細(xì)水霧滅火效果影響因素的數(shù)值模擬研究

文/高建豐 徐文祥 袁健威

細(xì)水霧滅火效果影響因素的數(shù)值模擬研究

文/高建豐 徐文祥 袁健威

影響細(xì)水霧滅火效果的因素很多，本文著重研究壓力和細(xì)水霧噴頭相對(duì)于池火距離大小對(duì)滅火過(guò)程產(chǎn)生的影響；壓力決定水霧動(dòng)量，而噴頭位置決定了水霧噴灑的范圍，為了取得最佳滅火效果，兩者要綜合考慮，找出合適的壓力和位置點(diǎn)。本文運(yùn)用FDS仿真模擬了細(xì)水霧滅火全過(guò)程，得出壓力為8MPa時(shí)和噴頭距離池火2．0m處滅火效果最好。

細(xì)水霧；滅火效果；影響因素；壓強(qiáng)；噴頭位置；數(shù)值模擬

火災(zāi)事故往往對(duì)人們生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失，因此研究火災(zāi)消防安全技術(shù)具有重要意義。隨著火災(zāi)科學(xué)的不斷發(fā)展，滅火的方式也在不斷地改進(jìn)，細(xì)水霧滅火技術(shù)由于經(jīng)濟(jì)實(shí)用近年來(lái)發(fā)展較快[1]。細(xì)水霧的滅火原理：（1）水滴蒸發(fā)成水蒸氣，吸收了大量熱量。（2）隔絕了空氣，細(xì)水霧遇熱大量蒸發(fā)為水蒸氣，使得氣體體積擴(kuò)大很多倍，趕走了空氣，并阻止新的空氣進(jìn)入，沒有了助燃劑，燃燒也就無(wú)法進(jìn)行下去了。（3）隔絕熱輻射，水蒸氣將整個(gè)火焰堆包籠住，使得火焰的輻射無(wú)法向外圍擴(kuò)散[2～5]。根據(jù)細(xì)水霧滅火技術(shù)的這些特點(diǎn)，已經(jīng)運(yùn)用到許多場(chǎng)合，比如圖書館、博物館等一些不能用尋常滅火手段來(lái)解決火災(zāi)的場(chǎng)所，特別象油輪著火，油罐著火等，不能用消防水槍撲滅，但適用細(xì)水霧撲滅火災(zāi)[2]。

人們做過(guò)許多類似細(xì)水霧的實(shí)驗(yàn)，包括抑制甲醇、酒精、煤油等一些化學(xué)品池火燃燒實(shí)驗(yàn)。由于火災(zāi)實(shí)驗(yàn)安全要求相對(duì)較高，一些實(shí)驗(yàn)設(shè)備也很昂貴，對(duì)開展火災(zāi)實(shí)驗(yàn)帶來(lái)一定的困難[2]。

針對(duì)以上問題，我們可以用計(jì)算機(jī)仿真軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，設(shè)定燃燒的大環(huán)境，生成燃料燃燒反應(yīng)的池火堆，接著生成熱電偶和溫度切片平面，最后在合適位置模擬出細(xì)水霧噴頭，通過(guò)輸出不同壓力來(lái)研究池火燃燒情況和其溫度的變化，通過(guò)觀察模擬實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)得出結(jié)論。

一、模型的建立

本文用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院研發(fā)的PyroSim進(jìn)行細(xì)水霧噴頭滅火效果的仿真模擬。PyroSim消防模擬軟件包括模型建立、運(yùn)行求解和分析處理三個(gè)基本過(guò)程。軟件以計(jì)算流體力學(xué)為依據(jù)，可以模擬預(yù)測(cè)火災(zāi)中的煙氣、溫度以及濃度的變化情況[2～6]。本模擬采用的模型有大渦湍流模型、混合物分?jǐn)?shù)模型、歐拉-拉格朗日模型。模擬中設(shè)定總的模擬時(shí)間為100秒，在20秒的時(shí)候釋放細(xì)水霧，燃燒器在模擬中是一直開啟的。

1.1 .模擬火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)置

本次模擬的場(chǎng)景設(shè)定是長(zhǎng)4m、寬3m、高3m的開頂空間，頂部連接外部使得空氣流通，燃燒能夠持續(xù)，如圖1所示?？紤]到網(wǎng)格的形狀，這邊最合適模擬方形的油池火，尺寸為0.5×0.5×0.1，場(chǎng)景四周是系統(tǒng)默認(rèn)的混凝土結(jié)構(gòu)，在油池火正上方1.5m處安置一個(gè)熱電偶，在X～Z平面與油池火中心垂直面的相交面上設(shè)置一個(gè)溫度切片平面，觀察溫度的變化。最后細(xì)水霧噴頭位置設(shè)置在池火正上方的位置。如圖1所示

