李成孝，汪 泉,3，朱福元，李志敏，郭子如,3，程揚(yáng)帆,3，李雪交,3

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水基滅火裝置爆炸拋灑成霧運(yùn)動(dòng)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，程揚(yáng)帆1,3，李雪交1,3

（1.安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南，232001；2.淮南舜泰化工有限責(zé)任公司，安徽 淮南，232072；3.安徽省爆破器材與技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南，232001）

為了研究爆炸驅(qū)動(dòng)水成霧滅火作用過程，研制一種簡易水基爆炸滅火裝置。針對(duì)4種不同幾何尺寸的滅火裝置，采用HX-3型高速攝像機(jī)記錄水霧與柴油火作用全過程。通過研究水基滅火裝置爆炸拋灑滅火過程，認(rèn)為爆炸驅(qū)動(dòng)水拋灑運(yùn)動(dòng)分為3個(gè)階段：噴射階段、過渡階段和彌漫階段；理論分析和估算了拋灑過程中水霧的速度、半徑以及作用時(shí)間；分析了滅火裝置幾何尺寸因素對(duì)拋灑運(yùn)動(dòng)特性參數(shù)及滅火效果的影響。研究表明，滅火裝置的長徑比、比藥量以及水的質(zhì)量會(huì)對(duì)水霧爆炸拋灑過程造成影響。

爆炸水霧；高速攝像機(jī)；滅火裝置；滅火過程

目前，滅火劑種類主要有水系滅火劑、氣體滅火劑、泡沫滅火劑、干粉滅火劑、氣溶膠滅火劑[1]。水作為傳統(tǒng)的滅火劑，具有無污染、資源豐富等特點(diǎn)。霧狀水的滅火效果比噴淋水更好[2-3]，然而現(xiàn)有的細(xì)水霧滅火系統(tǒng)噴射距離較短，面對(duì)高層建筑、森林冠火以及草原火災(zāi)往往不能達(dá)到很好的滅火效果。利用炸藥爆炸的能量驅(qū)動(dòng)水拋灑成水霧，結(jié)合了細(xì)水霧滅火和激波滅火的優(yōu)點(diǎn)[4]，在隔絕氧氣、降低溫度等綜合作用下，能實(shí)現(xiàn)良好的滅火效果。蔣耀港等[5]研究了冷激波滅火系統(tǒng)的機(jī)理和應(yīng)用；岳中文等[6]在水袋內(nèi)放置條形藥包，研究爆炸作用下液體拋灑初期水霧運(yùn)動(dòng)速度的影響因素；丁玨[7]用V形槽裝水進(jìn)行爆炸拋灑，研究抑制火焰和激波的傳播；汪泉等[8]研究了爆炸水霧撲滅油火過程，分析了其滅火有效性問題。

本文采用PVC材質(zhì)制作了4種幾何尺寸的簡易水基滅火裝置，裝置中心固定安裝起爆裝置（防水處理），采用HX-3型高速攝像機(jī)記錄水霧爆炸拋灑滅火全過程，研究了爆炸拋灑過程水霧的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)以及滅火效果的影響因素，實(shí)驗(yàn)結(jié)論對(duì)優(yōu)化水基滅火彈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有重要參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證水基滅火裝置爆炸滅火能力，在室外露天環(huán)境范圍進(jìn)行滅火模擬實(shí)驗(yàn)（環(huán)境0～1級(jí)風(fēng)，風(fēng)速在0～1.5m/s），實(shí)驗(yàn)器材主要有爆炸滅火裝置、自制背景標(biāo)尺、中心裝藥、雷管、高速攝像機(jī)、油盤等，如圖1所示。爆炸滅火裝置和油盤放在同一支撐平臺(tái)上，高速攝像機(jī)的鏡頭與滅火裝置中心線齊平，為了更好地分析水霧爆炸拋灑的過程，使用自制的背景標(biāo)尺（刻有10cm×10cm網(wǎng)格線）作為襯托。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.1 水基滅火裝置

