受限空间脉冲细水雾系统关键参数试验与数值模拟研究

李晓康 ，徐志胜

(1.中南大学 防灾科学与安全技术研究所，湖南 长沙 410075；2. 中国人民武装警察部队学院 消防工程系，河北 廊坊 065000)

数字出版日期： 2017-04-24

0　引言

脉冲细水雾是喷水与暂停循环交替进行灭火的细水雾系统，脉冲喷射对室内气体具有更强的扰动作用，能够增强水雾与烟羽流的混合，使雾滴蒸发更加充分，有利于稀释可燃气体和氧气，提高灭火效率[1]。

脉冲细水雾最初用于燃气轮机机舱火灾，目的是避免设备破裂和变形[2]。1999年，Liu等[3]在长9.7 m，宽4.9 m，高2.9 m的房间内进行了脉冲细水雾灭火试验。房间中部放置柴油发动机模型，并在其他多个位置放置了不同尺寸的火源，分别采用连续和脉冲细水雾进行灭火，脉冲周期为50 s开启30 s暂停和30 s开启20 s暂停。结果表明，脉冲细水雾灭火效果较好，能够减少灭火时间和用水量，某些连续细水雾无法灭火的场景可由脉冲细水雾实现灭火。灭火效果的提升是由于大量的稀释和置换氧气，以及脉冲细水雾的扰动作用。

2006年，Kapoor等[4]在1m3的试验箱内进行了脉冲细水雾熄灭油盘火的试验研究。试验箱顶部设有排烟口和2个超细水雾喷头，油盘位于墙角，避免与水雾直接作用。改变火源功率和预燃时间，对连续和脉冲细水雾的灭火效果进行了对比。研究表明，脉冲细水雾灭火效果优于连续细水雾，且在通风条件下同样能高效灭火。合理设置脉冲周期对灭火效果有重要影响，每个脉冲周期内暂停时间应大于最大雾滴的生存时间，使雾滴最大限度蒸发。

脉冲周期是影响脉冲细水雾灭火效果的关键参数。从上述研究来看，脉冲细水雾的研究尚处于探索阶段，虽然验证了脉冲细水雾在一定条件下灭火的优越性，但主导灭火机理和脉冲周期优化设置等关键问题尚不明确，且研究结果都是用于特殊空间火灾，对于脉冲细水雾灭室内火缺乏相关研究，影响了脉冲细水雾技术的推广和应用。

针对上述问题，采用NIST开发的场模拟火灾软件FDS(Fire Dynamic Simulator)对受限空间内不同脉冲周期的细水雾熄灭油盘火进行数值模拟，研究脉冲周期设置等关键参数；根据模拟结果设置脉冲细水雾系统，对不同火灾场景下细水雾的灭火效果进行数值模拟和实验验证。研究结果为系统设计提供了依据，对提高灭火效率，拓展细水雾灭火理论，推广脉冲细水雾技术具有重要意义。

1　脉冲细水雾系统关键参数研究

FDS是计算流体力学程序，可以模拟火灾条件下热量和燃烧产物的传输、材料的热解和燃烧过程、水喷淋和细水雾对火灾的抑制效果等[5]，且模拟结果与实验结果吻合较好[6]。采用FDS对不同脉冲周期细水雾灭受限空间油盘火进行数值模拟，分析得到细水雾系统参数的优化设计。

1.1　火灾场景和细水雾参数设置

计算区域为1.5 m×1.5 m×1.5 m的受限空间，网格划分为75 mm×75 mm×75 mm，环境温度为20℃。空间不设开口，用以模拟封闭的舱室或门窗关闭的房间。火源位于地板中间位置，采用边长250 mm、高60 mm的方形柴油油盘来研究不同周期脉冲细水雾及连续水雾的灭火效果。模拟过程中，湍流模型采用大涡模拟[7](Large Eddy Simulation，LES)，燃烧模型选择混合分数模型[8]。

1.1.1灭火条件

细水雾灭火是通过降温冷却和降低氧气浓度实现的。对于细水雾冷却灭火，FDS采用简化的火灾抑制模型来计算热释放速率的变化。水雾对燃料和周围环境具有冷却作用，影响了可燃物的热解速率。基于Hamins和McGrattan的试验结果[9]，燃料的质量燃烧速率可表示为：

