尚 超 王克印 黃海英 陳玉昆

(軍械工程學(xué)院，石家莊，050003)

森林火災(zāi)中細水霧云團的滅火效能

尚 超 王克印 黃海英 陳玉昆

(軍械工程學(xué)院，石家莊，050003)

從細水霧滅火技術(shù)的優(yōu)越性出發(fā)，結(jié)合森林火災(zāi)中樹木燃燒立體性的特點，提出了使用細水霧云團撲滅森林火災(zāi)的新思路。從細水霧滅火的降溫作用、隔氧窒息作用以及浸潤作用3個方面入手，通過理論分析，研究了細水霧云團對樹木火災(zāi)的滅火效能，得到了理論公式，并提出了公式的修正方法。對比了球狀、柱狀細水霧云團的滅火效能，得出了在撲滅森林火災(zāi)中，柱狀細水霧云團的效能高于球狀細水霧云團的結(jié)論，可以為新型森林滅火裝備的研制提供一定的理論基礎(chǔ)。

細水霧云團；數(shù)學(xué)模型；滅火效能

Water mist cloud; Mathematical model; Extinguishing effectiveness

森林火災(zāi)是我國常見的自然災(zāi)害，它所造成的危害也是非常巨大的。樹冠火是由地表火遇到強風(fēng)或特殊地形，向上燒至樹冠并沿樹冠蔓延和擴展的林火。樹冠火燃燒溫度高、燃燒強度大、蔓延速度快、破壞性大、不易撲救，對森林的破壞最大。國內(nèi)外對于這種火災(zāi)往往采用航空滅火的手段，但是滅火效果并不佳[1]。細水霧作為一項有效的滅火方式，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于火災(zāi)防治領(lǐng)域[2]，但是將細水霧用于森林火災(zāi)滅火的研究還比較少。森林火災(zāi)在空間具有立體分布的特點，如果細水霧以細水霧云團的形態(tài)與樹冠火作用，將能達到較好的滅火效果。筆者主要研究由炸藥爆轟產(chǎn)生[3]的圓柱體細水霧云團和球體細水霧云團對于森林火災(zāi)的撲滅作用，并總結(jié)出細水霧云團滅火效能的影響因素。

1 細水霧云團滅火機理

細水霧滅火機理有3個，即降溫作用、浸潤作用及隔氧窒息作用。

1.1 降溫作用

水的降溫作用主要體現(xiàn)在溫升和氣化時大量吸熱，降低周圍空氣的溫度。細水霧云中的水滴尺寸很小，表面積很大，所以水滴的表面換熱系數(shù)很大，在環(huán)境溫度高時即迅速氣化。由熱力學(xué)可知，水的氣化潛熱很大，可達2 280 J/g[4]，遠比水溫升吸熱量大得多，因此可以吸收大量熱量，降低火場的溫度。將水霧直接導(dǎo)入火焰鋒面就會因水的蒸發(fā)而大量吸熱。

由于森林火災(zāi)不同于其他類型的火災(zāi)，它的發(fā)生地點是自然環(huán)境，各種自然條件相當(dāng)復(fù)雜，同時，細水霧云團爆轟形成的過程也決定細水霧云團的情況是多種多樣的。為了便于研究，提出以下幾點假設(shè)：

①假設(shè)細水霧云團氣化時，火場氣壓不發(fā)生變化；②假設(shè)無橫風(fēng)作用，保證火焰高溫區(qū)的形狀近似為圓柱體以及細水霧云團的形狀規(guī)整；③爆轟產(chǎn)生的細水霧一般呈梯度分布，這里假設(shè)細水霧云團中細水霧均勻分布；④進入火焰高溫區(qū)的細水霧完全氣化，而邊界之外的細水霧不氣化。

假設(shè)整個細水霧云團中細水霧顆粒均勻分布，形成細水霧云的水的總質(zhì)量為Mm，則圓柱體細水霧云中細水霧平均密度ρm為：

ρm=Mm/Vm。

(1)

式中：Vm為細水霧云團的總體積。

如果設(shè)與火焰鋒面直接作用的細水霧云團體積為V0，則作用于火焰范圍的細水霧質(zhì)量為：

mm=ρmV0。

(2)

又細水霧氣化熱計算公式為：

Qw=cwmmΔTw+ΔQ*。

(3)

