杜文鋒，戴仕杰

(中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院消防工程系，河北廊坊 065000)

細(xì)水霧滅火技術(shù)具有滅火效率高，水漬損失小等優(yōu)點(diǎn)，利用細(xì)水霧滅室內(nèi)火是消防科技的重點(diǎn)研究領(lǐng)域之一［1－8］。開口通風(fēng)對(duì)細(xì)水霧滅室內(nèi)火有重要影響。目前，對(duì)細(xì)水霧滅墻壁開口的室內(nèi)火已進(jìn)行了廣泛研究，并取得了許多重要成果［2，4－7］，但對(duì)細(xì)水霧滅頂棚開口的室內(nèi)火則鮮有研究［1，3，8］。由于頂棚開口和墻壁開口兩種情況下室內(nèi)外氣體流動(dòng)交換和室內(nèi)燃燒狀況均有較大差別，因此可以預(yù)期，細(xì)水霧滅頂棚開口的室內(nèi)火的滅火效果應(yīng)與墻壁開口的室內(nèi)火滅火效果有較大的區(qū)別。鑒于此，本文將實(shí)驗(yàn)研究不同開口方位對(duì)細(xì)水霧滅火效果的影響，以求了解開口狀況對(duì)細(xì)水霧滅火效果的影響，為細(xì)水霧滅火技術(shù)的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 開口設(shè)置

滅火實(shí)驗(yàn)在圖1所示的燃燒室中進(jìn)行。燃燒室長(zhǎng)、寬、高均為1.5 m。燃燒室前壁為5 mm厚的鋼化玻璃，其余壁面由水泥石膏板制成。通過前壁鋼化玻璃可觀察室內(nèi)油盤火燃燒和煙氣流動(dòng)的情況。為方便室內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)施的安放和調(diào)整，試驗(yàn)箱一側(cè)設(shè)有尺寸為1.5 m×1.0 m的門。頂棚開口根據(jù)研究需要取三種開口位置中的一種:中央開口、頂棚邊緣開口和頂棚角落開口。墻壁開口位于一面墻的水平對(duì)稱位置，其上邊沿與頂棚距離保持20 cm不變。所有開口均為正方形，開口面積根據(jù)需要取15 cm×15 cm、20 cm×20 cm、25 cm×25 cm和40 cm×40 cm等四種尺寸之一。

圖1 燃燒室及其開口位置示意圖

1.2 細(xì)水霧滅火系統(tǒng)

細(xì)水霧滅火系統(tǒng)由細(xì)水霧噴頭、空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)水罐、比例減壓閥、壓力計(jì)和控制裝置等部分組成。儲(chǔ)水罐額定壓力為1.5 MPa。噴頭出口水壓為1.0 MPa。燃燒室頂棚正中心垂直向下安裝一個(gè)由山東亞特美噴霧有限公司生產(chǎn)的細(xì)水霧噴頭，其主要工作參數(shù)如表1所示。

表1 細(xì)水霧噴頭主要參數(shù)

1.3 室內(nèi)火源

室內(nèi)火源為圓形柴油油盤火，位于燃燒室地板中心位置，其熱釋放速率取決于油盤面積和室內(nèi)燃燒條件。考慮到本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究特定開口情況對(duì)細(xì)水霧滅火效果的影響，因此，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)以火源直徑(代表火源面積)表征火源的熱釋放速率，而不具體考慮燃燒條件的改變對(duì)火源熱釋放速率的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，油盤直徑取15 cm、25 cm、35 cm和45 cm等四個(gè)值。

1.4 數(shù)據(jù)測(cè)量

油盤點(diǎn)火時(shí)，油盤尺寸、環(huán)境條件等因素對(duì)油面燃燒熱釋放速率和穩(wěn)定火焰的形成時(shí)間有較大影響。為了統(tǒng)一滅火初始條件，降低這些因素對(duì)細(xì)水霧滅火效果的影響，每次點(diǎn)火后，先讓油盤在室內(nèi)燃燒50秒，使油面上方形成穩(wěn)定火焰，之后啟動(dòng)細(xì)水霧滅火，并記錄細(xì)水霧的滅火時(shí)間。

為了消除試驗(yàn)誤差，每個(gè)實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行兩次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取兩次實(shí)驗(yàn)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 滅火時(shí)間的一般變化規(guī)律

細(xì)水霧滅室內(nèi)火時(shí)，滅火時(shí)間取決于燃燒室的構(gòu)造、室內(nèi)可燃物的燃燒狀況和細(xì)水霧的工作狀況。顯然，在本文規(guī)定的實(shí)驗(yàn)條件下，細(xì)水霧的滅火時(shí)間僅取決于開口狀況和油盤直徑。大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，雖然不同開口條件對(duì)滅火時(shí)間的具體數(shù)值有影響，但并不影響滅火時(shí)間的定性變化規(guī)律。因此，本文以墻壁開口為例對(duì)細(xì)水霧滅火時(shí)間隨開口面積和油盤直徑(代表室內(nèi)燃燒熱釋放速率)變化的一般規(guī)律加以說明。

