典型泡沫灭火剂的油面蔓延性能

李强，杜明辉，李玉，李金梅,3

(1.中国人民武装警察部队学院，河北 廊坊 065000；2.公安消防部队高等专科学校,昆明 650000；3.北京科技大学，北京 100083)



典型泡沫灭火剂的油面蔓延性能

李强1，杜明辉2，李玉1，李金梅1,3

(1.中国人民武装警察部队学院，河北 廊坊 065000；2.公安消防部队高等专科学校,昆明 650000；3.北京科技大学，北京 100083)

结合冷态缓释放条件下泡沫蔓延计算模型，提出基于实验数据的泡沫灭火剂蔓延性能综合参数F获取方法，通过分析F值变化，综合评价条件变量对泡沫灭火剂在油面蔓延性能的影响规律。由缓释放泡沫蔓延实验分析典型泡沫灭火剂在常温、高温未燃烧和高温燃烧油面的蔓延特性。结果表明,在油品未燃烧条件下，F值随着初始油温的升高和泡沫蔓延过程的增长而变大；在油品燃烧条件下，随着预燃时间的增长，F值增大。F值随着泡沫供给流量的增加而减小，因为增大的体积力抵消了蔓延过程中泡沫与油面间的剪切力作用。

泡沫灭火剂；油品火灾；蔓延性能

灭火时间是验证灭火系统灭火效能的衡量指标，也是决定消防损害管制成败的重要评判指标[1-2]。泡沫是扑救油品火灾中最常使用的灭火剂类型[3]。泡沫在燃烧油面蔓延速度快、覆盖面积广、抗烧能力强，则灭火时间越短、灭火效率越高[4-5]，因此，在研究中通常采用泡沫蔓延性能来估算灭火时间[6]。在泡沫铺展过程中，泡沫自身会出现析液现象，造成灭火剂的损耗。此外，油品燃烧产生的高温、辐射会对泡沫的稳定性造成破坏、增加泡沫的蒸发速率[7]，消耗大量灭火剂。典型泡沫灭火剂在油品表面的蔓延性能，是确定油品火灾泡沫灭火临界参数评判指标，为构建泡沫灭火辅助决策系统提供基础数据。在冷态缓释放条件下，通过泡沫在矩形油槽内的蔓延模型来分析泡沫的铺展距离与时间等其他因素的联系，对油品火灾防治具有重要意义。因此，从冷态缓释放条件下泡沫蔓延计算模型出发，提出基于实验数据的泡沫灭火剂蔓延性能综合参数F获取方法。F与泡沫灭火剂密度、发泡倍数、在蔓延方向与油品间的剪切力相关。通过分析F值变化，综合评价环境因素对泡沫灭火剂在油面蔓延性能的影响规律。

1 泡沫蔓延计算模型

1.1 基本假设

泡沫在铺展过程中伴随着沉降，所以泡沫的铺展过程是一个准静态过程，在一定条件下，沉降对泡沫流量的影响忽略不计。泡沫在铺展过程中，粘滞阻力、静态压力和粘性阻力是泡沫上的主要作用力。对泡沫铺展进行以下假设[9]。

1)缓释放条件下泡沫铺展过程为准静态过程，忽略泡沫层表面作用力。

2)惯性力忽略不计。

3)由于泡沫是非牛顿流体，其内部剪应力相对于燃油层内的剪应力可以忽略不计。

4)假设燃油层整体水平，忽略油层斜率的影响。

5)忽略蒸发损失率和沉降率，泡沫的发泡倍数s恒定，密度ρ也是常数。

1.2 模型建立

使用自由表面流描述泡沫灭火剂的铺展过程，从静水动力学原理角度分析，泡沫的平均高度是密度、静压力和速度的函数，泡沫层的高度也可以表示泡沫在油面铺展的基本控制方程。建立连续方程和动量守恒方程，可得到泡沫铺展距离偏微分方程。通过求解偏微分方程，最终可以得到泡沫灭火剂的蔓延距离[9]。

(1)

当实验条件确定、F为定值时，蔓延距离R是时间t的函数。设：

(2)

可通过将每组实验数据拟合成R=at2/3的形式获得系数a值。如图1所示，以50 ℃情况下的AR为例，a=1.975。

2 实验装置与实验设计

2.1 缓释放泡沫蔓延实验台

泡沫蔓延流道见图2，泡沫流道由0.5 cm厚不锈钢钢板订制而成，长2.70 m、宽0.25 m、高0.15 m。在流道首段的顶端焊有泡沫枪架，上面架有泡沫枪。管枪喷射灭火装置采用压缩空气驱动，初始压力值为0.8 MPa。