式中：Qw為細水霧氣化吸收熱量(J)；cw為水的比熱容；mm為細水霧的質(zhì)量(g)；ΔTw為水的溫度變化(K)；ΔQ*為水的氣化潛熱(J)。

細水霧對火場的降溫作用主要體現(xiàn)在其氣化后吸熱、對火焰極其周圍高溫區(qū)域氣溫的降低上。假設(shè)火焰高溫區(qū)域內(nèi)全部為高溫空氣，空氣溫度變化公式為[4]：

Q=camaΔTa。

(4)

高溫區(qū)域的氣體可以看做理想氣體，則有：

PVa=naRTa，PVa=(ma/Ma)RTa，ma=PVaMa/(RTa)。

(5)

將其代入(4)式得到：

(6)

式中：Q為空氣降溫釋放熱量(J)；Ma為空氣平均相對分子質(zhì)量；ca為空氣平均比熱容(J·g-1·K-1)；Va為火焰高溫區(qū)域體積(m3)；Ta為空氣溫度(K)；R為氣體常數(shù)；P為空氣壓強(Pa)。

假設(shè)進入火焰柱體的細水霧完全蒸發(fā)，并且火焰柱體范圍Va內(nèi)空氣降溫釋放熱量全部被細水霧吸收，即Q=Qw，則根據(jù)公式(5)、(6)得到火焰區(qū)域氣溫降低率ψ與細水霧質(zhì)量的關(guān)系公式：

(7)

結(jié)合(2)式有：

(8)

由于此時水還沒有氣化，不影響空氣中各成分的分壓，Va、Ma都為一定值，故一般情況下，水的氣化溫度ΔTw為100 ℃，也為一個定值。

再結(jié)合(1)式，并令

則(8)式可化為

(9)

1.1.1 球狀細水霧云團

將火焰圓柱體與圓柱體細水霧云團疊合，得出進入火焰范圍的細水霧量。如圖1a、圖1b所示。

a.側(cè)視圖 b.俯視圖

圖1 球狀細水霧云與火焰作用

圖中重疊區(qū)域的體積可以由三維坐標(biāo)空間中的曲面積分求得，設(shè)重疊部分體積為V0q，則：

(10)

式中：Rf為樹木燃燒高溫柱體區(qū)域底面半徑(m)；Rq為球體細水霧云團模型的半徑(m)；l0為火焰近似模型與細水霧云模型對稱軸之間的距離(m)。

1.1.2 柱體細水霧云團

將火焰圓柱體與圓柱體細水霧云團疊合，得出進入火焰范圍的細水霧量。如圖2a、圖2b所示。

圖2b中SZ部分的面積可以通過幾何關(guān)系求得：

(11)

式中：Rf為樹木燃燒高溫柱體區(qū)域底面半徑(m)；RZ為圓柱體細水霧云團模型的半徑(m)；l0為火焰近似模型與細水霧云模型對稱軸之間的距離(m)。

a.側(cè)視圖 b.俯視圖

圖2 柱狀細水霧云與火焰作用

由于疊合部分仍為柱體，則其體積，即作用于火焰柱體的細水霧云團體積V0Z可以表示為：

V0Z=SZ·HZ=f(l0，HZ，Rf)。

(12)

式中：HZ為細水霧云團圓柱體高度。

假設(shè)球體細水霧云團與圓柱體細水霧云團的體積Vm相同，則有

(13)

1.2 隔氧窒息作用

細水霧云團滅火的隔氧窒息作用體現(xiàn)在水完全氣化之后體積膨脹，占據(jù)火場區(qū)域內(nèi)的空間，減少了空氣中氧氣的含量。細水霧云團氣化后，在一段時間內(nèi)，火場一定區(qū)域之外的氧氣不能及時地補充到區(qū)域之內(nèi)，使得此區(qū)域內(nèi)氧氣的氣體分壓減小，氧氣體積分數(shù)減小。當(dāng)氧氣體積分數(shù)減小到樹木燃燒所需最小值之下時，燃燒反應(yīng)便無法繼續(xù)進行，火焰也就熄滅[5]。同樣進行以下假設(shè)：

①細水霧完全氣化后，樹木燃燒一定范圍內(nèi)壓強不變；②空氣中氮氣與氧氣體積分數(shù)始終保持不變，分別為79%和21%，并且忽略其他氣體成分的影響。

細水霧云團氣化之前，在樹木燃燒范圍內(nèi)，近似認為空氣中的成分主要為氧氣與氮氣，其中氧氣在空氣中的體積分數(shù)為21%，氮氣為79%，氧氣和氮氣的分壓力分別為2.06×104、7.75×104Pa。道爾頓定律指出，混合氣體全壓力等于各組成氣體分壓力之和，則有：

