水基灭火装置爆炸抛洒成雾运动特性研究

李成孝，汪 泉,3，朱福元，李志敏，郭子如,3，程扬帆,3，李雪交,3



水基灭火装置爆炸抛洒成雾运动特性研究

李成孝1，汪 泉1,3，朱福元2,3，李志敏1，郭子如1,3，程扬帆1,3，李雪交1,3

（1.安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南，232001；2.淮南舜泰化工有限责任公司，安徽 淮南，232072；3.安徽省爆破器材与技术工程实验室，安徽 淮南，232001）

为了研究爆炸驱动水成雾灭火作用过程，研制一种简易水基爆炸灭火装置。针对4种不同几何尺寸的灭火装置，采用HX-3型高速摄像机记录水雾与柴油火作用全过程。通过研究水基灭火装置爆炸抛洒灭火过程，认为爆炸驱动水抛洒运动分为3个阶段：喷射阶段、过渡阶段和弥漫阶段；理论分析和估算了抛洒过程中水雾的速度、半径以及作用时间；分析了灭火装置几何尺寸因素对抛洒运动特性参数及灭火效果的影响。研究表明，灭火装置的长径比、比药量以及水的质量会对水雾爆炸抛洒过程造成影响。

爆炸水雾；高速摄像机；灭火装置；灭火过程

目前，灭火剂种类主要有水系灭火剂、气体灭火剂、泡沫灭火剂、干粉灭火剂、气溶胶灭火剂[1]。水作为传统的灭火剂，具有无污染、资源丰富等特点。雾状水的灭火效果比喷淋水更好[2-3]，然而现有的细水雾灭火系统喷射距离较短，面对高层建筑、森林冠火以及草原火灾往往不能达到很好的灭火效果。利用炸药爆炸的能量驱动水抛洒成水雾，结合了细水雾灭火和激波灭火的优点[4]，在隔绝氧气、降低温度等综合作用下，能实现良好的灭火效果。蒋耀港等[5]研究了冷激波灭火系统的机理和应用；岳中文等[6]在水袋内放置条形药包，研究爆炸作用下液体抛洒初期水雾运动速度的影响因素；丁珏[7]用V形槽装水进行爆炸抛洒，研究抑制火焰和激波的传播；汪泉等[8]研究了爆炸水雾扑灭油火过程，分析了其灭火有效性问题。

本文采用PVC材质制作了4种几何尺寸的简易水基灭火装置，装置中心固定安装起爆装置（防水处理），采用HX-3型高速摄像机记录水雾爆炸抛洒灭火全过程，研究了爆炸抛洒过程水雾的运动特点以及灭火效果的影响因素，实验结论对优化水基灭火弹结构设计有重要参考价值。

1 实验设计

为了验证水基灭火装置爆炸灭火能力，在室外露天环境范围进行灭火模拟实验（环境0～1级风，风速在0～1.5m/s），实验器材主要有爆炸灭火装置、自制背景标尺、中心装药、雷管、高速摄像机、油盘等，如图1所示。爆炸灭火装置和油盘放在同一支撑平台上，高速摄像机的镜头与灭火装置中心线齐平，为了更好地分析水雾爆炸抛洒的过程，使用自制的背景标尺（刻有10cm×10cm网格线）作为衬托。

图1 实验装置示意图

1.1 水基灭火装置

水基灭火装置共有内外两个管体，如图2所示。

图2 水基灭火装置示意图

图2中外管体采用PVC塑料制成，管体上下用封头密封，外管体内部充水；内管体内放置非电导爆管雷管和黑索今（实验所用RDX质量均为3.75g），内管体位于外管体中心线位置。

1.2 高速摄像机

采用HX-3型彩色高速摄像机记录水雾运动及其与油火作用过程，拍摄速率为7 000fps，单帧像素为1 280×1 024，并用计算机记录高速摄像机所拍摄照片及处理数据。

1.3 装置参数

实验共分4组进行，每组实验所用的炸药质量相同，改变灭火装置的几何尺寸，实验中左右两侧的油盘距离灭火装置分别是300mm、500mm，为保证油盘燃烧的持久性，油盘内加有200mL的0号柴油，灭火装置的几何尺寸参数见表1所示。

表1 爆炸灭火实验装置参数

Tab.1 Experimental parameters of explosion extinguishing device

2 实验结果及分析

2.1 水雾爆炸抛洒实验

实验采用高速摄像记录抛洒装置的破裂过程和水雾抛洒的过程，以及水雾抛洒形态随时间的变化，图3为部分水雾爆炸抛洒实验过程的高速摄像分幅照片。

图3 水雾爆炸抛洒过程分幅照片

2.2 水雾爆炸抛洒过程分析

对于水雾爆炸抛洒过程，运用Matlab软件对分幅照片进行图像处理，以抛洒水雾最外边缘处典型质点作为参考点，计算出水雾抛洒过程的瞬时速度，并得出不同装置尺寸下水雾抛洒速度随时间变化曲线，如图4~5所示。

