典型泡沫滅火劑的油面蔓延性能

李強(qiáng)，杜明輝，李玉，李金梅,3

(1.中國人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院，河北 廊坊 065000；2.公安消防部隊(duì)高等?？茖W(xué)校,昆明 650000；3.北京科技大學(xué)，北京 100083)

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典型泡沫滅火劑的油面蔓延性能

李強(qiáng)1，杜明輝2，李玉1，李金梅1,3

(1.中國人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院，河北 廊坊 065000；2.公安消防部隊(duì)高等?？茖W(xué)校,昆明 650000；3.北京科技大學(xué)，北京 100083)

結(jié)合冷態(tài)緩釋放條件下泡沫蔓延計(jì)算模型，提出基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的泡沫滅火劑蔓延性能綜合參數(shù)F獲取方法，通過分析F值變化，綜合評(píng)價(jià)條件變量對(duì)泡沫滅火劑在油面蔓延性能的影響規(guī)律。由緩釋放泡沫蔓延實(shí)驗(yàn)分析典型泡沫滅火劑在常溫、高溫未燃燒和高溫燃燒油面的蔓延特性。結(jié)果表明,在油品未燃燒條件下，F(xiàn)值隨著初始油溫的升高和泡沫蔓延過程的增長而變大；在油品燃燒條件下，隨著預(yù)燃時(shí)間的增長，F(xiàn)值增大。F值隨著泡沫供給流量的增加而減小，因?yàn)樵龃蟮捏w積力抵消了蔓延過程中泡沫與油面間的剪切力作用。

泡沫滅火劑；油品火災(zāi)；蔓延性能

滅火時(shí)間是驗(yàn)證滅火系統(tǒng)滅火效能的衡量指標(biāo)，也是決定消防損害管制成敗的重要評(píng)判指標(biāo)[1-2]。泡沫是撲救油品火災(zāi)中最常使用的滅火劑類型[3]。泡沫在燃燒油面蔓延速度快、覆蓋面積廣、抗燒能力強(qiáng)，則滅火時(shí)間越短、滅火效率越高[4-5]，因此，在研究中通常采用泡沫蔓延性能來估算滅火時(shí)間[6]。在泡沫鋪展過程中，泡沫自身會(huì)出現(xiàn)析液現(xiàn)象，造成滅火劑的損耗。此外，油品燃燒產(chǎn)生的高溫、輻射會(huì)對(duì)泡沫的穩(wěn)定性造成破壞、增加泡沫的蒸發(fā)速率[7]，消耗大量滅火劑。典型泡沫滅火劑在油品表面的蔓延性能，是確定油品火災(zāi)泡沫滅火臨界參數(shù)評(píng)判指標(biāo)，為構(gòu)建泡沫滅火輔助決策系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在冷態(tài)緩釋放條件下，通過泡沫在矩形油槽內(nèi)的蔓延模型來分析泡沫的鋪展距離與時(shí)間等其他因素的聯(lián)系，對(duì)油品火災(zāi)防治具有重要意義。因此，從冷態(tài)緩釋放條件下泡沫蔓延計(jì)算模型出發(fā)，提出基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的泡沫滅火劑蔓延性能綜合參數(shù)F獲取方法。F與泡沫滅火劑密度、發(fā)泡倍數(shù)、在蔓延方向與油品間的剪切力相關(guān)。通過分析F值變化，綜合評(píng)價(jià)環(huán)境因素對(duì)泡沫滅火劑在油面蔓延性能的影響規(guī)律。

1 泡沫蔓延計(jì)算模型

1.1 基本假設(shè)

泡沫在鋪展過程中伴隨著沉降，所以泡沫的鋪展過程是一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過程，在一定條件下，沉降對(duì)泡沫流量的影響忽略不計(jì)。泡沫在鋪展過程中，粘滯阻力、靜態(tài)壓力和粘性阻力是泡沫上的主要作用力。對(duì)泡沫鋪展進(jìn)行以下假設(shè)[9]。

