低壓環(huán)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(xué)院民航安全工程學(xué)院，廣漢 618300)

細水霧滅火技術(shù)有滅火效率高，無污染、安全環(huán)保等優(yōu)點。相比之下，抑制火災(zāi)中傳統(tǒng)的物理方法和化學(xué)方法都無法達到上述的特點。細水霧滅火技術(shù)正逐漸代替鹵代烷系列滅火劑。

目前，已有研究結(jié)果表明細水霧的霧場特性參數(shù)會影響細水霧滅火效果，其中，霧場特性參數(shù)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(tǒng)前人已經(jīng)開展了大量的研究，其中，陳健等[1]研究了細水霧噴頭內(nèi)部霧化芯結(jié)構(gòu)變化對水滴霧化效果的影響，通過設(shè)計14種不同霧化芯結(jié)構(gòu)的噴頭裝置，結(jié)果得到四流道結(jié)構(gòu)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(zāi)，通過搭建相關(guān)實驗平臺，驗證超細水霧對甲烷爆炸引起的火災(zāi)具有抑制作用；伍毅等[3]從細水霧噴頭的流量系數(shù)方向研究其流量系數(shù)值的改變，對細水霧的霧場特性參數(shù)的影響，結(jié)果得出流量系數(shù)增大，細水霧的霧場特性參數(shù)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(shù)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(guān)技術(shù)測得細水霧霧滴粒徑值的大??；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(shù)的變化規(guī)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(xiàn)象，通過溫度、熱釋放速率及時間的參數(shù)，確定具有最佳滅火效果的粒徑范圍。通過對上述研究發(fā)現(xiàn)，均未涉及到環(huán)境壓力的改變對高壓細水霧霧場特性的影響規(guī)律，一般認為，細水霧滅火技術(shù)是通過隔絕氧氣，降低火焰溫度并進行冷卻以及減弱火災(zāi)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(huán)境壓力下，物質(zhì)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(fā)生改變，或者會有更加顯著的決定因素出現(xiàn)還有待于研究論證。

通過開展相關(guān)的實驗測量，研究了在不同的環(huán)境壓力下高壓細水霧霧滴粒徑的變化規(guī)律并與理論相結(jié)合共同論證實驗結(jié)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(shè)備系統(tǒng)、流量系數(shù)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(shù)值；兩邊放置馬爾文儀設(shè)備，連接計算機得出細水霧霧滴粒徑的變化圖表，規(guī)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(shè)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(huán)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(huán)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(shù)K分別為2.5、3.4)調(diào)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(shù)據(jù)取平均值減小誤差，最后對比分析。

2 數(shù)據(jù)處理

實驗設(shè)置4、6、8、10、12 MPa的工作壓力，兩種類型噴頭，兩種環(huán)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(shù)據(jù)Table 1 Water mist droplet size data normal pressure

注：K為噴頭流量系數(shù)。

3 結(jié)果分析

3.1 環(huán)境壓力對高壓細水霧噴霧流量的影響

流量系數(shù)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(guān)，所用的噴頭的流量系數(shù)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(huán)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(huán)境下的流量值大于常壓環(huán)境，呈線性增長趨勢，符合式(2)關(guān)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(shù)；ΔP是動壓，即壓差值MPa；ρl是液體密度，kg/m3。

結(jié)合式(3)進行計算，環(huán)境壓力減小導(dǎo)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(huán)境壓力對高壓細水霧霧滴粒徑的影響

對第2節(jié)細水霧粒徑值的數(shù)據(jù)進行畫圖比較，見圖3。

圖3 2.5、3.4類型噴頭在不同環(huán)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(huán)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(jié)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(dǎo)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(huán)境壓力不同的條件下可以發(fā)現(xiàn)康定機場(60 kPa)得出的粒徑數(shù)據(jù)都大于廣漢平原地區(qū)(101 kPa)得出的粒徑數(shù)據(jù)；在流量系數(shù)為3.4類型噴頭下得出的結(jié)果與流量系數(shù)為2.5類型噴頭的結(jié)果完全一致。

則可以發(fā)現(xiàn)無論是在流量系數(shù)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(huán)境壓力的改變，高壓細水霧的粒徑值也發(fā)生了變化，環(huán)境壓力小的地區(qū)得出的粒徑值大于環(huán)境壓力大的地區(qū)，得出環(huán)境壓力減小時，霧滴粒徑將會變大的結(jié)論。

為了驗證上述結(jié)論的準確性，在這里引出幾個無量綱參數(shù)，即雷諾數(shù)(Re)、韋伯?dāng)?shù)(We)以及氣液密度比(Ra)三個無量綱參數(shù)。其中雷諾數(shù)是慣性力與黏性力之比、韋伯?dāng)?shù)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(huán)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)?，F(xiàn)在討論環(huán)境壓力對細水霧霧滴粒徑的變化可由氣液密度比來體現(xiàn)，常壓為101 kPa，低壓環(huán)境為60 kPa，兩種環(huán)境壓力下的實驗步驟相同，僅改變環(huán)境壓力，在這種情況下雷諾數(shù)與韋伯?dāng)?shù)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(guān)系式：

(7)

式(7)中：M為氣液密度比，其性質(zhì)與Ra完全相同。求解對于不同環(huán)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(zhì)的量，mol；R是氣體常數(shù)，J/(mol·K)；T表示絕對溫度，K。

則此時在標準狀態(tài)下的1 m3空氣，在海拔高度2 560 m，環(huán)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(shù)值代入式(9)求解得出，環(huán)境壓力減小時的氣體體積為1.732 m3，則該環(huán)境下的空氣密度約為0.75 kg/m3。

將上述的數(shù)據(jù)整理后發(fā)現(xiàn)，可將式(7)處理成如下關(guān)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(dǎo)致粒徑大小的改變，環(huán)境壓力的減小，空氣密度減小，則此時會導(dǎo)致粒徑增大，該結(jié)論與實驗數(shù)據(jù)相符。

4 結(jié)論

通過實驗分析得出以下結(jié)論。

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

(2)環(huán)境壓力的改變影響高壓細水霧霧滴粒徑，低壓環(huán)境下的粒徑大于常壓環(huán)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(jīng)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。