低壓環境對高壓細水霧霧滴粒徑影響的實驗分析

賀元驊， 陶 波， 伍 毅 ， 張 政

(中國民用航空飛行學院民航安全工程學院，廣漢 618300)

細水霧滅火技術有滅火效率高，無污染、安全環保等優點。相比之下，抑制火災中傳統的物理方法和化學方法都無法達到上述的特點。細水霧滅火技術正逐漸代替鹵代烷系列滅火劑。

目前，已有研究結果表明細水霧的霧場特性參數會影響細水霧滅火效果，其中，霧場特性參數主要由霧通量、霧錐角及霧滴粒徑大小的分布表示。對于細水霧滅火系統前人已經開展了大量的研究，其中，陳健等[1]研究了細水霧噴頭內部霧化芯結構變化對水滴霧化效果的影響，通過設計14種不同霧化芯結構的噴頭裝置，結果得到四流道結構的細水霧噴頭霧化效果最佳；楊克等[2]利用超細水霧滅甲烷在空氣中爆炸引起的火災，通過搭建相關實驗平臺，驗證超細水霧對甲烷爆炸引起的火災具有抑制作用；伍毅等[3]從細水霧噴頭的流量系數方向研究其流量系數值的改變，對細水霧的霧場特性參數的影響，結果得出流量系數增大，細水霧的霧場特性參數也隨之增大；陸林[4]開展了大尺度航空煤油池火的火行為研究，分別從溫度、熱流密度、氧濃度等參數進行分析，與此同時研究細水霧抑滅火效能；楊震銘等[5]研究分析了細水霧霧滴粒徑的測量方法，采用相關技術測得細水霧霧滴粒徑值的大小；余世雄[6]研究了細水霧滅海上油氣火，通過對滅海上油氣火的研究，得出細水霧廣泛適用性的特點，并且也得出了高壓細水霧滅海上油氣火時的最佳粒徑值范圍為50～200 μm；劉志斌等[7]利用工作壓力為變量條件，通過改變工作壓力值，研究細水霧霧場特性參數的變化規律，包括細水霧霧滴粒徑大小分布、霧錐角大小以及霧通量的變化；石磊等[8]對細水霧滅電纜橋架底層火進行研究分析，通過改變霧滴粒徑值的大小，觀察分析實驗現象，通過溫度、熱釋放速率及時間的參數，確定具有最佳滅火效果的粒徑范圍。通過對上述研究發現，均未涉及到環境壓力的改變對高壓細水霧霧場特性的影響規律，一般認為，細水霧滅火技術是通過隔絕氧氣，降低火焰溫度并進行冷卻以及減弱火災的熱輻射等多種機理相互作用達到滅火目的，那么在不同的環境壓力下，物質的燃燒特性將有所變化，以上的已知影響因素會不會隨之發生改變，或者會有更加顯著的決定因素出現還有待于研究論證。

通過開展相關的實驗測量，研究了在不同的環境壓力下高壓細水霧霧滴粒徑的變化規律并與理論相結合共同論證實驗結果的準確性。

1 實驗過程

1.1 實驗平臺的搭建

實驗裝置主要由馬爾文儀設備系統、流量系數為2.5、3.4類型噴頭、霧滴采集裝置和管道組成，噴頭通過支架固定在空中，高壓泵提供不同的工作壓力；噴霧流量由流量表讀出數值；兩邊放置馬爾文儀設備，連接計算機得出細水霧霧滴粒徑的變化圖表，規定時間即可測量分析，實驗平臺的搭建如圖1所示。

1為噴頭； 2為馬爾文儀設備； 3為燒杯； 4為計算機圖1 實驗平臺簡圖Fig.1 Experimental platform diagram

1.2 實驗方法

為研究環境壓力對高壓細水霧霧滴粒徑及噴霧流量的影響，實驗在廣漢平原以及康定機場進行，目的是獲得不同的環境壓力。搭建平臺完成后，控制出水時間60 s，在兩種類型噴頭下(流量系數K分別為2.5、3.4)調整工作壓力，通過馬爾文儀記錄粒徑變化，每組進行三次實驗，收集數據取平均值減小誤差，最后對比分析。

2 數據處理

實驗設置4、6、8、10、12 MPa的工作壓力，兩種類型噴頭，兩種環境壓力(常壓101 kPa，低壓60 kPa)，實驗測得噴霧流量平均值和細水霧霧滴粒徑平均值如表1所示。

表1 細水霧粒徑數據Table 1 Water mist droplet size data normal pressure

注：K為噴頭流量系數。

3 結果分析

3.1 環境壓力對高壓細水霧噴霧流量的影響

流量系數K[9]：

(1)

式(1)中：Q為細水霧噴嘴流量值，L/min；P為出水口壓力，MPa。

則有：

(2)