水基滅火裝置共有內(nèi)外兩個(gè)管體，如圖2所示。

圖2 水基滅火裝置示意圖

圖2中外管體采用PVC塑料制成，管體上下用封頭密封，外管體內(nèi)部充水；內(nèi)管體內(nèi)放置非電導(dǎo)爆管雷管和黑索今（實(shí)驗(yàn)所用RDX質(zhì)量均為3.75g），內(nèi)管體位于外管體中心線位置。

1.2 高速攝像機(jī)

采用HX-3型彩色高速攝像機(jī)記錄水霧運(yùn)動(dòng)及其與油火作用過程，拍攝速率為7 000fps，單幀像素為1 280×1 024，并用計(jì)算機(jī)記錄高速攝像機(jī)所拍攝照片及處理數(shù)據(jù)。

1.3 裝置參數(shù)

實(shí)驗(yàn)共分4組進(jìn)行，每組實(shí)驗(yàn)所用的炸藥質(zhì)量相同，改變滅火裝置的幾何尺寸，實(shí)驗(yàn)中左右兩側(cè)的油盤距離滅火裝置分別是300mm、500mm，為保證油盤燃燒的持久性，油盤內(nèi)加有200mL的0號(hào)柴油，滅火裝置的幾何尺寸參數(shù)見表1所示。

表1 爆炸滅火實(shí)驗(yàn)裝置參數(shù)

Tab.1 Experimental parameters of explosion extinguishing device

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 水霧爆炸拋灑實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用高速攝像記錄拋灑裝置的破裂過程和水霧拋灑的過程，以及水霧拋灑形態(tài)隨時(shí)間的變化，圖3為部分水霧爆炸拋灑實(shí)驗(yàn)過程的高速攝像分幅照片。

圖3 水霧爆炸拋灑過程分幅照片

2.2 水霧爆炸拋灑過程分析

對(duì)于水霧爆炸拋灑過程，運(yùn)用Matlab軟件對(duì)分幅照片進(jìn)行圖像處理，以拋灑水霧最外邊緣處典型質(zhì)點(diǎn)作為參考點(diǎn)，計(jì)算出水霧拋灑過程的瞬時(shí)速度，并得出不同裝置尺寸下水霧拋灑速度隨時(shí)間變化曲線，如圖4~5所示。

圖4 高度為200mm的兩種滅火裝置水霧拋灑速度時(shí)程曲線

圖5 高度為150mm的兩種滅火裝置水霧拋灑速度時(shí)程曲線

據(jù)文獻(xiàn)[9-10]可知，由于水霧受到爆炸沖擊作用力和空氣阻力的綜合影響，可將水霧運(yùn)動(dòng)過程分為3個(gè)階段：噴射階段、過渡階段、彌漫階段。

（1） 噴射階段

爆炸裝置發(fā)生爆炸以后，產(chǎn)生的高溫高壓爆轟產(chǎn)物推動(dòng)液體介質(zhì)向外運(yùn)動(dòng)，由于水的可壓縮性小，連同爆轟產(chǎn)物氣體形成活塞。在爆炸拋灑的初始階段，爆炸沖擊作用力和空氣阻力同時(shí)作用在活塞上，但爆炸沖擊作用力遠(yuǎn)大于周圍空氣阻力，活塞受到的合力促使液體向外作加速運(yùn)動(dòng)。由圖4~5可以看出，在0~0.5ms之間，4組實(shí)驗(yàn)中的水在短時(shí)間內(nèi)均完成了加速過程。加速階段時(shí)，爆轟氣體和水形成的活塞界面并不穩(wěn)定，在不斷加速的過程中導(dǎo)致液體發(fā)生首次破碎成液滴。