圖1 模擬火災(zāi)場(chǎng)景圖

網(wǎng)格劃分的越精細(xì)，計(jì)算的誤差也越小。所以我們?cè)谶x擇網(wǎng)格的時(shí)候需要仔細(xì)選擇，通過(guò)計(jì)算得到適合實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)格?；鹪锤浇木W(wǎng)格尺寸由特征直徑D*/δx決定，其中：

D*為火源直徑參數(shù)，由式1確定[3～7]：

式中Q表示熱釋放速率，w；ρ0表示環(huán)境空氣密度，kg/m3；C0表示空氣比熱容；J/kg.℃；T0為環(huán)境溫度；K為流量系數(shù)；g為重力加速度，m/s2。δx最小網(wǎng)格尺寸，為最小網(wǎng)格尺寸，當(dāng)網(wǎng)格尺度小于0.1D*時(shí)，F(xiàn)DS模擬的火災(zāi)煙氣溫度與流動(dòng)將符合Baum和MaCaffey實(shí)驗(yàn)的曲線擬合方程。依據(jù)上述理論，δx=0.1D*為最小網(wǎng)絡(luò)尺寸，油池火的水平面積為0.25m2。實(shí)驗(yàn)用做燃燒的燃料是汽油，通過(guò)資料查詢，汽油的平均燃燒速率為0.055kg/（m2·s），熱釋放速率Q為250kw[3]。

表1 噴頭參數(shù)設(shè)置

二、壓力與位置不同的模擬

2.1 不同壓力下細(xì)水霧對(duì)同一個(gè)池火滅火效果的分析。

分別模擬了在0.1MPa、0.7MPa、3MPa、8MPa、10MPa壓力下噴出的細(xì)水霧對(duì)同一個(gè)油池火滅火影響的比較。

圖2 軟件模擬細(xì)水霧滅火的全過(guò)程

從圖3可以看出池火的溫度由原先設(shè)定的環(huán)境溫度20℃迅速上升到140℃，我們可以看到20s到25s之間，池火的溫度沒有發(fā)生很大的變化，略有上升的趨勢(shì)，這可能因?yàn)槟M軟件選用的是混合氣體模型，可燃性的氣體與O2發(fā)生迅速的氧化反應(yīng)，從而釋放大量的熱量，導(dǎo)致溫度曲線持高不下，這在實(shí)驗(yàn)中也是存在的，被叫做“火焰強(qiáng)化現(xiàn)象”[3]。

圖3 池火溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律

從圖3可以清楚地看到25s到40s之間，溫度曲線驟然下降，從圖中可以看出細(xì)水霧的滅火出現(xiàn)了效果。因?yàn)槟M實(shí)驗(yàn)中池火是一直開啟著的，所以曲線到最后不會(huì)到達(dá)環(huán)境溫度，但我們可以看到曲線到最后開始平穩(wěn)，到達(dá)恒定的值。相對(duì)于壓力較小的0.7MPa，我們可以從圖3中觀察到它從溫度上升到下降到環(huán)境溫度顯然比之前3MPa所用的時(shí)間要長(zhǎng)，下降曲線的斜率要小。圖3中0.1MPa的溫度曲線與之前的兩條有著明顯的不同，我們從圖中可以看出曲線上升到燃燒值并沒有下降，細(xì)水霧沒有達(dá)到理想的滅火效果，因?yàn)檩敵鰤毫π?dǎo)致噴出的水霧霧動(dòng)量不夠，不足以穿透火羽表面，也就無(wú)法進(jìn)入火焰內(nèi)部，從而無(wú)法達(dá)到滅火的效果。從8MPa曲線與10MPa曲線我們可以看出并不是施加的壓力越大，滅火效果就越好，這是因?yàn)樗蝿?dòng)量大了，噴頭所釋放的水霧霧通量會(huì)減小，所覆蓋的滅火面積會(huì)相應(yīng)減小，滅火性能也會(huì)受到影響。