图4 高度为200mm的两种灭火装置水雾抛洒速度时程曲线

图5 高度为150mm的两种灭火装置水雾抛洒速度时程曲线

据文献[9-10]可知，由于水雾受到爆炸冲击作用力和空气阻力的综合影响，可将水雾运动过程分为3个阶段：喷射阶段、过渡阶段、弥漫阶段。

（1） 喷射阶段

爆炸装置发生爆炸以后，产生的高温高压爆轰产物推动液体介质向外运动，由于水的可压缩性小，连同爆轰产物气体形成活塞。在爆炸抛洒的初始阶段，爆炸冲击作用力和空气阻力同时作用在活塞上，但爆炸冲击作用力远大于周围空气阻力，活塞受到的合力促使液体向外作加速运动。由图4~5可以看出，在0~0.5ms之间，4组实验中的水在短时间内均完成了加速过程。加速阶段时，爆轰气体和水形成的活塞界面并不稳定，在不断加速的过程中导致液体发生首次破碎成液滴。

（2） 过渡阶段

水抛洒达到最大速度以后，由于爆轰产物的压力随着爆轰气体的膨胀越来越小，当压力小于空气阻力时，液体开始作减速运动。液体在表面张力的作用下损失一部分动能，发生首次破碎的液体在粘性力、颗粒尺寸、速度达到一定值时，将发生二次破碎形成更小的液滴，从达到最大速度到二次破碎结束的过程中，速度会随着时间呈指数形式衰减。如图4~5所示，各组实验中的水在达到最大速度后，速度迅速衰减。

（3） 弥漫阶段

水的速度衰减到一定值后，由于液体破碎成极小的雾状，液体间的相互作用力以及表面张力可以忽略不计，此时主要受到空气阻力的影响，速度会继续减小，衰减幅度极小。

2.3 水雾爆炸抛洒过程参数分析

2.3.1 水雾抛洒水的速度

当水雾抛洒处于喷射阶段时，主要受到爆炸冲击作用力，爆炸产物可按PV =的规律膨胀，爆炸产物分界面处质点的速度为[11]：

式（1）中：u为分界面处质点速度；v为炸药爆速；为爆炸产物多方指数；为爆炸产物界面压力；0为爆轰波阵面压力。利用公式（1）计算出的水爆炸抛洒最大初速度，与图4~5所示速度数值基本吻合，4组实验中水雾最大初速度分别为：280m/s、350m/s、455m/s和420m/s，而且随着水的质量增大，达到的最大初速度就越小，但达到最大速度所用的时间越短；爆炸装置直径增大，最大初速度减小。

由图4~5可知，当灭火装置高度为200mm时，长径比大的3号装置（/=4）爆炸抛洒后达到的最大速度大于1号装置（/=2.67）；当灭火装置高度为150mm时，长径比大的4号装置（/=3）爆炸抛洒后达到的最大速度大于2号装置（/=2），可以看出水雾抛洒获得的最大初速度与长径比变化有关。长径比大的灭火装置，水雾抛洒初期得到的径向初速度比长径比小的灭火装置要大得多，这是因为长径比大的灭火装置单位长度内液体质量较小，在爆炸初始压力相同的情况下，能获得较大的初速度。

当水雾抛洒处于过渡阶段时，其抛洒速度随时间呈指数衰减，可表示为[12]：

=maxe（2）

式（2）中：max为水雾抛洒最大初速度；为衰减系数；为水雾抛洒运动时间。

根据图4~5得出水雾速度的运动规律，符合公式（2）的指数衰减关系，经拟合后的1、2、3、4组实验中水雾衰减系数分别为：1=-0.186 6，2=-0.307 2，3=-0.423 2，4=-0.286 6。

2.3.2 水雾抛洒的半径

水雾半径是指在水平方向上爆炸装置中心距离水雾抛洒最外端质点的距离，水雾半径的确定对于确定有效灭火区域和提高爆炸灭火装置在水平方向的做功能力有着非常重要的意义，图6~7为不同尺寸下水雾抛洒半径随时间变化的曲线。

图6 高度为200mm的两种灭火装置水雾抛洒半径时程曲线

图7 高度为150mm的两种灭火装置水雾抛洒半径时程曲线

由图6~7可知，4组水雾在0～5ms之间半径增加较为明显，5ms以后增长较为缓慢，符合弥漫阶段的特征。根据实验数据，爆炸水雾抛洒半径可以用经验公式（3）拟合[12]：

由图6~7可知，在水雾爆炸抛洒前期，长径比大的灭火装置抛洒半径较大，但是后期水雾抛洒半径基本相似。可以看出，长径比变化不会影响水雾最终抛洒半径的变化，因此长径比不是水雾抛洒半径的主要影响因素。

