高压细水雾与水喷淋的灭火机理数值模拟*

汪 军

高压细水雾与水喷淋的灭火机理数值模拟*

汪 军1，2

1.安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室2.安徽理工大学能源与安全学院

为了对比分析高压细水雾与水喷淋的灭火机理及效果，采用FDS软件模拟了在无细水雾、水喷淋和高压细水雾三种条件下的灭火情况。通过建立了FDS模型，设置相同的固定火源功率1MW和固定流量10L/min，对三种灭火条件在冷却作用、除烟作用和窒息作用三方面进行了对比分析。结果表明，普通水喷淋灭火主要表现在对火源的冷却作用，而高压细水雾在这三方面的作用都较为明显，因此高压细水雾的灭火效果要优于水喷淋。

高压细水雾；水喷淋；FDS；灭火

当今，传统灭火器的使用对大气环境的破坏程度日趋严重，尤其是对臭氧层不可逆的破坏，已经对人们的正常生活产生了巨大的负面影响，进而引起了众多研究人员对其的关注，同时随着城市公共场所的火灾预防控制标准更为严格，人们迫切地寻找更为新型环保的防灭火系统及设备将其替代。细水雾灭火技术相比卤代烷系列的特点有环保低碳、耗水量低、破坏性小、适用范围广，具有降温、隔氧、除烟的作用，在喷水灭火系统的研究中备受重视，可以部分地替代卤代烷灭火系统，在国内外受到更多的研究和关注[1-3]。

高压细水雾是细水雾为Dv0.1=100um与 Dv0.9=200um连线的左侧部分，与其他细水雾相比，高压细水雾的粒径更小，更多地应用在特殊火灾，如电气火灾，与火焰相互作用后蒸发速率更快，灭火后火场残留水量更小，单位体积吸收热辐射能力更高[4-5]。本文拟通过数值模拟来研究高压细水雾和水喷淋的灭火机理及其效果。

1 建立模型

FDS是一款火灾模拟软件，可以模拟温度场、速度场以及烟气的流动情况等，广泛应用于火灾安全领域[6]。本文即采用FDS软件模拟高压细水雾和水喷淋的灭火。

本文模拟的是一个长5m、宽3m、高3m的房间。细水雾喷头设置在屋顶(喷头压力在10MPa)，喷头流量为10L/min[7]。在房间的正中心放置一个油盆，火源功率为1MW。分别在火源上方1.0m、2.0m处放置一个探头，测量温度和烟气（烟炭颗粒）的体积分数。在火源右侧0.5m处放置一个探头，测量氧气的体积分数，如图1。

图1 几何模型

2 高压细水雾灭火机理的研究

通过对无细水雾，普通喷淋和超细水雾三种不同情况下的数值模拟，来了解高压细水雾的灭火机理。本文中喷头流量均为10L/min,普通喷淋水颗粒直接为800um，超细水雾的水颗粒设置为150um[8]。

2.1 冷却作用

采用图1所示的模型，分别模拟了在无细水雾，普通喷淋以及超细水雾下房间的火灾状况，在火源上方1m处测的三种情形的温度变化曲线，如图2。从图中可以看出无细水雾时距火源1m处的温度变化不大；在普通喷淋情况时，在7秒左右时，温度才开始逐渐下降；而在高压细水雾条件下，在2秒左右时温度就在下降，而且很快降至室温。由热工学原理可知，单位体积水的吸热能力与水微粒总表面积的大小成正比。单位体积的水雾化以后，可使总表面积增大数百倍、数千倍。高压细水雾极大地增加了单位体积水微粒的表面积；而表面积的增大更容易吸收火场的热量，进而冷却了燃烧反应[9]。故在对火灾的冷却作用上，高压细水雾明显优于普通喷淋。

2.2 除烟作用

采用图1所示的模型，分别模拟了在无细水雾，普通喷淋以及超细水雾下房间的火灾状况，得到在火源上方2m处的烟炭颗粒的体积分数，如图3。通过观察，在无细水雾的情况下，烟炭微粒的体积分数一直维持在0.01%左右，基本保持不变；在使用普通喷淋的情况时，在9s时，烟炭的体积分数开始下降，但不是很稳定；在高压细水雾的情况下，在2.5s左右时，烟炭体积分数就开始下降，而且保持一个稳定的趋势。这是由于高压细水雾的水微粒直径小，相同流量下水微粒更多，能更好的吸附火场的烟炭微粒。

2.3 窒息作用

图2 火源上方1m处温度变化曲线

图3 火源上方2m处烟炭微粒体积分数变化曲线

采用图1所示模型，模拟得到火源右侧0.5m处氧气体积分数的变化曲线，观察发现当无细水雾时，氧气体积分数成一直线，没有发生变化；当用普通喷淋时，氧气体积分数发生了微弱的变化，基本上保持在一定的数值，而相对于普通喷淋，在高压细水雾下，氧气的体积分数下降较为明显。对比普通水喷淋的水滴，高压细水雾颗粒的“比表面积”大、而体积小；另一方面其空间分布密集均匀，不但重量轻，而且空间浮动时间长[10]。因而吸收热量时快速且高效，并快速进行汽化反应，其体积膨胀高达1700~5800倍，形成了笼罩在火焰的上方，这种汽幕的汽化速度与火焰大小成正比，火焰越大汽化越充分并且“比效汽幕”越大；降低了着火点附近的氧气浓度，进而破坏了燃烧反应，燃烧由于缺氧而终止。

图4 火源右侧0.5m处氧气体积分数变化曲线

3 结论

通过FDS模拟，了解到在无细水雾，普通喷淋以及高压细水雾三种情况灭火机理研究。我们可以看出普通喷淋在火灭机理起主要作用的是它的冷却作用，而其他在吸附烟气和窒息作用上表现不明显，而高压细水雾在上述三方面都效果较好，相比于普通喷淋，高压细水雾的灭火效果更好。所以高压细水雾的研究在灭火技术中占有重要地位，对高压细水雾技术的研究也在增多，使得高压细水雾的灭火技术在更多领域得到了运用。

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安徽省自然科学基金项目（1308085QE91）