P(O2)+P(N2)=P。

(14)

式中：P(O2)為空氣中為氧氣的分壓力(Pa)；P(N2)為空氣中氮氣的分壓力(Pa)；P為空氣氣壓(Pa)。

由于樹木燃燒環(huán)境為大氣環(huán)境，水氣化后可近似地認為火場一定區(qū)域VH內(nèi)壓強不發(fā)生變化即P為定值。取VH范圍內(nèi)氣體作為研究對象，建立近似數(shù)學(xué)模型(見圖3)。

由于此區(qū)域邊界與大氣相通，近似認為在VH區(qū)域的邊界上只有氧氣與氮氣成分與周圍大氣進行了交換，而水蒸氣沒有擴散到周圍大氣中去。根據(jù)分壓定律，此時VH區(qū)域內(nèi)各氣體成分的分壓發(fā)生變化，有：

P′(O2)+P′(N2)+P(H2O)=P。

(15)

式中：P′(O2)為水霧氣化后氧氣的分壓力(Pa)；P′(N2)為此時氮氣的分壓力(Pa)；P(H2O)為水蒸氣的分壓力(Pa)。而根據(jù)克拉伯龍方程，此時混合氣體中各氣體成分的分壓力為：

即n′(O2)+n′(N2)+n(H2O)=RTH/(RT)。

假設(shè)此時混合氣體中O2與N2的體積比保持不變，即V(O2)∶V(N2)=21∶79。則此時VH范圍內(nèi)氧氣的物質(zhì)的量為：

相應(yīng)地，氧氣的體積分數(shù)ωO變?yōu)椋?/p>

(16)

式中：n為VH區(qū)域內(nèi)氣體總物質(zhì)的量(mol)。

圖3 細水霧云團窒息作用數(shù)學(xué)模型

對式(13)進行分析可知，水霧云氣化后，VH范圍內(nèi)氧氣體積分數(shù)明顯下降，并且氧氣體積分數(shù)的下降幅度與形成水霧云的水物質(zhì)的量成正比，說明細水霧云團隔氧窒息的能力與氣化細水霧的量直接相關(guān)。

經(jīng)過計算可知，對于30 m3的空間，5 L水完全氣化形成的水蒸氣分壓力可達2.78×104Pa，而相應(yīng)的氧氣的壓力降低到1.48×104Pa，即氧氣的體積分數(shù)降低到15.05%，從而產(chǎn)生隔絕氧氣的窒息作用，達到滅火的效果[6-7]。

1.3 浸潤作用

細水霧滅火作用中的浸潤作用主要表現(xiàn)在細水霧顆粒穿過火焰羽流，到達可燃物表面，浸潤可燃物，并冷卻可燃物。

在細水霧云團與火焰相互作用過程中，細水霧云團中單個霧滴在與火焰相互作用過程中做自由沉降運動，符合牛頓第二定律和動量守恒定律，霧滴在運動過程中符合式(17)所示的關(guān)系[8]。

m(du/dt)=(4/3)πρr3(du/dt)=G-Ff-Fd。

(17)

式中：u為細水霧滴速度(m/s)；ρ為細水霧滴密度(kg/m3)；r為細水霧滴直徑(m)；G為細水霧滴重力(N)；Ff為細水霧滴所受的浮力(N)；Fd為煙氣對細水霧滴的卷吸作用力(N)。

通過對式(17)分析可得，想要細水霧實現(xiàn)對火焰的有效作用，液滴質(zhì)量和速度必須能克服火羽流和卷吸空氣浮力，霧滴動量應(yīng)保證大于煙羽流動量，霧滴才能到達可燃物表面，降低可燃物表面溫度。因此，細水霧滴動量不得小于煙羽流動量是實現(xiàn)其浸潤作用的重要前提條件。對于細水霧云團來說，一般細水霧顆粒的速度比較小，而森林火場中Ff與Fd很大，霧滴很難克服兩個作用力，并且由于霧滴粒徑較小，在到達火焰之前往往已經(jīng)蒸發(fā)，故實現(xiàn)浸潤可燃物表面的作用較為困難。但在火場燃燒強度已經(jīng)顯著降低或者已經(jīng)沒有明火的情況下，細水霧云團中的霧滴到達可燃物表面即成為可能，通過浸潤可燃物，可以有效地防止其復(fù)燃，達到一定的輔助滅火作用。