（2） 過渡階段

水拋灑達(dá)到最大速度以后，由于爆轟產(chǎn)物的壓力隨著爆轟氣體的膨脹越來越小，當(dāng)壓力小于空氣阻力時(shí)，液體開始作減速運(yùn)動(dòng)。液體在表面張力的作用下?lián)p失一部分動(dòng)能，發(fā)生首次破碎的液體在粘性力、顆粒尺寸、速度達(dá)到一定值時(shí)，將發(fā)生二次破碎形成更小的液滴，從達(dá)到最大速度到二次破碎結(jié)束的過程中，速度會(huì)隨著時(shí)間呈指數(shù)形式衰減。如圖4~5所示，各組實(shí)驗(yàn)中的水在達(dá)到最大速度后，速度迅速衰減。

（3） 彌漫階段

水的速度衰減到一定值后，由于液體破碎成極小的霧狀，液體間的相互作用力以及表面張力可以忽略不計(jì)，此時(shí)主要受到空氣阻力的影響，速度會(huì)繼續(xù)減小，衰減幅度極小。

2.3 水霧爆炸拋灑過程參數(shù)分析

2.3.1 水霧拋灑水的速度

當(dāng)水霧拋灑處于噴射階段時(shí)，主要受到爆炸沖擊作用力，爆炸產(chǎn)物可按PV =的規(guī)律膨脹，爆炸產(chǎn)物分界面處質(zhì)點(diǎn)的速度為[11]：

式（1）中：u為分界面處質(zhì)點(diǎn)速度；v為炸藥爆速；為爆炸產(chǎn)物多方指數(shù)；為爆炸產(chǎn)物界面壓力；0為爆轟波陣面壓力。利用公式（1）計(jì)算出的水爆炸拋灑最大初速度，與圖4~5所示速度數(shù)值基本吻合，4組實(shí)驗(yàn)中水霧最大初速度分別為：280m/s、350m/s、455m/s和420m/s，而且隨著水的質(zhì)量增大，達(dá)到的最大初速度就越小，但達(dá)到最大速度所用的時(shí)間越短；爆炸裝置直徑增大，最大初速度減小。

由圖4~5可知，當(dāng)滅火裝置高度為200mm時(shí)，長徑比大的3號(hào)裝置（/=4）爆炸拋灑后達(dá)到的最大速度大于1號(hào)裝置（/=2.67）；當(dāng)滅火裝置高度為150mm時(shí)，長徑比大的4號(hào)裝置（/=3）爆炸拋灑后達(dá)到的最大速度大于2號(hào)裝置（/=2），可以看出水霧拋灑獲得的最大初速度與長徑比變化有關(guān)。長徑比大的滅火裝置，水霧拋灑初期得到的徑向初速度比長徑比小的滅火裝置要大得多，這是因?yàn)殚L徑比大的滅火裝置單位長度內(nèi)液體質(zhì)量較小，在爆炸初始?jí)毫ο嗤那闆r下，能獲得較大的初速度。

當(dāng)水霧拋灑處于過渡階段時(shí)，其拋灑速度隨時(shí)間呈指數(shù)衰減，可表示為[12]：

=maxe（2）

式（2）中：max為水霧拋灑最大初速度；為衰減系數(shù)；為水霧拋灑運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

根據(jù)圖4~5得出水霧速度的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，符合公式（2）的指數(shù)衰減關(guān)系，經(jīng)擬合后的1、2、3、4組實(shí)驗(yàn)中水霧衰減系數(shù)分別為：1=-0.186 6，2=-0.307 2，3=-0.423 2，4=-0.286 6。

2.3.2 水霧拋灑的半徑

水霧半徑是指在水平方向上爆炸裝置中心距離水霧拋灑最外端質(zhì)點(diǎn)的距離，水霧半徑的確定對(duì)于確定有效滅火區(qū)域和提高爆炸滅火裝置在水平方向的做功能力有著非常重要的意義，圖6~7為不同尺寸下水霧拋灑半徑隨時(shí)間變化的曲線。