1)緩釋放條件下泡沫鋪展過程為準(zhǔn)靜態(tài)過程，忽略泡沫層表面作用力。

2)慣性力忽略不計(jì)。

3)由于泡沫是非牛頓流體，其內(nèi)部剪應(yīng)力相對(duì)于燃油層內(nèi)的剪應(yīng)力可以忽略不計(jì)。

4)假設(shè)燃油層整體水平，忽略油層斜率的影響。

5)忽略蒸發(fā)損失率和沉降率，泡沫的發(fā)泡倍數(shù)s恒定，密度ρ也是常數(shù)。

1.2 模型建立

使用自由表面流描述泡沫滅火劑的鋪展過程，從靜水動(dòng)力學(xué)原理角度分析，泡沫的平均高度是密度、靜壓力和速度的函數(shù)，泡沫層的高度也可以表示泡沫在油面鋪展的基本控制方程。建立連續(xù)方程和動(dòng)量守恒方程，可得到泡沫鋪展距離偏微分方程。通過求解偏微分方程，最終可以得到泡沫滅火劑的蔓延距離[9]。

(1)

當(dāng)實(shí)驗(yàn)條件確定、F為定值時(shí)，蔓延距離R是時(shí)間t的函數(shù)。設(shè)：

(2)

可通過將每組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合成R=at2/3的形式獲得系數(shù)a值。如圖1所示，以50 ℃情況下的AR為例，a=1.975。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 緩釋放泡沫蔓延實(shí)驗(yàn)臺(tái)

泡沫蔓延流道見圖2，泡沫流道由0.5 cm厚不銹鋼鋼板訂制而成，長2.70 m、寬0.25 m、高0.15 m。在流道首段的頂端焊有泡沫槍架，上面架有泡沫槍。管槍噴射滅火裝置采用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，初始?jí)毫χ禐?.8 MPa。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)布置見圖3，流道末端通過注油孔與恒溫穩(wěn)液面補(bǔ)油裝置相連。恒溫穩(wěn)液面補(bǔ)油裝置可使泡沫流道內(nèi)的油面高度基本穩(wěn)定不變。當(dāng)需要高溫燃油補(bǔ)充時(shí)，亦可以通過溫控溫裝置提供所需溫度的燃油。

2.2 泡沫滅火劑與油品選用

考慮到不同類型泡沫滅火劑之間的發(fā)泡倍數(shù)、表面活性及穩(wěn)定性存在較大差異，因此，泡沫滅火劑選用滅火系統(tǒng)中經(jīng)常采用的抗溶泡沫滅火劑(alcohol-type foam，AR)、水成膜泡沫滅火劑(aqueous film-forming foam，AFFF)和氟蛋白泡沫滅火劑(fluoro-protein foam，F(xiàn)P)。

實(shí)驗(yàn)油品選用0#柴油。作為輕柴油，其沸點(diǎn)范圍約180～370 ℃。

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

考慮不同類型泡沫滅火劑在常溫、高溫未燃燒和高溫燃燒油品表面的蔓延性能，且對(duì)不同泡沫供給強(qiáng)度條件下泡沫滅火劑在預(yù)先燃燒5 min后油品的蔓延性能進(jìn)行分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 常溫油品

在泡沫供給流量為0.000 15 m3/s時(shí)，AR，AFFF和FP在初始油溫為20℃的0#柴油的蔓延情況如圖4所示。由圖4可見，AR的蔓延速度最快，其次是AFFF，最后是FP。

圖5為不同泡沫滅火劑的F值，相應(yīng)的FP的F值最大，AR的F值最小，AFFF的F值稍大于AR。氟碳表面活性劑、碳?xì)浔砻婊钚詣┑募尤耄笰R和AFFF在蔓延過程中所受阻力較低，F(xiàn)值小，但由于2種泡沫中碳?xì)浔砻婊钚詣┑姆N類不同和穩(wěn)定劑的不同，因此造成2種泡沫蔓延情況存在差異。