(1)

除冷却灭火外，当氧气浓度小于极限氧气浓度时，便会窒息灭火。可以通过设置绝热火焰温度(critical adiabatic flame temperature，CFT)来计算灭火时的极限氧气浓度：

(2)

基于上述分析，对于细水雾冷却灭火，将柴油的闪点56℃设置为灭火的临界温度，当柴油温度低于56℃时火焰熄灭；对于细水雾窒息灭火，取TCFT为1 600 K，此温度为碳氢化合物扩散燃烧的绝热火焰温度，柴油消耗单位质量氧气产生的能量为13 100 kJ/kg，由式(2)计算得极限氧气浓度值为0.12，即氧气质量浓度达到12%时，火焰熄灭。

1.1.2脉冲细水雾设置

火源正上方距地面1.4 m处设置1个单喷嘴细水雾喷头，可竖直向下喷射连续或脉冲细水雾。细水雾系统参数见表1。细水雾系统的流量mw可通过式(3)计算：

(3)

式中：p为系统的工作压力；K为喷头流量系数。

根据流量和孔口面积，便可得到雾滴的初始速度。脉冲周期的设置是脉冲细水雾系统的关键，对灭火效果有重要影响。为了确定合理的周期设置，开启和暂停时间都分别取2 s，4 s，6 s，8 s和10 s，对25组不同脉冲周期的细水雾以及连续细水雾熄灭油盘火进行数值模拟。

表1　细水雾系统参数

1.2　结果分析

油盘预燃30 s后开启细水雾系统，并测量油面温度以及空间内氧气浓度、二氧化碳浓度、水蒸气浓度和温度场分布。总计算时间为240 s。

1.2.1灭火时间分析

通过分析不同工况下的灭火时间，可为脉冲细水雾的优化设计提供参考。灭火时间为开启细水雾系统至火焰熄灭所经历的时间，不同脉冲周期细水雾及连续水雾的灭火时间见表2。根据表中数据可得到如下规律：

1)喷头开启时间固定，随着暂停时间的增加，细水雾灭火时间呈先减小后增大的趋势。

当暂停时间较短时，喷雾虽能够降低火源燃烧速率，但空间内温度相对较低，不利于水雾的蒸发，特别是对于喷头开启时间较长的工况，暂停时间过短使脉冲细水雾近似于连续水雾，灭火时间会进一步延长。随着暂停时间增加，火源燃烧增强，空间内温度升高，有利于水雾的蒸发，从而达到更好的窒息效果，故灭火时间逐渐减小并达到最小值。若进一步增加暂停时间会对火源的抑制作用减弱，火源恢复到猛烈燃烧状态，使灭火时间延长。

表2　不同脉冲周期细水雾灭火时间

2)暂停时间固定，随着喷头开启时间的增加，细水雾灭火时间呈先减小后增大的趋势。

当喷头开启时间较短时，细水雾灭火时间较长，这是由于喷出的水雾量少，难以抑制火源，房间内温度高，且喷雾时间短，水雾难以进入燃烧区，不利于灭火。随着喷头开启时间增加，持续的喷雾能够使大量雾滴进入燃烧区并降至燃料表面，水雾充分蒸发，在降温的同时置换和稀释氧气，故灭火时间逐渐减小并达到最小值。若进一步增加喷头开启时间，由于喷雾时间过长近似于连续水雾，降低了雾滴的蒸发效率，使灭火时间延长。

1.2.2雾滴的运动和蒸发

分析雾滴的运动和蒸发过程对于了解细水雾灭火机理、有针对性的进行系统优化设计具有重要意义。雾滴下落过程中受到的空气阻力与速度的平方成正比。在火灾条件下，燃烧产生的火羽流具有很强的浮力作用，而细水雾雾滴直径和动量小，极易被火场中的高温烟气带走，难以降至燃料表面进行冷却。雾滴的蒸发满足二次方定律：

(4)

式中：τ为雾滴的生存时间，即完全蒸发需要的时间；d0为雾滴的初始直径；kv为蒸发常数。

(5)