通過(guò)上面的對(duì)比，我們需要合適地選用壓力，才能達(dá)到我們所要的滅火效果。通過(guò)以上的分析，我們可以看到雖然3Mpa和0.7Mpa對(duì)池火的滅火有一定的效果，但壓力為8.0Mpa時(shí)滅火效果更明顯，0s至25s之間為火焰的上升階段，25s之后火焰被抑制，而20s時(shí)細(xì)水霧開啟，我們可以看出有一段時(shí)間火焰在增長(zhǎng)，所以我們把滅火的過(guò)程分為四個(gè)過(guò)程：火焰初步增長(zhǎng)過(guò)程、火焰初步抑制過(guò)程、火焰再增長(zhǎng)過(guò)程、火焰再抑制過(guò)程[2]。主要過(guò)程是在再抑制過(guò)程，我們需要縮短火焰再增長(zhǎng)時(shí)間，這樣才能更好地達(dá)到滅火的效果，及時(shí)挽回相應(yīng)的損失。

2.2 對(duì)于細(xì)水霧噴頭距離油池火的位置對(duì)滅火效果的影響。

基于先前有許多實(shí)驗(yàn)關(guān)于細(xì)水霧噴頭橫向位置不同對(duì)細(xì)水霧滅火的影響，實(shí)驗(yàn)表明，噴頭位于池火的正上方對(duì)細(xì)水霧滅火的效果最好[4～6]。池火正上方時(shí)，縱向距離大小對(duì)細(xì)水霧滅火有影響，考慮到霧滴脫離噴頭時(shí)進(jìn)行自由落體運(yùn)動(dòng)，縱向速度不斷增大，導(dǎo)致霧滴的霧動(dòng)量會(huì)不斷增大，而且在不同的位置下，噴頭噴出的水霧對(duì)池火堆的覆蓋也不同，VX在水滴運(yùn)動(dòng)期間不斷減小，而VY不斷增大，所以水滴運(yùn)動(dòng)曲線類似于平拋運(yùn)動(dòng)，VX的大小影響著霧滴的霧化錐角，對(duì)細(xì)水霧滅火效果的影響十分巨大。在一定程度上VX決定了水霧噴過(guò)的橫向距離，如果忽略空氣阻力的話，霧化錐角θ與VX在數(shù)學(xué)上有著一定的關(guān)系：

其中一為重力加速度，h是水滴距離油池火的垂直距離，δ是水滴距離油池火的水平距離，θ為水滴速度夾角。如圖四所示，VX的大小直接決定了δ的大小，而實(shí)驗(yàn)所給的壓力也決定了VX，又因?yàn)槲覀兗纫紤]VX·t≥δ，根據(jù)熱電偶記錄的溫度曲線圖，噴頭給予的壓力為8.0MPa。從圖中我們觀察到20s～25s的時(shí)候，細(xì)水霧開始發(fā)揮其滅火效果，有3條線是重合的，1.0m、1.5m和2.0m處細(xì)水霧滅火效果一樣。2.5m與3.0m曲線斜率較小，滅火效果沒有前面的好。25s～30s時(shí)，1.0m與2.0m曲線趨于平穩(wěn)，溫度不再下降。至40s的時(shí)候，5條曲線溫度都達(dá)到最小值，2.0m、2.5m和3.0m都差不多達(dá)到了所設(shè)的環(huán)境值20℃。從40s到100s之間看，2.0m處噴發(fā)的細(xì)水霧有更好的滅火效果，因?yàn)槠淝€走向更加平穩(wěn)，而且較3.0m和2.5m，2.0m曲線斜率也比其它2條要大，滅火時(shí)間要短，這對(duì)火災(zāi)上的應(yīng)用十分關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)上面的對(duì)比，得出噴頭位于2.0m處的滅火性能效果最好。也要確保V盡量大點(diǎn)，所以要找到一個(gè)合適點(diǎn)十分重要。

圖5是噴頭分別距離池火堆1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m噴出細(xì)水霧。

圖4 細(xì)水霧噴頭距離油池火的位置示意圖

圖5 溫度曲線圖

三、結(jié)論

（1）通過(guò)數(shù)值模擬仿真，研究了壓力和噴頭位置不同對(duì)細(xì)水霧滅火性能的影響，數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景較相近，為實(shí)驗(yàn)提供了理論指導(dǎo)。

（2）實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果壓力為8MPa和噴頭距離池火2.0m處滅火效果最好。

（3）對(duì)細(xì)水霧動(dòng)量和霧化錐角的問題作出詳細(xì)的解釋，還有待做進(jìn)一步的研究。

[1]劉俊奎．高壓細(xì)水霧滅火參數(shù)優(yōu)化的數(shù)值模擬研究[D]．安徽理工大學(xué)，2016．

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浙江省科技廳公益基金項(xiàng)目“大型石油儲(chǔ)罐群智能滅火系統(tǒng)研究”（2015C31014）

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浙江海洋大學(xué)石化與能源工程學(xué)院/臨港石油天然氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室）