO2滅火劑，由于2次滅火劑噴射間隔較短，燃料消耗小且火焰已重新恢復(fù)穩(wěn)定燃燒狀態(tài)，故認(rèn)為2次滅火行為之間相互影響關(guān)系較小，第2次噴射CO2滅火劑后火焰溫度場變化可視為1次完整的滅火過程，取47.6 s后火焰溫度場變化結(jié)果進(jìn)行分析。在CO2或ABC干粉滅火劑作用下，火旋風(fēng)火焰不同高度的溫度呈現(xiàn)出相同的“下凹”型變化趨勢，且降溫時(shí)間明顯縮短。因此，以實(shí)驗(yàn)2～5滅火劑噴射時(shí)刻作為火焰降溫的起始時(shí)刻，截取不同滅火劑作用下火旋風(fēng)降溫階段火焰溫度場的變化曲線并進(jìn)行擬合分析。

2.1 CO2滅火劑作用下火焰溫度場變化

以實(shí)驗(yàn)2第2次滅火劑噴射時(shí)刻與實(shí)驗(yàn)3滅火劑噴射時(shí)刻作為火焰降溫的起始時(shí)刻，截取CO2滅火劑作用下火焰溫度場衰減曲線。其中，實(shí)驗(yàn)3火旋風(fēng)火焰溫度場的衰減曲線如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)3 CO2滅火劑作用下火旋風(fēng)火焰溫度場變化Fig.3 Temperature field change of fire cyclone flame under the action of CO2 fire extinguishing agent of experiment 3

由圖3可以看出，在接觸CO2滅火劑后，火旋風(fēng)火焰溫度場在短時(shí)間內(nèi)迅速衰減，火焰不同高度溫度均呈“下凹”型衰減趨勢。CO2滅火劑由豎直槽道頂端進(jìn)行噴射，因此，火焰不同高度溫度變化按接觸滅火劑時(shí)間不同存在先后之分，最先接觸滅火劑的火焰頂端區(qū)域溫度場先發(fā)生下降，其次是火焰中部，最后是火焰根部。CO2滅火劑通過釋放大量CO2氣體降低火旋風(fēng)火焰周圍氧濃度，并通過CO2的汽化吸收大量熱量，通過對火焰燃燒的冷卻及窒息作用撲滅火旋風(fēng)火焰。

2.2 ABC干粉滅火劑作用下火焰溫度場變化

實(shí)驗(yàn)4與實(shí)驗(yàn)5對生成的穩(wěn)定火旋風(fēng)火焰由豎直槽道頂端中心噴射ABC干粉滅火劑，其中，實(shí)驗(yàn)5火旋風(fēng)火焰在ABC干粉滅火劑作用下溫度場變化如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)5 ABC滅火劑作用下火旋風(fēng)火焰溫度場變化Fig.4 Temperature field change of fire whirlwind flame under the action of ABC fire extinguishing agent of experiment 5

由圖4可以看出，燃燒穩(wěn)定的火旋風(fēng)火焰在ABC干粉滅火劑作用下，短時(shí)間內(nèi)火焰不同高度的溫度迅速衰減并且呈現(xiàn)規(guī)律性地“下凹”型變化，火焰頂部、中部以及根部區(qū)域溫度下降同樣存在先后之分。ABC干粉滅火劑噴出的干粉進(jìn)入燃燒區(qū)與火焰混合，對火焰中的·OH和·H自由基進(jìn)行化學(xué)抑制，迅速降低維持燃燒所需要的自由基濃度，從而使燃燒反應(yīng)終止，撲滅火旋風(fēng)火焰。

3 火旋風(fēng)火焰溫度場衰減擬合分析

火旋風(fēng)火焰的溫度場變化是分析滅火劑滅火效果的主要依據(jù)，CO2氣體或干粉顆粒物對火焰燃燒有直接影響，火焰的降溫速率與滅火劑滅火性能緊密相關(guān)[19]。利用軟件Origin8.0對實(shí)驗(yàn)2～5噴射滅火劑后火旋風(fēng)火焰溫度場隨時(shí)間的衰減規(guī)律用下式進(jìn)行指數(shù)方程擬合[20-22]：

y=k×Tm×e-ax

(1)