式中：λ为水的导热系数；cp为水的比热容；ρ为水的密度；qv为水的蒸发潜热；T∞为燃烧区温度；Tb为雾滴的温度。

刚开始喷射水雾时，燃烧区温度较高，取平均温度为400℃，由式(5)计算得kv值为7.2×10-7。在此条件下，直径300 μm的雾滴生存时间仅为0.125 s，雾滴初速度按10 m/s估算，考虑烟羽流的阻力作用，雾滴从喷头到燃料表面的时间大于其生存时间。因此在喷雾初期，大部分雾滴被蒸发；随着喷雾时间的增加，温度降低，雾滴才能够进入燃烧区到达燃料表面。根据模拟结果，从开始喷雾到燃料表面出现水雾的时间为7 s，对于连续细水雾，在此时间之后水雾能够持续到达燃料表面进行冷却；对于脉冲细水雾，由于喷头暂停期间温度上升，再次开启喷头雾滴仍会大量蒸发。

1.2.3灭火机理

表3给出了连续和脉冲细水雾灭250 mm油盘火时燃烧区的O2质量浓度和H2O体积浓度以及油面温度。连续细水雾灭火时O2浓度为13%，高于灭火的极限氧气浓度，油面温度为38℃，低于柴油的闪点，故灭火机理是冷却灭火；脉冲细水雾灭火时O2浓度为12%，达到极限氧气浓度，且油面温度高于闪点，因此是窒息灭火。

表3　灭火时燃烧区域参数

图1为连续和脉冲细水雾灭火过程中燃烧区O2质量浓度变化曲线。对于连续细水雾，O2浓度是逐渐降低的。对于脉冲细水雾，图中可明显看出在喷头暂停时O2浓度急剧下降，这一方面是由于燃烧消耗氧气，另一方面是因为水雾大量蒸发稀释了氧气浓度并阻止新鲜空气进入燃烧区。喷头的反复动作有利于空间内气体的动力混合，每经历一个脉冲周期，O2的浓度都会有较大幅度的下降。

图1　细水雾灭火过程中O2浓度曲线Fig.1　Concentration curve of O2 during the process of extinguishment by water mist

图2　脉冲细水雾灭火过程中H2O浓度Fig.2　Concentration of H2O during the process of extinguishment by water mist in pulsed mode

连续细水雾灭火时间为82 s，脉冲细水雾仅为40 s，二者灭火效果的差异主要由水雾蒸发效率引起。连续细水雾灭火时水蒸气浓度为18%，而脉冲细水雾灭火时水蒸气浓度上升至20%。图2为脉冲细水雾灭火过程中H2O体积浓度的截面图。在30 s时，喷头尚未启动，房间内少量的水蒸气是燃烧产物随烟气上升的结果；35 s时，细水雾喷头处于开启状态，雾滴在向下运动过程中蒸发，燃烧区附近蒸发速度最快；42 s时，喷头处于暂停状态，此时空间内水蒸气浓度较喷头开启时有了明显的增加，表明暂停过程中悬浮在空气中的雾滴大量蒸发；70 s时火焰熄灭，此时水蒸气浓度达到20%，有效稀释了氧气使火焰熄灭。

根据上述模拟结果，结合雾滴运动和蒸发的理论分析可知，脉冲细水雾在喷雾初期雾滴大量蒸发，空间内温度降低，当雾滴布满整个房间后暂停喷雾；在暂停阶段燃烧增强，温度升高，悬浮在空气中的雾滴继续蒸发。进入下一个脉冲周期后，受限空间恢复高温状态，将会重复上述过程，如此循环极大的提高了雾滴的蒸发效率并稀释了氧气，从而实现窒息灭火。

1.3　脉冲周期的优化设计

由上述分析可知，脉冲细水雾并非对火源进行持续的降温冷却，在所有脉冲细水雾灭火的工况中，灭火时油面温度均高于56℃，而氧气质量浓度均降至12%以下，且水蒸气浓度非常高，大量水雾迅速蒸发产生的窒息作用是灭火的主要因素。因此，如何设置脉冲周期来提高水雾蒸发效率并达到最佳灭火效果，是脉冲细水雾系统设计的关键。

