APP下载

声波团聚技术发展现状及在火灾消烟应用前景*

2022-11-21陈子越吕洪坤张光学林宸煜庞颖钢顾海林袁定琨

应用声学 2022年5期
关键词:声场声波火场

陈子越 吕洪坤 张光学† 林宸煜 庞颖钢 顾海林 袁定琨

(1 中国计量大学能源工程研究所杭州 310018)

(2 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院杭州 310014)

0 引言

随着人类社会的发展,城市建筑物密度不断上升,这导致建筑火灾发生概率增加,给公众安全造成极大威胁。建筑物中可燃物多、人员密集,一旦发生火灾,极易造成巨大的财产损失和人员伤亡[1]。因此,如何减少建筑火灾的危害、保障受困人员的安全,成为学者最近广泛研究的议题之一。

现有研究表明,建筑物发生火灾时,火灾烟雾是妨碍人员逃生、造成人员伤亡的关键因素[2]。在火场中,大量可燃物的剧烈燃烧,会产生大量含碳烟尘和一些刺激性气体[3]。而包含大量含碳烟尘的烟雾会在短时间内充斥火场,使得火场能见度急剧下降,致使被困人员无法按疏散路线迅速逃离,被滞留在火场中[4]。被困人员被滞留仅数分钟,就会因为吸入过多火灾烟雾而昏迷,失去逃离火场的能力[5]。

为减少火灾烟雾带来的巨大危害,学者们提出多种烟雾控制手段,按形式可分为防烟法和排烟法。防烟法主要利用建筑物中的卷帘门等,将火灾烟雾隔绝在疏散通道外[6]。这种方式构造简单、成本低廉,但易受多重因素影响,防烟效果不稳定[7]。机械加压送风系统也被广泛用于防烟法中,但该系统的设计极其复杂,即使理论效果较好,也无济于事[8]。

排烟法通过排风机,改变烟雾流向,将火灾烟雾排至建筑物外[9]。该方法可在排烟的同时,排出部分热量,从而降低建筑物温度,对人员疏散起一定的助力作用。可这一过程也带来了新鲜空气,有加剧火势的风险。在实际火场中,排风机也常因断电而无法工作,成为一个摆设。同时,还有部分学者借助消防水雾来消除火灾烟雾[10]。该方法虽效果较好,但喷洒出的水雾往往会滞留在逃生通道中,进一步降低火场能见度。因此,亟需一种有效的火灾烟雾控制手段。

火灾烟雾的主要组分为气溶胶细颗粒,而声波团聚技术在细颗粒物排放控制领域具有巨大优势,该技术可作为一种全新的火灾烟雾控制手段被应用[11]。声波团聚技术通过高强声场促进细颗粒之间的相对运动和碰撞效率,使得细颗粒在短时间内被团聚为大颗粒。近年来,学者们将该技术与其他团聚方式进行多元耦合,取得较大进展。本文将从声波团聚技术的进展出发,通过电缆烟雾消除实验分析该技术在火灾烟雾控制领域的应用前景。

1 声波团聚技术进展

1.1 声波团聚技术发展现状

1931年,Paterson等[12]通过实验发现声波团聚现象,提出声波团聚技术的相关概念,揭开声波团聚技术的研究序幕。在此后的三十几年中,学者们对该技术的内在机理进行了广泛而深入的研究。1965年,Mednikov[13]较为完整地总结了声波团聚技术的研究成果,并发表了第一本有关声波团聚的著作。此后,由于声源功率的问题始终得不到解决,学者对声波团聚的研究基本停止。直至1970年,未见声波团聚新的研究报道。

20世纪70年代后,各国政府环保意识逐渐增强,对环境空气细颗粒浓度的限定标准日趋严格,使声波团聚的研究重新开始升温。此时,学者们的研究重点从该技术的内在机理转向除尘方面的应用,以期开发出一种新型除尘器。1987年,Reethof[14]发现,在合适的声场作用下,大部分烟尘颗粒被成功团聚,一定程度上体现了该技术在除尘方面的优越性。但是,实验中的声压级已至150 dB,在对人体造成听力方面的困扰时,也使得能耗的问题不可被忽视。

1993年,Hoffmann等[15]从前人的研究中得到启发,开辟出新的技术路线。他们以CaCO3粉末为团聚核,实现粉尘颗粒在低频声场中的有效团聚,并有效降低了设备能耗。1999年,Gallego-Juárez等[16-17]在对锅炉烟尘的团聚实验中,发现10 kHz声波比20 kHz声波的团聚效果更好,表明团聚效果并不与声波频率成正比,纠正了“频率越高效果越好”的错误。