3.2 高溫未燃燒油品

圖6為AR、AFFF和FP在泡沫供給流量為0.000 15 m3/s時(shí)，在不同油溫0#柴油油面上蔓延的F值得變化規(guī)律。

燃油溫度升高時(shí)，溶液表面張力一般會(huì)下降，蔓延系數(shù)變小，泡沫蔓延過程中的阻力變大。溫度的升高還伴隨著溶液膨脹，分子間距增大，分子間作用力減弱；且活性劑分子排列不緊密，則溶液粘度降低，泡沫穩(wěn)定性下降[10]。

由圖6可見，隨著溫度的升高，F(xiàn)值逐漸變大。但對(duì)于不同泡沫滅火劑，F(xiàn)值增長程度存在差異。FP的F值整體水平較高，且受溫度影響最為明顯；AR的F值的整體水平較低，卻不隨溫度升高發(fā)生明顯增加。

3.3 高溫燃燒油品

實(shí)驗(yàn)裝置為泡沫蔓延試驗(yàn)臺(tái)，AR的泡沫供給流量為0.000 15 m3/s。實(shí)驗(yàn)前，點(diǎn)燃泡沫蔓延實(shí)驗(yàn)流道內(nèi)的燃油，分別在2、5、7、9及13 min后向泡沫流道內(nèi)供給泡沫。

不同預(yù)燃時(shí)間下，F(xiàn)隨著預(yù)燃時(shí)間的增長的變化情況見圖7。由圖7可見，預(yù)燃時(shí)間越長，F(xiàn)值越大，表明蔓延過程中，泡沫所受阻力越大。

與圖6相比，F(xiàn)增大的幅度要比無火條件下大，說明火焰的熱輻射作用加劇了泡沫的不穩(wěn)定性。

3.4 泡沫滅火劑供給強(qiáng)度影響

AFFF在不同泡沫供給流量情況下F的變化規(guī)律見圖8。可以看出，F(xiàn)值隨泡沫供給流量的增大而減小。這說明，隨著泡沫供給流量的增大，增大的體積力抵消了蔓延過程中的泡沫與油面間的剪切力作用。

4 結(jié)論

泡沫滅火劑蔓延性能綜合參數(shù)F值越小，該類泡沫在油面蔓延性能越優(yōu)良，單位時(shí)間內(nèi)蔓延距離越長。在無火條件下，隨著初始油溫的升高，泡沫蔓延過程中的F值變大，且F值增加速率逐漸增大。在油品燃燒條件下，隨著預(yù)燃時(shí)間的增長，泡沫蔓延過程中的F值增大。

隨著泡沫供給流量的增加，F(xiàn)值減小，因?yàn)樵龃蟮捏w積力抵消了蔓延過程中泡沫與油面間的剪切力作用。

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Study on the Spreading Property of Typical Foam Extinguishing Agents on Oil Surface

LI Qiang1, DU Ming-hui2, LI Yu2, LI Jin-mei1,3

(1.Chinese People's Armed Police Academy, Langfang Hebei 065000, China; 2. Public Security and Fire Fighting Forces Academy,Kunming 650000, China;3 Beijing University of Science and Technology, Beijing 100083, China)

According to the calculation model of foam slow spreading on cold liquid surface condition, the method to obtain the foam spreading property comprehensive index F from the experimental results was put forward. By analyzing the index F, the effects of condition variables on foam extinguishing agents spreading on oil surface can be evaluated extensively. The spreading properties of typical foam extinguishing agents on the room temperature oil, high temperature oil and burning preheated oil were analyzed. The results showed that the F-value increased as initial oil temperature increased and foam spreading process extended in the condition of unburned oil surface. But in the burning oil condition, the F-value increased as well as the burning time increased. On the other hand, the F-value decreased as foam supply flow increased due to the increasing body force offset the shear force between the foam and oil surface in spreading process.

fire foam; oil fire; spreading property

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.012

2017-03-09

公安部應(yīng)用創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(2014YYCXWJ XY058)；武警學(xué)院國家自然基金培育課題(ZKJJPY201609)

李強(qiáng)(1979—)，男，博士，副教授

研究方向：消防工程技術(shù)

U664.88；X932；TP394.1

A

1671-7953(2017)03-0053-04

修回日期：2017-03-27