细水雾灭火效果影响因素的数值模拟研究

2017-07-12高建丰徐文祥袁健威

中国储运 2017年7期

文/高建丰徐文祥袁健威

细水雾灭火效果影响因素的数值模拟研究

文/高建丰徐文祥袁健威

影响细水雾灭火效果的因素很多，本文着重研究压力和细水雾喷头相对于池火距离大小对灭火过程产生的影响；压力决定水雾动量，而喷头位置决定了水雾喷洒的范围，为了取得最佳灭火效果，两者要综合考虑，找出合适的压力和位置点。本文运用FDS仿真模拟了细水雾灭火全过程，得出压力为8MPa时和喷头距离池火2．0m处灭火效果最好。

细水雾；灭火效果；影响因素；压强；喷头位置；数值模拟

火灾事故往往对人们生命财产造成重大损失，因此研究火灾消防安全技术具有重要意义。随着火灾科学的不断发展，灭火的方式也在不断地改进，细水雾灭火技术由于经济实用近年来发展较快[1]。细水雾的灭火原理：（1）水滴蒸发成水蒸气，吸收了大量热量。（2）隔绝了空气，细水雾遇热大量蒸发为水蒸气，使得气体体积扩大很多倍，赶走了空气，并阻止新的空气进入，没有了助燃剂，燃烧也就无法进行下去了。（3）隔绝热辐射，水蒸气将整个火焰堆包笼住，使得火焰的辐射无法向外围扩散[2～5]。根据细水雾灭火技术的这些特点，已经运用到许多场合，比如图书馆、博物馆等一些不能用寻常灭火手段来解决火灾的场所，特别象油轮着火，油罐着火等，不能用消防水枪扑灭，但适用细水雾扑灭火灾[2]。

人们做过许多类似细水雾的实验，包括抑制甲醇、酒精、煤油等一些化学品池火燃烧实验。由于火灾实验安全要求相对较高，一些实验设备也很昂贵，对开展火灾实验带来一定的困难[2]。

针对以上问题，我们可以用计算机仿真软件进行数值模拟，设定燃烧的大环境，生成燃料燃烧反应的池火堆，接着生成热电偶和温度切片平面，最后在合适位置模拟出细水雾喷头，通过输出不同压力来研究池火燃烧情况和其温度的变化，通过观察模拟实验的数据得出结论。

一、模型的建立

本文用美国标准技术研究院研发的PyroSim进行细水雾喷头灭火效果的仿真模拟。PyroSim消防模拟软件包括模型建立、运行求解和分析处理三个基本过程。软件以计算流体力学为依据，可以模拟预测火灾中的烟气、温度以及浓度的变化情况[2～6]。本模拟采用的模型有大涡湍流模型、混合物分数模型、欧拉-拉格朗日模型。模拟中设定总的模拟时间为100秒，在20秒的时候释放细水雾，燃烧器在模拟中是一直开启的。

1.1 .模拟火灾场景设置

本次模拟的场景设定是长4m、宽3m、高3m的开顶空间，顶部连接外部使得空气流通，燃烧能够持续，如图1所示。考虑到网格的形状，这边最合适模拟方形的油池火，尺寸为0.5×0.5×0.1，场景四周是系统默认的混凝土结构，在油池火正上方1.5m处安置一个热电偶，在X～Z平面与油池火中心垂直面的相交面上设置一个温度切片平面，观察温度的变化。最后细水雾喷头位置设置在池火正上方的位置。如图1所示

图1 模拟火灾场景图

网格划分的越精细，计算的误差也越小。所以我们在选择网格的时候需要仔细选择，通过计算得到适合实验的网格。火源附近的网格尺寸由特征直径D*/δx决定，其中：

D*为火源直径参数，由式1确定[3～7]：

式中Q表示热释放速率，w；ρ0表示环境空气密度，kg/m3；C0表示空气比热容；J/kg.℃；T0为环境温度；K为流量系数；g为重力加速度，m/s2。δx最小网格尺寸，为最小网格尺寸，当网格尺度小于0.1D*时，FDS模拟的火灾烟气温度与流动将符合Baum和MaCaffey实验的曲线拟合方程。依据上述理论，δx=0.1D*为最小网络尺寸，油池火的水平面积为0.25m2。实验用做燃烧的燃料是汽油，通过资料查询，汽油的平均燃烧速率为0.055kg/（m2·s），热释放速率Q为250kw[3]。