在设计的火灾场景下，脉冲周期为8 s开启、8 s暂停时，细水雾灭火时间最短。水雾平均粒径为300 μm，但是在喷射过程中还会产生一部分较大粒径的水雾。水雾与烟气温差200℃时，直径600 μm的雾滴生存时间约为7 s[10]，因此暂停时间8 s基本为雾滴完全蒸发所需的时间，既保证了水雾的充分蒸发，又不会使燃烧过于增强。细水雾雾滴降至燃料表面的时间为7 s，因此喷头开启时间8 s能够使雾滴充分降落并布满整个空间，有利于提高蒸发效率。

因此，对于脉冲周期的优化设置，应使喷头开启时间接近雾滴降至燃料表面的时间，暂停时间应接近雾滴的生存时间。

2　脉冲细水雾灭火试验研究

由模拟结果可知，脉冲细水雾的灭火效率高于连续细水雾。为验证模拟结果，建立细水雾试验台，采用周期为8 s开启、8 s暂停的脉冲细水雾与连续细水雾，对受限空间不同尺寸火源进行灭火试验，并与数值模拟结果进行对比。

2.1　脉冲细水雾试验台

实验采用单相流细水雾系统，该系统由细水雾喷头、空气压缩机、水瓶组、比例减压阀、流量计、压力计和控制装置等部分组成。利用空气压缩机作为增压设备，其工作压力为0～3 MPa，试验中通过系统的比例减压阀调节系统的工作压力。在系统的管路中设有流量计，用来测量实验时系统管路流量的变化。在喷头末端管路上设有电子测压设备，用来测量喷头的末端压力。脉冲控制系统采用多段式数位双调型限时继电器，通过时间继电器调节电源通断时间，继而使电源控制电磁阀实现细水雾喷头的喷洒与停止。

试验箱尺寸为1.5 m×1.5 m×1.5 m(长×宽×高)，框架由5 mm厚的角钢焊接而成，试验箱前壁用5 mm厚的钢化玻璃制成，用于观察实验中火焰燃烧过程和室内烟气的流动，其余壁面由水泥石膏板制成，为了方便测量设备的安装和调试，在一侧壁面设置尺寸为1.0 m×0.5 m的门，在燃烧室顶部中央设置细水雾喷头，喷头距离燃烧室底面1.4 m，总体装置如图3所示。

图3　细水雾灭火过程中CO2浓度曲线Fig.3　Concentration curve of CO2 during the process of extinguishment by water mist

为研究脉冲细水雾灭火效果，采用不同尺寸火源进行实验。燃料为0号柴油，油盘为直径为150 mm，250 mm和350 mm，放置于燃烧室地板中间。试验过程中门窗关闭，每次点火后，让油盘在室内预燃30 s，使油面上方形成稳定火焰，之后启动细水雾灭火，并记录灭火时间。细水雾系统压力设置为1 MPa，雾滴平均粒径为300 μm，脉冲周期为8 s，开启8 s暂停。

采用热电偶测量空间内温度分布，最底层热电偶放置在油盘表面测量油面温度，其上方每隔150 mm设置1个热电偶，共布置7个热电偶，从下到上编号为1～7号。为了消除试验误差，每个实验工况进行2次实验，实验结果取两次实验的平均值。

2.2　灭火时间对比分析

脉冲和连续细水雾灭不同尺寸油盘火时间见表4，脉冲细水雾灭火时间少于连续细水雾，且试验结果与模拟结果趋势一致，但试验结果略高于模拟结果，这是由于试验箱无法做到完全密闭，燃烧过程中会有少量新鲜空气从外部进入，增加了氧气供给。

对于脉冲细水雾，设计工况下灭火均发生在喷雾暂停阶段，这表明喷头停止动作时，雾滴的充分蒸发对灭火有重要影响。连续细水雾无法熄灭直径150 mm的油盘，因为持续喷雾使燃烧强度减弱，空间内温度低不利于水雾蒸发，燃烧产物浓度较低，水雾在运动过程中将空气带入燃烧区，经过一段时间的作用，火源的释热和散热达到平衡状态，形成稳态燃烧，火焰无法熄灭。随着油盘尺寸增大，灭火时间明显减少，连续和脉冲细水雾灭火时间的差距缩小，这是由于受限空间内氧气有限，而大尺寸火源消耗氧气多，产生的水雾量大，使燃烧难以维持。

