蔣耀港，馬宏昊，沈兆武，程揚帆，范志強，汪 泉

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系，安徽 合肥 230027）

針對特殊火場火災(zāi)（如高樓火災(zāi)、森林火災(zāi)等），各種新的滅火思想和消防設(shè)備應(yīng)運而生，如激波滅火［1］。對激波滅火的真正研究始于20世紀(jì)90年代初，A.M.Grishin等［2］從實驗、模擬和實際觀察等方面對激波與林冠火相互作用做了研究。張艷等［3］、常熹鈺等［4］通過實驗和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)激波可以撲滅林冠火。但激波的高溫、高壓特性使激波在滅火的同時也會對火場周邊造成不同程度的損傷。沈兆武等［5－6］結(jié)合 FAE （fuel－air explosive）戰(zhàn)斗部思想提出了冷激波滅火的方法，該方法通過把激波能量轉(zhuǎn)化為滅火介質(zhì)的動能作用于火場區(qū)域來實現(xiàn)滅火。M.W.Glass［7］通過對FAE的研究發(fā)現(xiàn)，中心裝藥爆轟后，82%的能量用于液體燃料的動能和內(nèi)能增加，18%的能量用于爆生氣體的動能和內(nèi)能增加，但并不能據(jù)此準(zhǔn)確推測FAE起爆后在空中形成的激波強度。而作為冷激波滅火系統(tǒng)，滅火介質(zhì)不僅有水基滅火介質(zhì)，還有粉基滅火介質(zhì)。因此，為了有效研究冷激波的滅火機理，必須研究冷激波滅火彈起爆后形成的激波對滅火效果及周邊環(huán)境的影響。

1 紋影實驗

紋影實驗裝置如圖1所示：爆炸箱采用45鋼焊接而成，尺寸為300mm×300mm×300mm，壁厚為10mm；窗口采用150mm×150mm×10mm的鋼化玻璃；攝像采用OPTRONIS CR1000高速攝影機，拍攝頻率為104s－1。爆炸拋撒裝置如圖2所示，滅火介質(zhì)裝填直徑為6.8mm，長度根據(jù)裝填質(zhì)量而定。實驗時，爆炸拋撒裝置被豎直固定在實驗箱頂部中心處，紋影視場高120mm，寬11.5mm。

采用碳酸氫鈉粉體和水作為滅火介質(zhì)，粉體的表觀密度為1.1g／cm3，水的密度為1g／cm3，其他參數(shù)見表1，me為RDX炸藥的質(zhì)量，mm為滅火介質(zhì)的質(zhì)量。點火時刻為零時刻，實驗結(jié)果見圖3。

從圖3（a）～（b）的粉基滅火介質(zhì)爆炸拋撒紋影圖片中能觀察到激波現(xiàn)象，已用黑線標(biāo)出；而圖3（c）～（d）的水基滅火介質(zhì)爆炸拋撒紋影圖片中，即使增大比藥量，也未觀察到激波現(xiàn)象，即水基滅火介質(zhì)爆炸拋撒后未能在空中形成激波。根據(jù)窗口尺寸比率和拍攝頻率計算得到實驗1和實驗2的激波速度分別約為443和473m／s。

圖1 紋影裝置Fig.1 Schlieren apparatus

圖2 滅火介質(zhì)爆炸拋撒裝置Fig.2 An explosion and dispersion apparatus for fire－extinguishing media

表1 紋影實驗參數(shù)Table1 Parameters of schlieren experiment

圖3 紋影實驗結(jié)果Fig.3 Results of schlieren experiment

2 理論分析

對于水基滅火介質(zhì)，由于水具有不可壓縮性，且水的波阻抗遠大于空氣的波阻抗，因此在圖3（c）～（d）的紋影實驗圖片中未觀察到激波現(xiàn)象；而對于粉基滅火介質(zhì)，由于其存在大量孔隙［8］，中心裝藥爆轟后沖擊波在粉體內(nèi)傳播，使顆粒破碎、重排等，從而不斷壓縮顆粒間的孔隙空氣，使粉體介質(zhì)爆炸拋撒后在空氣中形成激波。