进入21世纪,声波团聚技术逐渐成为一项研究热点,发展迅速。2000年,Capéran等[18]通过对湿度的调节,在显著增强团聚效果的同时,也使得学者的目光不再仅限于对声学参数的优化上。2007年,陈厚涛等[19]发现,低频高强声场可有效团聚亚微米级颗粒,将该技术的作用颗粒范围进一步扩大。2009年,张光学[20]发现燃煤飞灰在1.4 kHz的声场中团聚效果最佳,即存在最佳频率。该频率的发现,可令燃煤电厂在低能耗的情况下实现对飞灰的有效控制。2011年,杨振楠等[21]通过探究气氛对团聚效果的影响,不仅得出了最佳气速,也进一步开拓了学者的思路。2012年,王洁[22]对声场环境展开研究,发现高温可使得团聚速率进一步提升。2018年,赵云等[23]将燃煤烟气置于167 dB的高强声场下,发现PM2.5脱除率接近100%,即完成完全脱除。2019年,Fan等[24]将目光投向团聚颗粒本身,发现颗粒的粒径若存在明显差异,将不会发生碰撞团聚。2020年,Shi等[25]通过对声场压力、温度的研究,发现细颗粒物可在高温高压的环境中保持较高的团聚效率,表明声波团聚受环境因素较小。2020年,赵天昊[26]尝试将声波团聚与除尘装置结合起来,研发一种可处理极细颗粒的除尘装置,从根本上解决粉尘污染。

此外,从近年的研究中不难看出,学者们的研究逐渐多元化,表现为将声波团聚技术与其他团聚方式进行耦合。2014年,颜金培等[27]将蒸汽相变与声波进行耦合,将细颗粒的团聚效率从40%增长到80%,一定程度上证明了多元耦合的可行性。2018年,祖坎[28]利用数值模拟,将声场和声雾进行耦合,得到细颗粒的粒径变化趋势,为之后可能进行的多场耦合作用提供思路。2020年,陶威等[29]发现声波与喷雾耦合之后,能耗有所下降,适应了我国节能减排的政策。2021年,张宇擎等[30]将声波与化学团聚进行耦合,发现团聚速率有了显著提高。此外,也有学者利用多场协和作用来处理一些难处理的细颗粒[31]。

还有一些学者对声波团聚在实际工程领域的可行性进行了探索。早在20世纪50年代,国外便有人将声波团聚技术运用于工业领域[32]。2017年,解建坤等[33]依据声波团聚技术,开发了一种新型工业装置,对电厂生产过程中产生的细颗粒进行有效处理。在2019年,国内有公司将声波团聚技术应用于转炉烟气除尘,成功实现超低排放[34]。2020年,Zhang等[35]在经过广泛而深入的研究后,首次将声波团聚运用于火灾烟雾控制领域,为火场消烟提供了新的思路,引发了众多学者的兴趣。最近,曹志勇等[36]发现声波团聚可在短时间内有效消除电站发生火灾时的烟雾,进一步验证了声波团聚技术在火灾烟雾控制领域的可行性。

1.2 声波团聚机理

声波团聚是指在高强声场的持续作用下,气溶胶颗粒之间发生碰撞,使气溶胶的平均粒径值在短时间内迅速提高,显著降低气溶胶的数量浓度的过程[37]。该过程如图1所示。

图1 声波团聚过程示意Fig.1 Acoustic wave agglomeration process

近百年来,国内外学者在深入研究声波团聚现象后,归纳出多种解释机理。在这些机理中,学者们普遍认为同向团聚机理、声波尾流效应是团聚过程中最关键的机理[38]。除此之外,声致湍流也是学者们研究的重点。

同向团聚机理由Mednikov等[13]在1965年提出,表现形式如图2所示。该机理的基础是粒径大小不同的颗粒惯性存在差异,受振荡气体介质的挟带程度也不同。在声场中,粒径较小的颗粒易被挟带,粒径较大的颗粒不易被挟带。这将导致大小颗粒之间的相对运动,从而发生碰撞和团聚[39]。该机理的提出,引发了学者对颗粒挟带程度的兴趣。Temkin等[40]通过实验总结出了不可压缩、黏性流体的颗粒挟带函数。Song等[41]对粒径较大的颗粒进行研究,由实验数据进一步发展了颗粒挟带函数。