式中：Tm為各組實(shí)驗(yàn)噴射滅火劑后火旋風(fēng)火焰降溫階段的初始溫度，℃；k為溫度平衡常數(shù)，用以修正實(shí)驗(yàn)中熱電偶等因素帶來的溫度測量誤差；a為滅火劑對火焰溫度場降溫及滅火的影響系數(shù)；x為噴射滅火劑后火旋風(fēng)火焰溫度場降溫耗時(shí)，s。

基于文獻(xiàn)[12]和文獻(xiàn)[13]中的火旋風(fēng)火焰分區(qū)及各區(qū)域火焰燃燒特征，選取各組實(shí)驗(yàn)中火旋風(fēng)火焰根部300 mm處，火焰過渡區(qū)800 mm處和火焰頂端1 000 mm處的溫度衰減曲線進(jìn)行擬合。由于火旋風(fēng)火焰根部區(qū)域的火焰旋轉(zhuǎn)劇烈，溫度最高，以實(shí)驗(yàn)3和實(shí)驗(yàn)5火焰300 mm處溫度衰減曲線及指數(shù)方程擬合曲線為例(見圖5～6)進(jìn)行火旋風(fēng)火焰的滅火效果分析。實(shí)驗(yàn)2～5火焰300 ，800和1 000 mm處的擬合結(jié)果見表2。

圖5 實(shí)驗(yàn)3 CO2滅火劑下火焰300 mm處降溫及擬合曲線Fig.5 Cooling curve and fitting curve of fire cyclone flame at 300 mm under CO2 fire extinguishing agent of experiment 3

圖6 實(shí)驗(yàn)5 ABC滅火劑下火焰300 mm處降溫及擬合曲線Fig.6 Cooling curve and fitting curve of fire cyclone flame at 300 mm under ABC fire extinguishing agent of experiment 5

由圖5和圖6可以看出，燃燒穩(wěn)定的火旋風(fēng)火焰在CO2滅火劑或ABC干粉滅火劑作用下溫度場呈指數(shù)形式衰減，開始時(shí)降溫速度快且溫度下降幅度大，降溫曲線呈“下凹”型。當(dāng)溫度下降至正庚烷自燃點(diǎn)附近，火焰降溫速率與降溫幅度有所減小，隨后火焰降溫曲線緩慢下降至環(huán)境溫度(最低溫度)后保持不變。對比圖5與圖6，相較于CO2滅火劑，ABC干粉滅火劑作用下火旋風(fēng)火焰300 mm處溫度擬合曲線斜率、降溫速率及溫度下降幅度更大。

表2 火旋風(fēng)火焰溫度場擬合參數(shù)值Table 2 Fire cyclone flame temperature field fitting parameter value

由表2可以看出，火焰根部區(qū)域、火焰過渡區(qū)域與火焰頂端區(qū)域的降溫初始溫度相差較大，各組實(shí)驗(yàn)中火焰同區(qū)域的降溫初始溫度在修正后相差不大，與前人研究的火旋風(fēng)火焰分區(qū)結(jié)果保持一致。受滅火劑由豎直槽道頂端噴射的影響，CO2滅火劑或ABC干粉滅火劑在火焰根部、中部及頂端3個(gè)不同分區(qū)的影響系數(shù)a不同，由于各組實(shí)驗(yàn)中噴射滅火劑時(shí)火焰不同高度的初始溫度不同，可以通過計(jì)算CO2滅火劑或ABC干粉滅火劑作用下火焰溫度場的降溫速率，結(jié)合降溫過程火焰光信號(hào)變化數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析2種滅火劑對于火旋風(fēng)火焰的滅火效果。

實(shí)驗(yàn)2～5生成的火旋風(fēng)火焰在不同高度降溫曲線的擬合決定系數(shù)R2均在0.90以上，說明函數(shù)擬合效果較好，即在CO2滅火劑或ABC干粉滅火劑作用下，火旋風(fēng)火焰的溫度場隨時(shí)間的下降趨勢符合指數(shù)衰減的變化規(guī)律。