火焰面處激波強度和波后質(zhì)點速度分別為：

式中：Δp為波陣面上的超壓（100kPa）；v0、p0和V0分別為波前介質(zhì)速度（m／s）、壓強（取100kPa）和氣體質(zhì)量體積（取0.775 2m3／kg）；v1和p1分別為波后介質(zhì)速度和壓強；vd為激波速度（m／s）；K 為氣體的多方指數(shù)，取1.4。

假定初始速度v0為零，把實驗所得出口處激波速度代入式（1）～（2）可得：波后壓強p1為194kPa，超壓為94kPa，波后質(zhì)點速度為165m／s。盡管出口處波后質(zhì)點速度較大，但是激波在空氣中傳播時，由于幾何耗散，激波強度會隨傳播距離的增加而急劇衰減，其衰減關(guān)系［9］為

實驗中激波速度測點距離拋撒裝置5cm，而以尺寸為1m×1m的油盆火為例，激波要驅(qū)動可燃?xì)怏w進入火焰面，需要傳播約1m的距離，即折合距離增大20倍，由式（3）可得，爆炸超壓衰減95%以上。波后質(zhì)點速度

波后質(zhì)點速度也衰減95%以上，即此時1m處的質(zhì)點速度低于8.25m／s。實驗1中滅火粉體被裝填在強約束的管中，裝填長度為5mm，滅火粉體在爆生氣體作用下沿管道向外噴射，因此可假設(shè)為一維情況；而空中爆炸拋撒是三維情況，需考慮幾何耗散，由量綱分析可得

圖4 介質(zhì)拋撒位移時程曲線Fig.4 Displacement－time profile of dispersion medium

式中：Δp0為拋撒裝置出口處的爆炸超壓；Δp′0為球形裝藥結(jié)構(gòu)下，同等藥量、同等距離處的爆炸超壓為實驗1中的折合距離。

實驗2中冷激波滅火彈中拋撒藥采用柱形裝藥，裝藥質(zhì)量me為3g，裝藥密度為1.2g／cm3，內(nèi)徑r為6.8mm，粉體裝填半徑為5.2cm，因此，有［10］

式中：Δp1為冷激波滅火彈粉體邊緣處的爆炸超壓；Δp′1為球形裝藥結(jié)構(gòu)下，同等藥量、同等距離處的爆炸超壓為實驗2中的折合距離。

綜合式（6）和式（7）可得：Δp0＞Δp1。因此對于普通冷激波滅火彈（比藥量小于0.3%），即使是粉基滅火介質(zhì)，爆炸拋撒所形成的激波強度也是非常微弱的。當(dāng)弱激波到達燃燒火焰面時，所引起的波后質(zhì)點速度（即可燃?xì)怏w運動速度）低于8.25m／s。對比介質(zhì)拋撒所引起的可燃?xì)怏w運動，如圖4所示，介質(zhì)前沿以近似恒定的速度穿越油盆區(qū)域，其速度約為80m／s，即介質(zhì)前沿可燃?xì)怏w向外運動的速度約為80m／s，遠大于激波引起可燃?xì)怏w向外運動的速度。因此冷激波滅火彈爆炸所形成的激波對加快可燃?xì)怏w的燃燒作用和后續(xù)的阻氧作用幾乎可以忽略；同時由于激波較弱，其對周邊環(huán)境的影響也可以忽略不計。

3 驗證實驗

為了驗證上述理論結(jié)果，采用圖5所示的實驗裝置拍攝冷激波滅火彈撲滅油盆火的過程。油盆尺寸為1m×1m，滅火彈尺寸為?110mm×180mm，拋撒藥質(zhì)量為3g，燃料選用90汽油，高速攝像的拍攝頻率為4×103s－1。油盆點火后，預(yù)燃一段時間，火焰面基本穩(wěn)定后起爆冷激波滅火彈，滅火過程如圖6所示。