实验台布置见图3，流道末端通过注油孔与恒温稳液面补油装置相连。恒温稳液面补油装置可使泡沫流道内的油面高度基本稳定不变。当需要高温燃油补充时，亦可以通过温控温装置提供所需温度的燃油。

2.2 泡沫灭火剂与油品选用

考虑到不同类型泡沫灭火剂之间的发泡倍数、表面活性及稳定性存在较大差异，因此，泡沫灭火剂选用灭火系统中经常采用的抗溶泡沫灭火剂(alcohol-type foam，AR)、水成膜泡沫灭火剂(aqueous film-forming foam，AFFF)和氟蛋白泡沫灭火剂(fluoro-protein foam，FP)。

实验油品选用0#柴油。作为轻柴油，其沸点范围约180～370 ℃。

2.3 实验设计

考虑不同类型泡沫灭火剂在常温、高温未燃烧和高温燃烧油品表面的蔓延性能，且对不同泡沫供给强度条件下泡沫灭火剂在预先燃烧5 min后油品的蔓延性能进行分析。

3 实验结果与讨论

3.1 常温油品

在泡沫供给流量为0.000 15 m3/s时，AR，AFFF和FP在初始油温为20℃的0#柴油的蔓延情况如图4所示。由图4可见，AR的蔓延速度最快，其次是AFFF，最后是FP。

图5为不同泡沫灭火剂的F值，相应的FP的F值最大，AR的F值最小，AFFF的F值稍大于AR。氟碳表面活性剂、碳氢表面活性剂的加入，使AR和AFFF在蔓延过程中所受阻力较低，F值小，但由于2种泡沫中碳氢表面活性剂的种类不同和稳定剂的不同，因此造成2种泡沫蔓延情况存在差异。

3.2 高温未燃烧油品

图6为AR、AFFF和FP在泡沫供给流量为0.000 15 m3/s时，在不同油温0#柴油油面上蔓延的F值得变化规律。

燃油温度升高时，溶液表面张力一般会下降，蔓延系数变小，泡沫蔓延过程中的阻力变大。温度的升高还伴随着溶液膨胀，分子间距增大，分子间作用力减弱；且活性剂分子排列不紧密，则溶液粘度降低，泡沫稳定性下降[10]。

由图6可见，随着温度的升高，F值逐渐变大。但对于不同泡沫灭火剂，F值增长程度存在差异。FP的F值整体水平较高，且受温度影响最为明显；AR的F值的整体水平较低，却不随温度升高发生明显增加。

3.3 高温燃烧油品

实验装置为泡沫蔓延试验台，AR的泡沫供给流量为0.000 15 m3/s。实验前，点燃泡沫蔓延实验流道内的燃油，分别在2、5、7、9及13 min后向泡沫流道内供给泡沫。

不同预燃时间下，F随着预燃时间的增长的变化情况见图7。由图7可见，预燃时间越长，F值越大，表明蔓延过程中，泡沫所受阻力越大。

与图6相比，F增大的幅度要比无火条件下大，说明火焰的热辐射作用加剧了泡沫的不稳定性。

3.4 泡沫灭火剂供给强度影响

AFFF在不同泡沫供给流量情况下F的变化规律见图8。可以看出，F值随泡沫供给流量的增大而减小。这说明，随着泡沫供给流量的增大，增大的体积力抵消了蔓延过程中的泡沫与油面间的剪切力作用。

4 结论

泡沫灭火剂蔓延性能综合参数F值越小，该类泡沫在油面蔓延性能越优良，单位时间内蔓延距离越长。在无火条件下，随着初始油温的升高，泡沫蔓延过程中的F值变大，且F值增加速率逐渐增大。在油品燃烧条件下，随着预燃时间的增长，泡沫蔓延过程中的F值增大。

随着泡沫供给流量的增加，F值减小，因为增大的体积力抵消了蔓延过程中泡沫与油面间的剪切力作用。

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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

公安部应用创新计划项目(2014YYCXWJ XY058)；武警学院国家自然基金培育课题(ZKJJPY201609)

李强(1979—)，男，博士，副教授

研究方向：消防工程技术

U664.88；X932；TP394.1

A

1671-7953(2017)03-0053-04

修回日期：2017-03-27