图2 同向团聚机理示意Fig.2 Synthetic aggregation mechanism schematic

虽然同向团聚机理较好地解释了声波团聚的过程,但该机理忽略了颗粒的形状等因素。Dong等[42]也发现颗粒重力在声波团聚过程中不可忽视,因此研究其他团聚机理仍很有必要。

声波尾流效应由Dianov等[43]在1968年提出,是指颗粒在流场中因压力差而碰撞团聚[44],表现形式如图3所示。颗粒在声场中做往复运动时,后方会形成一个低压尾流区。当某一颗粒进入另一颗粒的低压尾流区时,其运动阻力将会下降,从而加速向前方颗粒靠近。待到声波的下半个周期,角色互换。两颗粒在声波尾流的作用下持续靠近,最终碰撞在一起并团聚[45]。

图3 声波尾流效应示意Fig.3 Sonic wake effect

Dianov的理论模型一直为学者们所沿用,直到半个多世纪后。2018年,Zhang等[44]发现该模型存在错误,并构建了一种新的声波尾流模型。新模型相较于原模型更加精确,并可用于高浓度气溶胶的声波团聚数值模拟。之后,张云峰等[46]发现颗粒放置角度会对声波尾流效应造成影响,随着放置角度的改变,颗粒之间的吸引和排斥作用随之改变。

此外,声致湍流指声场强度在提升至某一阈值时,声场内会发生剧烈的相对运动,令声场内的颗粒相互靠近并团聚[47]。该机理也是学者们研究的重点机理之一。Chou等[48]发现惯性湍流对声波团聚影响较大。Malherbe等[49]在前人的基础上,进一步研究了不同类型湍流对声波团聚过程的影响。他们发现扩散湍流对粒径相差不大的颗粒影响大,而对于粒径相差较大的颗粒,惯性湍流的影响更大。

2 声波团聚在消除火灾烟雾的应用

2.1 声波团聚消烟方法的提出

气溶胶细颗粒是造成火灾烟雾能见度低的主要因素,若能将其团聚,减少颗粒数量浓度,可以大幅提高火场能见度,起到消烟的效果。在此启发下,Zhang等[35]将声波团聚技术引入火灾烟雾控制领域,在国际上首次提出声波团聚消除火灾烟雾的技术路线,并对该技术在实际火灾中消除烟雾的潜在应用进行了讨论。

聚苯乙烯作为生活中最常见的可燃物之一,燃烧后会产生大量浓郁的黑烟,对受困人员逃生造成极大阻碍。Zhang等[35]以聚苯乙烯为燃烧对象,收集聚苯乙烯燃烧烟雾进行实验。实验结果表明,初始状态下的烟雾消光系数极高,透光度仅为0.24,人员身处该烟雾中时根本无法分辨方向,难以逃生。但在声波的团聚作用下,这种能见度极低的烟雾却在短时间内被消除干净,不再对人员逃生形成阻碍。此实验证明了声波团聚消烟方法的可行性。

在声波消烟的实验探究中,Zhang等[35]发现声波对火灾烟雾的团聚作用,在1.5 kHz时效果最佳,即存在最优频率。当频率偏离该最优值时,团聚效果大幅度降低。该现象与同向团聚定理所述一致,表明高低频率之间存在某一频率,使得大颗粒接近静止状态,而细颗粒仍随气体介质发生振动[50]。同时,颗粒振动受到流体力学作用的影响,故声波团聚实际上是一个耗能过程,具体表现为声波功率与团聚效率成正比,直到相应的非线性效应显著增加[51]。同时,在声波团聚过程的早期,高浓度烟雾的团聚效率远高于低浓度的烟雾,而在后期,这种差异趋于消失。

2.2 声波团聚消烟的实验结果

电缆作为火场中常见的可燃物,电缆烟雾在火灾烟雾中占比较大。本文以电缆烟雾作为团聚对象,采用1.5 kHz声源,进行声波团聚消烟的实验研究。由图4可见,初始时刻收集的电缆烟雾颗粒浓度极高,光线经过团聚室时形成明显光路。而在施加声场0.5 min后,光路强度明显下降。1 min后,光路完全消失不见。这一现象是因为声波团聚过程中,颗粒之间发生碰撞,使得细颗粒成长为大颗粒;重力作用下,大量超重的聚集颗粒发生沉降,降低了烟雾的数量和质量浓度。结果,减弱了光的遮蔽效果,大大提高了烟雾可见度。