2 公式的修正

考慮到實際森林火場情況不可能是理想狀況，所以需要在最終公式的基礎(chǔ)上增加修正參數(shù)。

2.1 降溫公式修正

針對推導(dǎo)降溫公式之前提出的假設(shè)，分別提出以下系數(shù)用以修正公式：

氣壓修正系數(shù)p修正細水霧云氣化后的氣壓變化，

p=f(1/t，1/Ta，ω)。

式中：t為細水霧云團作用時間；Ta為火場氣溫；ω為爆轟產(chǎn)生細水霧的比藥量(m(藥)∶m(水))。

橫風(fēng)修正系數(shù)w修正橫風(fēng)對結(jié)果的影響，

w=f(j，i，v)。

式中：i、j為風(fēng)向平面向量；v為風(fēng)速。

細水霧云團梯度系數(shù)l修正爆轟產(chǎn)生的細水霧云團內(nèi)部梯度分布對結(jié)果產(chǎn)生的影響，

l=f(w，ω，F(xiàn)d)。

式中：w為橫風(fēng)修正系數(shù)；ω為比藥量；Fd為空氣平均阻力。

氣化率系數(shù)g修正氣化細水霧量，

g=f(Ta，ω)。

式中：Ta為火場氣溫；ω為比藥量。

修正后的公式(9)變?yōu)椋?/p>

(18)

2.2 隔氧窒息作用公式修正

提出壓強系數(shù)p′修正樹木燃燒一定范圍內(nèi)壓強的變化，p′=f(1/VH)。VH為研究范圍的體積。

溫度系數(shù)t′修正使用理想氣體公式時對溫度不變的假設(shè)，t′=f(1-ψ，hf)。中ψ為火場溫度降低率；hf為火源的熱功率。

修正后的公式(16)變?yōu)椋?/p>

(19)

以上修正系數(shù)可以通過實驗或者模擬仿真得到離散數(shù)據(jù)，再經(jīng)過曲線擬合求得。

3 結(jié)論

在形成細水霧云團的水的質(zhì)量、體積相同，以及與火源距離相同的情況下，圓柱狀細水霧云團的降溫效能高于球狀細水霧云團。另外，同一細水霧云團的降溫能力與其距離火焰高溫柱體區(qū)域距離成反比。

細水霧云團對火焰的窒息作用主要體現(xiàn)在降低火場一定區(qū)域內(nèi)的氧氣體積分數(shù)上。參與氣化的水物質(zhì)的量越多，區(qū)域內(nèi)的氧氣體積分數(shù)越低。實際情況下，由于森林火場往往伴有大風(fēng)和強烈的熱空氣對流，氣流的對流可能導(dǎo)致窒息時間變短，降低作用效果。

由于強烈燃燒的火場溫度較高，細水霧會快速蒸發(fā)，這時，細水霧云團主要起前兩個滅火作用。當(dāng)火場燃燒強度降低甚至明火已經(jīng)熄滅時，細水霧即可浸潤可燃物，進一步熄滅暗火、防止復(fù)燃，起到一定的輔助滅火作用。

[1] 尚超，王克印.森林航空滅火技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].林業(yè)機械與木工設(shè)備,2013，41(3):4-8.

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尚超，男，1987年11月生，軍械工程學(xué)院，碩士研究生。

2013年6月3日。

X954； O411.3

Extinguishing Effectiveness of Water Mist Cloud in Forest Fire/Shang Chao, Wang Keyin, Huang Haiying, Chen Yukun(Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(4).-119～123

責(zé)任編輯：戴芳天。

Base on the advantages of the water mist extinguishing technology, combined with the three-dimensional distribution of the trees burning in the forest fire, we proposed to use water mist cloud to put out the forest fire. We studied the water mist fire extinguishing effects including cooling, oxygen insulation and infiltrating effect. We studied the fire extinguishing efficiency of water mist cloud, and put forward the theoretical formula and the correction method of formula. By comparing the extinguishing efficiency of spherical and cylindrical water mist cloud, the later extinguishing efficiency in forest fires is higher. The study results may provide a theoretical basis for further development of the new forest fire fighting equipments.