表4　细水雾灭不同尺寸油盘火时间

2.3　脉冲细水雾灭火过程分析

以熄灭250 mm油盘火为例，油盘预燃30 s后启动细水雾系统，在施加细水雾初期，会造成火源燃烧增强的现象，如图4所示，这是由于细水雾雾滴进入燃烧区与燃料形成共沸[11]，即当2种互不相溶的液体共存时，沸点恒低于任一纯组分的沸点。模拟过程中并不存在燃烧强化现象，这是由于FDS模型当中可燃物仅为1种，物理化学特性相对固定，且无法实现燃料与水雾的掺混。

图4　施加细水雾对燃烧强度的影响Fig.4　Influence on combustion intensity by water mist

共沸增大了燃料蒸发速率导致燃烧加剧，并使空间内部温度升高，提高了水雾蒸发效率，消耗更多氧气，在一定程度上有利于密闭空间灭火。燃烧强化现象出现在喷头动作后3～4 s，继续施加水雾则强化现象消除且火源受到抑制。在喷雾暂停过程中，火源燃烧强度会有一定的恢复，这使得空间内温度升高，悬浮在空气中的雾滴进一步蒸发。

图5　脉冲细水雾灭火过程温度曲线Fig.5　Temperature curve during the process of extinguishment by pulsed water mist

试验和数值模拟过程中燃烧区温度变化曲线如图5所示，脉冲细水雾灭火过程中温度随着喷头的启闭呈震荡趋势，并且灭火时燃烧区域温度较高，因此判断是稀释氧气而实现窒息灭火。在预燃阶段，模拟温度比实验温度高，这是由于在FDS燃烧模型中燃料与氧气接触便发生燃烧，而试验过程中燃烧面积是由局部逐渐扩散至整个燃料表面，从引燃柴油到形成稳定火焰需要一定时间，因此该阶段试验测定温度曲线升温较慢，温度较低。在灭火过程中，试验测得温度值较模拟结果偏高，且震荡幅度较小，这一方面是由于试验箱无法做到完全密封，新鲜空气进入增强了燃烧，另一方面是由于燃烧强化现象使得降温幅度偏小，但二者总体趋势一致，表明数值模拟结果能够较好的反映实际火灾情况。

表5给出了脉冲细水雾灭火时燃烧区的O2质量浓度、H2O体积浓度以及油面温度。其中油面温度为试验测量结果，O2质量浓度和H2O体积浓度为数值模拟结果。脉冲细水雾熄灭不同尺寸油盘火时，灭火瞬间燃烧区H2O浓度较高，水雾大量蒸发稀释了氧气和可燃气体，灭火时O2浓度均降至极限氧气浓度12%以下，且油面温度均高于闪点，可判断灭火机理为窒息灭火。从试验现象分析，脉冲细水雾灭火前，如图6、图7所示，火源尺寸扩大并脱离燃料表面燃烧，之后迅速熄灭，表明火源周围的氧气浓度不足以维持燃烧，未燃蒸汽扩散至油池上方和周围区域导致火焰向油盘外蔓延，并最终窒息灭火。

表5　脉冲细水雾灭不同尺寸油盘灭火时燃烧区域参数

图6　火源熄灭前5 sFig.6　5 second before extinguishment

图7　火源熄灭瞬间Fig.7　the moment of extinguishment

3　结论

1)当喷头开启时间接近雾滴降至燃料表面时间，暂停时间接近雾滴生存时间时，脉冲周期最佳，脉冲细水雾灭火时间最短。

2)脉冲细水雾灭火时间短，雾滴蒸发效率高，灭火机理为窒息灭火，水雾的大量蒸发稀释氧气对灭火起到关键作用。

3)对于不同尺寸火源，脉冲细水雾均能实现窒息灭火，且灭火效率高于连续细水雾，而连续细水雾无法熄灭直径150 mm的油盘火。

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