2.3.3 水雾抛洒的作用时间

通过高速摄像法测得水雾抛洒的作用时间，不同比药量2/1（装药质量和水质量之比）下的作用时间结果如表2所示。

表2 不同2/1时水雾抛洒作用时间

Tab.2 Water mist spraying time for different M2/M1

由表2可以看出，比药量越大水雾抛洒作用时间越长，这是因为当比药量较大时，装置爆炸瞬间对水的做功较多，爆炸产生的能量衰减较慢，水雾初速度大于比药量小的爆炸灭火装置，使得水雾在弥漫阶段运动的时间增加，水雾雾化效果提高。

2.4 水基灭火介质爆炸灭火效果及分析

水作为一种传统的灭火介质，当水和燃烧物接触时，高温会使水发生汽化现象，带走着火区域大量的热，同时降低燃烧物的温度，使其温度处于可燃点以下。水的灭火具体作用有以下几种[13]：（1）冷却作用：水的比热容较大，其常压下的定压比热容为4.2kJ/ (kg·℃)，由于这一特性，水在灭火过程中可以带走巨大的热量，降低可燃物的温度。（2）分离作用：水由于爆炸形成的水雾会将火焰与可燃物隔离开，使得热量很难从火焰区向可燃物传递，破坏了可燃气体产生与可燃气体消耗的平衡，终止了稳定燃烧的过程。（3）水雾的破碎：水受到爆炸作用力加速到最大初速度以后，由于空气阻力、粘滞力、表面张力的影响，水会破碎成较小的团状、块状水滴，当水滴的尺寸和速度达到一定值后将发生二次破碎[14]。

水本身能够吸收大量的热，破坏燃烧过程中的能量平衡，当水不断破碎成水雾时，能够加快水汽化成水蒸气的过程，使着火区域温度降得更快，而且产生的水蒸气会占据空气中一氧化碳、氧气等可燃和助燃气体的空间，将可燃物和助燃气体分开。整个过程不仅从源头上能够扑灭火灾，还能从燃烧反应中间彻底切断反应链，极大地提高了灭火效率。

水雾爆炸抛洒灭火结果如表3所示，4组实验中，只有3号实验中右侧火焰未被扑灭。

对比3号和4号的实验结果，可知灭火装置高度增加，灭火能力降低；结合图4~5的速度曲线可知，当灭火装置高度增加时，水雾抛洒速度衰减较快，可能因为重心的提高导致在纵向分散的能量较多，使径向灭火能力减弱。对比1号和3号的实验结果，3号实验右侧火焰未灭，由图4和图6可以看出，增加灭火装置的直径，水雾速度衰减程度较小，弥漫阶段的水雾速度较大，而水雾抛洒半径也略微增加，能够提高灭火能力。

表3 爆炸水雾灭火结果

Tab.3 The results for explosive water mist extinguishing fire

3 结论

基于自行设计的爆炸水雾装置，研究了水雾爆炸抛洒过程的基本参数，得到以下主要结论：（1）通过实验研究与分析，认为水雾的爆炸抛洒过程分为喷射、过渡和弥漫3个阶段。（2）在实验条件下，增大长径比能提高水雾抛洒初期速度，但不会影响最终水雾抛洒半径。水量的增大会降低水雾抛洒的初速度。（3）在实验条件下，提高比药量（2/1）可以延长水雾的作用时间，使水介质雾化破碎更彻底，粒径更小，提高水雾抛洒的最大初速度，增加有效灭火的范围，提高灭火效率。

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Investigation on the Motion Characteristics of Explosive Dispersion for Water-based Fire Extinguishing Device

LI Cheng-xiao1, WANG Quan1,3, ZHU Fu-yuan2,3, LI Zhi-min1, GUO Zi-ru1,3, CHENG Yang-fan1,3, LI Xue-jiao1,3

（1.School of Chemical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan, 232001；2 Huainan Shuntai Chemical Industry Co.Ltd., Huainan,232072;3. Anhui Engineering Laboratory of Explosive Materials and Technology, Huainan,232001）

To study the fire extinguishing effect of water mist driven by explosive, a simple water-based explosive extinguishing device was developed. Aimed at four fire extinguishing device with different length and diameter, the HX-3 high-speed camera was used to record the whole process of the reaction between water mist and diesel fire. Through studying the fire extinguishing process of water-based fire extinguishing device, it is considered that the motion of water spilling driven by explosive can be divided into three stages, which are injection stage, transitional stage and diffusion stage. Meanwhile, the velocity, radius and function time of water mist in the process of spraying were analyzed and estimated, as well as the influence of geometric dimensions of fire extinguishing device on spraying motion characteristic parameters and fire extinguishing effect was analyzed. It is found that the ratio of length to diameter, specific charge mass and volume of water of fire extinguishing device will affect the spraying process of water mist explosion.

Explosion water mist; High speed camera; Fire extinguishing device; Fire extinguishing process

1003-1480（2019）02-0019-05

TQ569

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.02.005

2018-11-16

李成孝（1993-），男，硕士研究生，主要从事爆炸灭火研究。

国家自然科学基金（11502001, 11872002）, 安徽省新型爆炸材料及应用创客实验室（2016ckjh073）。