由式(2)可以得出流量值與工作壓力線性相關，所用的噴頭的流量系數已知，即為2.5、3.4。對上述噴霧流量平均值進行整理繪圖，見圖2。

圖2 2.5、3.4類型噴頭在不同環境壓力下的流量對比Fig.2 Comparison of flow rate of 2.5,3.4 type nozzleunder different environmental pressure

從圖1中可以看出，低壓環境下的流量值大于常壓環境，呈線性增長趨勢，符合式(2)關系式。細水霧出水口流速由伯努利方程[10]得：

(3)

式(3)中：P靜為流體靜止時表面所受到的壓強，MPa；U為細水霧出水口流速，m/s；K是噴嘴流量系數；ΔP是動壓，即壓差值MPa；ρl是液體密度，kg/m3。

結合式(3)進行計算，環境壓力減小導致作用在水面上的靜壓減小，動壓增大，以至于出水口流速增強，流量值增大。

3.2 環境壓力對高壓細水霧霧滴粒徑的影響

對第2節細水霧粒徑值的數據進行畫圖比較，見圖3。

圖3 2.5、3.4類型噴頭在不同環境壓力下的細水霧粒徑對比Fig.3 Comparison of water mist droplet size of 2.5,3.4type nozzle under different environmental pressures

圖3為不同環境壓力、噴嘴類型以及工作壓力分別對高壓細水霧霧滴粒徑影響的實驗結果。從圖中得出：在2.5類型噴頭下，隨著工作壓力的增大，粒徑變小，這是因為工作壓力的增大導致水從噴嘴噴射的速度增強，使得水滴霧化程度增強，霧滴粒徑減小，此外在環境壓力不同的條件下可以發現康定機場(60 kPa)得出的粒徑數據都大于廣漢平原地區(101 kPa)得出的粒徑數據；在流量系數為3.4類型噴頭下得出的結果與流量系數為2.5類型噴頭的結果完全一致。

則可以發現無論是在流量系數為2.5的噴頭下還是在3.4的噴頭下，廣漢平原(101 kPa)與康定高原(60 kPa)得出的高壓細水霧粒徑值都在隨著出水口壓力值增大而逐漸減小，環境壓力的改變，高壓細水霧的粒徑值也發生了變化，環境壓力小的地區得出的粒徑值大于環境壓力大的地區，得出環境壓力減小時，霧滴粒徑將會變大的結論。

為了驗證上述結論的準確性，在這里引出幾個無量綱參數，即雷諾數(Re)、韋伯數(We)以及氣液密度比(Ra)三個無量綱參數。其中雷諾數是慣性力與黏性力之比、韋伯數是慣性力與表面張力之比，氣液密度比則代表氣動力的影響[11]，方程如下：

(4)

(5)

(6)

式中：d為噴口直徑，mm;ρa和ρl分別是環境氣體的密度和液體的密度，單位分別為g/dm3、kg/m3；σ是液體表面張力，mN/m；υl是液體的黏度，Pa·s。

出水口處的流速計算公式見式(3)。現在討論環境壓力對細水霧霧滴粒徑的變化可由氣液密度比來體現，常壓為101 kPa，低壓環境為60 kPa，兩種環境壓力下的實驗步驟相同，僅改變環境壓力，在這種情況下雷諾數與韋伯數的值變化范圍小，為25 000及74 000左右[12]。

此外文獻[13-15]中對于靜止空氣中的直流噴嘴霧化問題有所研究，并且得出了下面的準則關系式：

(7)

式(7)中：M為氣液密度比，其性質與Ra完全相同。求解對于不同環境壓力下的氣體密度，運用方程：

PV=nRT

(8)

式(8)中：P表示氣體壓強，Pa；V表示氣體體積，m3；n表示物質的量，mol；R是氣體常數，J/(mol·K)；T表示絕對溫度，K。

則此時在標準狀態下的1 m3空氣，在海拔高度2 560 m，環境溫度7 ℃，大氣壓力60 kPa條件下的體積可以求出，列出方程：

(9)

將數值代入式(9)求解得出，環境壓力減小時的氣體體積為1.732 m3，則該環境下的空氣密度約為0.75 kg/m3。

將上述的數據整理后發現，可將式(7)處理成如下關系式：

(10)

式(10)中：D表示水霧霧滴粒徑。式(10)可以表達出空氣密度的改變可以導致粒徑大小的改變，環境壓力的減小，空氣密度減小，則此時會導致粒徑增大，該結論與實驗數據相符。

4 結論

通過實驗分析得出以下結論。

(1)環境壓力的改變影響高壓細水霧噴霧流量，低壓環境導致靜壓減小，促使出水口流速增加，流量增大。

(2)環境壓力的改變影響高壓細水霧霧滴粒徑，低壓環境下的粒徑大于常壓環境下的霧滴粒徑。低壓強條件下，空氣密度小，水流霧化阻力增加，水滴經過噴嘴處時分裂破碎程度減弱，高壓細水霧霧滴粒徑值增大。