表1 喷头参数设置

二、压力与位置不同的模拟

2.1 不同压力下细水雾对同一个池火灭火效果的分析。

分别模拟了在0.1MPa、0.7MPa、3MPa、8MPa、10MPa压力下喷出的细水雾对同一个油池火灭火影响的比较。

图2 软件模拟细水雾灭火的全过程

从图3可以看出池火的温度由原先设定的环境温度20℃迅速上升到140℃，我们可以看到20s到25s之间，池火的温度没有发生很大的变化，略有上升的趋势，这可能因为模拟软件选用的是混合气体模型，可燃性的气体与O2发生迅速的氧化反应，从而释放大量的热量，导致温度曲线持高不下，这在实验中也是存在的，被叫做“火焰强化现象”[3]。

图3 池火温度随时间的变化规律

从图3可以清楚地看到25s到40s之间，温度曲线骤然下降，从图中可以看出细水雾的灭火出现了效果。因为模拟实验中池火是一直开启着的，所以曲线到最后不会到达环境温度，但我们可以看到曲线到最后开始平稳，到达恒定的值。相对于压力较小的0.7MPa，我们可以从图3中观察到它从温度上升到下降到环境温度显然比之前3MPa所用的时间要长，下降曲线的斜率要小。图3中0.1MPa的温度曲线与之前的两条有着明显的不同，我们从图中可以看出曲线上升到燃烧值并没有下降，细水雾没有达到理想的灭火效果，因为输出压力小导致喷出的水雾雾动量不够，不足以穿透火羽表面，也就无法进入火焰内部，从而无法达到灭火的效果。从8MPa曲线与10MPa曲线我们可以看出并不是施加的压力越大，灭火效果就越好，这是因为水滴动量大了，喷头所释放的水雾雾通量会减小，所覆盖的灭火面积会相应减小，灭火性能也会受到影响。

通过上面的对比，我们需要合适地选用压力，才能达到我们所要的灭火效果。通过以上的分析，我们可以看到虽然3Mpa和0.7Mpa对池火的灭火有一定的效果，但压力为8.0Mpa时灭火效果更明显，0s至25s之间为火焰的上升阶段，25s之后火焰被抑制，而20s时细水雾开启，我们可以看出有一段时间火焰在增长，所以我们把灭火的过程分为四个过程：火焰初步增长过程、火焰初步抑制过程、火焰再增长过程、火焰再抑制过程[2]。主要过程是在再抑制过程，我们需要缩短火焰再增长时间，这样才能更好地达到灭火的效果，及时挽回相应的损失。

2.2 对于细水雾喷头距离油池火的位置对灭火效果的影响。

基于先前有许多实验关于细水雾喷头横向位置不同对细水雾灭火的影响，实验表明，喷头位于池火的正上方对细水雾灭火的效果最好[4～6]。池火正上方时，纵向距离大小对细水雾灭火有影响，考虑到雾滴脱离喷头时进行自由落体运动，纵向速度不断增大，导致雾滴的雾动量会不断增大，而且在不同的位置下，喷头喷出的水雾对池火堆的覆盖也不同，VX在水滴运动期间不断减小，而VY不断增大，所以水滴运动曲线类似于平抛运动，VX的大小影响着雾滴的雾化锥角，对细水雾灭火效果的影响十分巨大。在一定程度上VX决定了水雾喷过的横向距离，如果忽略空气阻力的话，雾化锥角θ与VX在数学上有着一定的关系：

其中一为重力加速度，h是水滴距离油池火的垂直距离，δ是水滴距离油池火的水平距离，θ为水滴速度夹角。如图四所示，VX的大小直接决定了δ的大小，而实验所给的压力也决定了VX，又因为我们既要考虑VX·t≥δ，根据热电偶记录的温度曲线图，喷头给予的压力为8.0MPa。从图中我们观察到20s～25s的时候，细水雾开始发挥其灭火效果，有3条线是重合的，1.0m、1.5m和2.0m处细水雾灭火效果一样。2.5m与3.0m曲线斜率较小，灭火效果没有前面的好。25s～30s时，1.0m与2.0m曲线趋于平稳，温度不再下降。至40s的时候，5条曲线温度都达到最小值，2.0m、2.5m和3.0m都差不多达到了所设的环境值20℃。从40s到100s之间看，2.0m处喷发的细水雾有更好的灭火效果，因为其曲线走向更加平稳，而且较3.0m和2.5m，2.0m曲线斜率也比其它2条要大，灭火时间要短，这对火灾上的应用十分关键。经过上面的对比，得出喷头位于2.0m处的灭火性能效果最好。也要确保V尽量大点，所以要找到一个合适点十分重要。

图5是喷头分别距离池火堆1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m喷出细水雾。