圖2給出了墻壁開口時(shí)滅火時(shí)間隨油盤直徑和開口面積的變化關(guān)系?？梢郧逦目闯?，細(xì)水霧的滅火時(shí)間呈現(xiàn)兩大規(guī)律:一是隨著油盤直徑的增大，滅火時(shí)間逐漸減小;二是對(duì)相同直徑的油盤火或相同的火源熱釋放速率，細(xì)水霧的滅火時(shí)間隨著開口面積的增大而增大，但當(dāng)油盤直徑增大到45 cm時(shí)，開口面積的變化對(duì)細(xì)水霧的滅火時(shí)間影響很小。

圖2 墻壁開口時(shí)的細(xì)水霧滅火時(shí)間曲線

細(xì)水霧的滅火時(shí)間之所以隨著油盤直徑的增大而減少，是以下原因共同作用的結(jié)果:(1)火源熱釋放速率越大，室內(nèi)的溫度越高，水霧蒸發(fā)形成的水蒸氣數(shù)越多，因此，水蒸氣對(duì)氧氣濃度的稀釋作用越明顯;(2)火源熱釋放速率越大，燃燒耗氧速率越大，因此，室內(nèi)氧氣濃度下降越迅速;(3)熱釋放速率越大意味著燃燒的產(chǎn)煙速率越大，因此，室內(nèi)煙氣量聚積越迅速。在細(xì)水霧的沖擊混合下，進(jìn)入到燃燒區(qū)域起滅火作用的煙氣量越多。

當(dāng)油盤直徑45 cm時(shí)，開口面積的變化對(duì)細(xì)水霧滅火時(shí)間影響不明顯。作者認(rèn)為這是因?yàn)楫?dāng)油盤直徑在45 cm時(shí)，燃燒產(chǎn)煙速率相對(duì)于開口處的排煙速率很大，因此，在本文限定的開口面積范圍內(nèi)，無(wú)論開口面積怎樣變化，通過開口流出的煙氣總是室內(nèi)產(chǎn)煙速率，導(dǎo)致室內(nèi)煙氣迅速聚積和火源附近的氧氣濃度迅速降低，從而使油盤火易于被細(xì)水霧撲滅;而當(dāng)火源熱釋放速率很小時(shí)，例如油盤直徑為15 cm時(shí)，煙氣生成量較小，室內(nèi)煙氣聚積速度的決定因素是開口面積。開口面積越大，煙氣溢出越迅速，室內(nèi)煙氣聚積對(duì)火源燃燒的影響越小。因此，開口面積越大，細(xì)水霧滅火時(shí)間越長(zhǎng)。反之，開口面積越小，滅火時(shí)間越短。

2.2 開口位置對(duì)滅火時(shí)間的影響

圖3給出了不同開口面積和開口位置時(shí)，滅火時(shí)間隨油盤直徑的變化曲線。從圖可知，開口位于墻壁和頂棚時(shí)，滅火時(shí)間均隨油盤直徑的增大而減小，但兩種開口位置情況下的滅火時(shí)間有較大差別。當(dāng)油盤直徑較小，例如，當(dāng)油盤直徑為15 cm時(shí)，墻壁開口時(shí)的細(xì)水霧滅火時(shí)間大于頂棚開口時(shí)的細(xì)水霧滅火時(shí)間;而當(dāng)油盤直徑為35 cm和45 cm時(shí)，墻壁開口時(shí)的滅火時(shí)間小于頂棚開口時(shí)的滅火時(shí)間。即火源熱釋放速率存在某一臨界值，當(dāng)火源熱釋放速率小于臨界值時(shí)，墻壁開口的滅火時(shí)間大于頂棚開口的滅火時(shí)間;反之，當(dāng)熱釋放速率大于此臨界值時(shí)，墻壁開口的滅火時(shí)間小于頂棚開口的滅火時(shí)間。

對(duì)兩種開口位置的滅火時(shí)間的差異可作如下解釋:

圖3 墻壁開口和頂棚開口時(shí)的滅火時(shí)間曲線

文獻(xiàn)［1，3］對(duì)頂棚開口情況下開口處的煙氣和空氣進(jìn)行了詳細(xì)研究。研究表明，當(dāng)開口位于墻壁時(shí)，開口處高溫?zé)煔鈴拈_口上部流出，空氣從開口下部流入，雖然高溫?zé)煔夂涂諝饬鲃?dòng)方向相反，但二者占據(jù)同一開口的不同部位，因此，在開口處空氣流動(dòng)和煙氣流動(dòng)相互之間影響較小。由于高溫?zé)煔鈱釉诟×ψ饔孟率冀K處于空氣的上方，因此，空氣進(jìn)入室內(nèi)后，能夠直接進(jìn)入燃燒區(qū)域支持燃燒持續(xù)進(jìn)行。而當(dāng)開口位于頂棚時(shí)，煙氣流出開口和空氣流入開口的方向相反，且占有相同的通道。因此，二者相互阻礙，既不利于煙氣流出，也不利于空氣流入。