圖5 冷激波滅火實驗裝置Fig.5 Experimental apparatus for cold shock wave extinguishing fire

圖6 冷激波滅火實驗過程Fig.6 Fire－extinguishing process by cold shock wave extinguishing bomb

以冷激波滅火彈起爆時刻為零時刻，0≤t＜3ms，火焰面向外折疊，由殼體高速膨脹運動和拋撒藥爆炸所形成的激波引起的擾動向外傳播；t＝3ms，火焰面開始回縮，直到t＝5ms結(jié)束；冷激波滅火彈起爆后，滅火介質(zhì)穿越火場，推動可燃?xì)怏w到達火焰面，使火焰面亮度逐漸增大，同時滅火介質(zhì)逐漸隔斷火焰面和汽油；t＝48ms后，明火被冷激波滅火彈撲滅。

圖7 區(qū)域A和B的位置Fig.7 Location of regions Aand B

本次高速攝影圖片像素為400×248，圖像由0～255個色階組成（0代表黑色，255代表白色），其中高色階色素所占圖片色素百分比越多，代表燃燒越劇烈。選取每張圖片同等位置處的A、B等2個區(qū)域，如圖7所示；考察A、B等2個區(qū)域高色階色素所占圖片色素的百分比隨時間的變化情況，如圖8所示。

由圖8可知，t＜5ms，各區(qū)域高階色素（230以上）百分比變化不大，即激波對燃燒速率的影響較??；t≥5ms，滅火介質(zhì)推動可燃?xì)怏w到達火焰面，使各區(qū)域的高階色素百分比逐漸增大，即各區(qū)域燃燒速率逐漸增大；隨后滅火介質(zhì)隔斷火焰面和油盆，各區(qū)域高階色素百分比逐漸減小，即燃燒速率逐漸減小，直至火焰熄滅。由此證明介質(zhì)拋撒對加快可燃?xì)怏w燃燒的作用大于激波的影響。因此該實驗驗證了冷激波滅火彈中激波對滅火效果和周邊環(huán)境的影響可以忽略的結(jié)論。

圖8 不同區(qū)域色素百分比時程曲線Fig.8 Pigment percent－time profiles in different regions

4 結(jié) 論

（1）在0.3%的比藥量下，粉基冷激波滅火彈爆炸后會在空中形成弱激波，而水基冷激波滅火彈爆炸后只能在空中形成擾動（由殼體高速運動引起）。

（2）對比滅火介質(zhì)拋撒加快可燃?xì)怏w燃燒（加快滅火）的效果，冷激波滅火彈爆炸形成的激波對加快可燃?xì)怏w燃燒的效果是可以忽略的；同時激波對周邊環(huán)境的危害也是可以忽略的。因此冷激波滅火系統(tǒng)通過能量轉(zhuǎn)換盡管降低了激波對滅火效果的影響，但同時也降低了激波危害，改善了激波滅火方法。

［1］冶金工業(yè)部安全技術(shù)研究所.蘇聯(lián)統(tǒng)一爆破安全規(guī)程［M］.武漢：冶金工業(yè)部安全技術(shù)研究所，1983：284.

［2］Grishin A M，Kovalev Y M.Experimental and theoretical investigation of the effect of an explosion on the front of crown forest fires［J］.Combustion，Explosion and Shock Waves，1989，25（6）：724－730.

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［5］蔣耀港，沈兆武.比藥量對冷激波滅火彈滅火效果的影響［C］∥劉殿書.爆破工程新技術(shù)Ⅱ.北京：冶金工業(yè)出版社，2008：875－880.

［6］蔣耀港，沈兆武，馬宏昊.冷激波滅火彈的滅火機理及應(yīng)用研究［J］.火災(zāi)科學(xué)，2007，16（4）：226－231.Jiang Yao－gang，Shen Zhao－wu，Ma Hong－h(huán)ao.Mechanism and application of cold shock wave fire extinguishing bomb［J］.Fire Safety Science，2007，16（4）：226－231.

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