图4 声波团聚过程中的烟雾照片Fig.4 Photos of smoke during acoustic agglomeration

透光度是透射烟雾后的光强与入射光强的比值,可直观反映烟雾疏密。图5为团聚室内透光度的变化情况。初始状态下的团聚室内透光度极低,仅为0.24。但对电缆烟雾施加声场后,透光度在1 min内就提高到了0.82。与之相较的自然沉降,在相同的时间内,其透光度没有明显的变化。表明声波团聚技术对电缆烟雾存在突出的团聚效果,可在短时间内提高火场内光线的透光度(即能见度),为受困人员逃离火场提供便利。

图5 有无声波时透光度的变化趋势Fig.5 Variation trend of transmittance with or without sound waves

本文使用尺寸为0.3 cm×0.3 cm的导电胶对电缆烟雾进行了采样,将团聚前和团聚后的颗粒收集至导电胶上,拍摄扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)图,如图6所示。图6(a)为电缆烟雾颗粒团聚前的微观样貌,呈现细小的链式结构;使用频率为1.5 kHz、声功率为12 W的声波对烟雾颗粒进行团聚,烟雾颗粒团聚后的微观样貌如图6(b)所示,可见细颗粒在声场中发生快速团聚,形成直径约为100 μm的松散絮状团聚体。

图6 团聚前后颗粒粒径变化Fig.6 Changes of particle size before and after agglomeration

2.3 声波团聚用于火场消烟中的前景及挑战分析

21世纪是我国城市化和经济发展的重要阶段,城市高楼林立,建筑密度达到有史以来的峰值。同时,建筑物内可燃物数量也不断增加,致使火灾发生的概率急剧增长。烟雾作为火场中最致命的因素,对受困人员产生巨大威胁[52]。学者为减少火灾烟雾所带来的巨大危害,提出多种烟雾控制手段。可这些手段并不能很好地帮助火场受困人员逃生,火灾烟雾对受困人员的威胁仍然存在,为火灾烟雾控制领域寻找一种切实可行的控制手段势在必行。

张光学等[53]提出的声波消烟方法,与依托自然通风系统的防烟法相比较,不易受风向等诸多因素影响,消烟效果较好。而与排烟法相比,声波消烟不会带来新鲜空气,对被困人员逃生不会造成威胁。同时,声波消烟还具备作用时间短这一优势,1 min内就能很大程度上消除火场内充斥的烟雾,为人员安全逃离火场提供保障。

然而,微细颗粒的团聚与解团聚、分散是一个复杂而又动态、受多种因素影响的非稳态平衡过程。从SEM图中不难发现,微粒并不是简单的、大小不一的刚性粒子,而是可能不会弹性碰撞的、有各种聚合状态可以断裂、分散,也可能缠绕成团的族状聚合物,需要对微粒的成分组成、结构、形态和聚集状态展开进一步研究。而火场作为开放环境,在无人机等装置无法靠近的情况下,如何形成有限空间,并最大限度上减少距离导致的声强衰减和能耗,也是不可忽视的因素。

基于上述挑战,今后声波团聚消烟的研究分为两方面:一方面是对微细颗粒本身及团聚环境的研究,另一方面则是研究如何在火场中保持一定的团聚效果。此外,在走向实际应用的过程中,操作技术与工艺、设备上也有许多因素需要考虑,做出较大改进势在必行。

3 结论

声波团聚技术在经过近百年的发展后,在实验及机理两个不同方面上都取得了极大进展。近年来,学者们在声波团聚与其他团聚方式的多元耦合方法上取得一定进展,且对声波尾流的模型做出修正。而声波消烟方法的提出,更是将声波团聚技术应用于一个新的领域中,为火灾烟雾控制领域提供了新的思路和方法。本文在对声波消烟技术进行阐述的基础上,对另一种火场内常见烟雾展开实验,得到的团聚效果显著。这也进一步佐证了声波消烟方法的可行性与优越性。

声波消烟方法虽在实验室的研究中取得一定进展,但在走向实际应用的过程中仍存在一些挑战,需要展开更多的实验研究,并在操作技术、设备上做出较大改进。若能把这些挑战一一克服,将声波消烟作为一种有效控烟手段应用于实际火场中,可为被困人员迅速撤离提供强有力的保障。

猜你喜欢

声场声波火场
美国非裔团体缘何“声场”强大
声波杀手
声波实验
某型高速导弹气动噪声研究
《夺宝奇兵》音乐音响技巧分析
论现代录音技术在声乐训练中的作用
前方火灾,超人出动!
“隐身 金字塔”
声波大炮