當(dāng)油盤直徑為15 cm時(shí)，由于燃燒產(chǎn)煙速率較小，被水霧射流攜帶進(jìn)入燃燒區(qū)域的煙氣較少，因此，燃燒是否熄滅主要取決于氧氣的補(bǔ)充速度和細(xì)水霧對(duì)燃燒反應(yīng)的抑制。當(dāng)開口位于墻壁時(shí)，由于煙氣與空氣通過開口時(shí)的分層流動(dòng)特征，外界空氣比頂棚開口時(shí)更容易進(jìn)入火源支持燃燒。因此，在相同的細(xì)水霧作用條件下，細(xì)水霧滅火時(shí)間高于頂棚開口時(shí)的滅火時(shí)間。

隨著油盤直徑的增加，燃燒產(chǎn)煙速率越來(lái)越大。在此情況下，隨細(xì)水霧進(jìn)入燃燒區(qū)域的煙氣成分成為重要的滅火介質(zhì)。在墻壁開口的情況下，由于開口上沿與頂棚存在20cm的距離，因此，煙氣將在頂棚下方形成一定體積的蓄煙池。而當(dāng)開口位于頂棚時(shí)，煙氣在形成頂棚射流時(shí)即開始從開口處溢出，在此情況下，煙氣在頂棚下方的聚積速度將明顯不如墻壁開口時(shí)頂棚下方的煙氣聚積速度大。正是由于墻壁開口時(shí)室內(nèi)蓄煙能力較強(qiáng)，因此，當(dāng)室內(nèi)燃燒速率較大，例如，油盤直徑為35 cm和45 cm時(shí)，隨同細(xì)水霧一起進(jìn)入燃燒區(qū)域的煙氣對(duì)燃燒起較大的抑制作用。因此，墻壁開口時(shí)的細(xì)水霧滅火時(shí)間小于頂棚開口時(shí)的細(xì)水霧滅火時(shí)間。

從圖3還可以看出，當(dāng)開口位于頂棚中央、頂棚邊沿和頂棚角落時(shí)，對(duì)于相同的火源，細(xì)水霧滅火時(shí)間依序減小。這是因?yàn)槿N情況下空氣進(jìn)入燃燒區(qū)域的距離依序增大，不利于補(bǔ)充燃燒耗氧的結(jié)果。對(duì)此，文獻(xiàn)［8］已進(jìn)行了系統(tǒng)研究與說明。

3 結(jié)論

綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果及理論分析，得到以下重要結(jié)論:

(1)無(wú)論開口位于墻壁還是頂棚，細(xì)水霧滅火時(shí)間均隨著開口面積的增大而增大，隨著燃燒熱釋放速率的增大而減小。

(2)當(dāng)火源熱釋放速率小于某一臨界值時(shí)，墻壁開口時(shí)細(xì)水霧的滅火時(shí)間比頂棚開口時(shí)細(xì)水霧的滅火時(shí)間長(zhǎng)。而當(dāng)火源熱釋放速率大于該臨界值時(shí)，墻壁開口時(shí)的細(xì)水霧滅火時(shí)間小于頂棚開口時(shí)細(xì)水霧的滅火時(shí)間。

(3)分析表明，墻壁開口和頂棚開口兩種情況下，開口處室內(nèi)外氣體交換能力的差異和燃燒室蓄煙能力的差異是導(dǎo)致滅火時(shí)間出現(xiàn)差異的原因。

［1］陳兵.船舶頂部開口艙室油油盤火災(zāi)模擬實(shí)驗(yàn)研究［D］.合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011.

［2］ Chow W.K，Li Y.F.A review on studying extinguishing room fires by water mist［J］.Journal of Applied Fire Science，2003，11(4):367 －403.

［3］ Takeda H.Model experiments of ship fire［C］.In Proceeding of the 22nd Symposium(International)on Combustion.1989.Pittsburgh，PA:The Combustion Institute.

［4］ Liu Z，Kim，A.K.A Review of water mist fire suppression systems-fundamental studies.［R］.NRCC.2000.1.

［5］ Vaari J.A Transient one-zonecomputer model for total flooding water mist fire suppression in ventilated enclosures［J］.Fire Safety Journal，2002，37(3):229 － 257.

［6］ Kim K I，Ohtani H，Uehara Y.Experimental study on oscillating behavior in a small-scale compartment fire［J］.Fire Safety Journal，1993，20(4):377 －384.

［7］ Liu Z，Kim A K.The effect of air convection on the performance of water mist fire suppression systems［R］.ASME Proceedings of the Seventh AIAA/ASME Joint Thermophysics and Heat Transfer Conference，1998:227－236.

［8］杜文鋒，戴士杰.頂棚水平開口對(duì)細(xì)水霧滅室內(nèi)火的影響研究［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2013，32(3):280－293.