4 火旋風(fēng)火焰滅火效果分析

由于火旋風(fēng)火焰根部區(qū)域燃燒劇烈，溫度最高，分析該區(qū)域火焰在CO2或ABC干粉滅火劑噴射作用下的溫度場變化特征對于研究火旋風(fēng)撲滅有重要意義。因此，選取火焰根部300 mm處溫度變化曲線為分析對象，計(jì)算實(shí)驗(yàn)2～5在噴射滅火劑10 s內(nèi)火旋風(fēng)火焰下降溫度，結(jié)合降溫階段火焰光信號(hào)數(shù)據(jù)，分析2種滅火劑對火旋風(fēng)火焰的滅火效果。其中，實(shí)驗(yàn)2～5火焰300 mm處10 s內(nèi)降溫?cái)?shù)值見表3，火焰根部區(qū)域獲取的光信號(hào)變化如圖7所示。

表3 火旋風(fēng)火焰根部300 mm處降溫?cái)?shù)據(jù)Table 3 Cooling data at 300 mm of the root of the whirlwind flame ℃

由表3可知，實(shí)驗(yàn)2～4火旋風(fēng)火焰300 mm處的初始降溫溫度分別為713.00，738.75，805.00和772.50℃；實(shí)驗(yàn)2和實(shí)驗(yàn)3火旋風(fēng)300 mm處火焰在噴射CO2滅火劑后10 s內(nèi)分別降溫509.37℃和495.01℃；實(shí)驗(yàn)4和實(shí)驗(yàn)5火旋風(fēng)300 mm處火焰在噴射ABC干粉滅火劑10 s內(nèi)分別降溫568.02℃和526.55℃。相同時(shí)間內(nèi)ABC干粉滅火劑作用下火焰下降溫度遠(yuǎn)大于CO2滅火劑作用下火旋風(fēng)火焰根部下降溫度，說明對燃燒起抑制及冷卻作用的ABC干粉滅火劑降溫效率更高，滅火效果更好。

圖7描述了經(jīng)STA/LTA算法處理后實(shí)驗(yàn)2～5火旋風(fēng)火焰450 mm處的光信號(hào)振幅及STA/LTA比值變化，計(jì)算可得實(shí)驗(yàn)2～5火焰根部對應(yīng)的脈沖數(shù)分別為11 022，6 263，10 236和10 280。

圖7 火旋風(fēng)火焰根部區(qū)域光信號(hào)Fig.7 Fire whirlwind flame root area light signal

由圖7可以看出，正常燃燒階段火焰根部的光信號(hào)波動(dòng)頻率低且穩(wěn)定，噴射CO2滅火劑或ABC干粉滅火劑后火焰光信號(hào)變?nèi)跚也▌?dòng)明顯，實(shí)驗(yàn)2第1次噴射CO2滅火劑后出現(xiàn)火焰回溫現(xiàn)象。相比于CO2滅火劑，ABC干粉滅火劑作用下火焰根部光信號(hào)低閾值波動(dòng)分量多，波動(dòng)頻率明顯減弱，火焰滅火效果更好。

由滅火劑作用下火旋風(fēng)火焰降溫速率及光信號(hào)變化可知，噴射CO2滅火劑和ABC干粉滅火劑對火旋風(fēng)火焰均有良好的滅火效果，但CO2滅火劑作用下火旋風(fēng)火焰會(huì)出現(xiàn)復(fù)燃現(xiàn)象，相同時(shí)間內(nèi)火旋風(fēng)火焰在ABC干粉滅火劑作用下降溫速率更快，且光信號(hào)波動(dòng)明顯減弱，高閾值分量明顯減弱。因此，對火旋風(fēng)火焰燃燒起抑制作用的ABC干粉滅火劑降溫效率更高，滅火效果更好。

5 結(jié)論

1)火旋風(fēng)在CO2滅火劑或ABC干粉滅火劑作用下，火焰的溫度場衰減曲線呈明顯“下凹”型變化，并且下降溫度與降溫時(shí)間之間存在確定的指數(shù)關(guān)系。

2)對CO2滅火劑或ABC干粉滅火劑作用下火旋風(fēng)火焰溫度場衰減曲線進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)2種滅火劑對火焰的影響系數(shù)不同，并且受滅火劑由槽道頂端噴射的影響，火焰根部、中部及頂端不同區(qū)域的滅火劑影響系數(shù)不同。

3)對比2種滅火劑作用下火旋風(fēng)火焰溫度場的降溫速率及光信號(hào)變化情況，相較于對火焰燃燒起冷卻與窒息作用的CO2滅火劑，對火焰燃燒起抑制作用的ABC干粉滅火劑對火旋風(fēng)火焰的降溫效率更高，火旋風(fēng)火焰的撲滅效果更好。