圖6 高度為200mm的兩種滅火裝置水霧拋灑半徑時(shí)程曲線

圖7 高度為150mm的兩種滅火裝置水霧拋灑半徑時(shí)程曲線

由圖6~7可知，4組水霧在0～5ms之間半徑增加較為明顯，5ms以后增長較為緩慢，符合彌漫階段的特征。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，爆炸水霧拋灑半徑可以用經(jīng)驗(yàn)公式（3）擬合[12]：

由圖6~7可知，在水霧爆炸拋灑前期，長徑比大的滅火裝置拋灑半徑較大，但是后期水霧拋灑半徑基本相似。可以看出，長徑比變化不會(huì)影響水霧最終拋灑半徑的變化，因此長徑比不是水霧拋灑半徑的主要影響因素。

2.3.3 水霧拋灑的作用時(shí)間

通過高速攝像法測得水霧拋灑的作用時(shí)間，不同比藥量2/1（裝藥質(zhì)量和水質(zhì)量之比）下的作用時(shí)間結(jié)果如表2所示。

表2 不同2/1時(shí)水霧拋灑作用時(shí)間

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

由表2可以看出，比藥量越大水霧拋灑作用時(shí)間越長，這是因?yàn)楫?dāng)比藥量較大時(shí)，裝置爆炸瞬間對(duì)水的做功較多，爆炸產(chǎn)生的能量衰減較慢，水霧初速度大于比藥量小的爆炸滅火裝置，使得水霧在彌漫階段運(yùn)動(dòng)的時(shí)間增加，水霧霧化效果提高。

2.4 水基滅火介質(zhì)爆炸滅火效果及分析

水作為一種傳統(tǒng)的滅火介質(zhì)，當(dāng)水和燃燒物接觸時(shí)，高溫會(huì)使水發(fā)生汽化現(xiàn)象，帶走著火區(qū)域大量的熱，同時(shí)降低燃燒物的溫度，使其溫度處于可燃點(diǎn)以下。水的滅火具體作用有以下幾種[13]：（1）冷卻作用：水的比熱容較大，其常壓下的定壓比熱容為4.2kJ/ (kg·℃)，由于這一特性，水在滅火過程中可以帶走巨大的熱量，降低可燃物的溫度。（2）分離作用：水由于爆炸形成的水霧會(huì)將火焰與可燃物隔離開，使得熱量很難從火焰區(qū)向可燃物傳遞，破壞了可燃?xì)怏w產(chǎn)生與可燃?xì)怏w消耗的平衡，終止了穩(wěn)定燃燒的過程。（3）水霧的破碎：水受到爆炸作用力加速到最大初速度以后，由于空氣阻力、粘滯力、表面張力的影響，水會(huì)破碎成較小的團(tuán)狀、塊狀水滴，當(dāng)水滴的尺寸和速度達(dá)到一定值后將發(fā)生二次破碎[14]。

水本身能夠吸收大量的熱，破壞燃燒過程中的能量平衡，當(dāng)水不斷破碎成水霧時(shí)，能夠加快水汽化成水蒸氣的過程，使著火區(qū)域溫度降得更快，而且產(chǎn)生的水蒸氣會(huì)占據(jù)空氣中一氧化碳、氧氣等可燃和助燃?xì)怏w的空間，將可燃物和助燃?xì)怏w分開。整個(gè)過程不僅從源頭上能夠撲滅火災(zāi)，還能從燃燒反應(yīng)中間徹底切斷反應(yīng)鏈，極大地提高了滅火效率。

水霧爆炸拋灑滅火結(jié)果如表3所示，4組實(shí)驗(yàn)中，只有3號(hào)實(shí)驗(yàn)中右側(cè)火焰未被撲滅。

對(duì)比3號(hào)和4號(hào)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可知滅火裝置高度增加，滅火能力降低；結(jié)合圖4~5的速度曲線可知，當(dāng)滅火裝置高度增加時(shí)，水霧拋灑速度衰減較快，可能因?yàn)橹匦牡奶岣邔?dǎo)致在縱向分散的能量較多，使徑向滅火能力減弱。對(duì)比1號(hào)和3號(hào)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，3號(hào)實(shí)驗(yàn)右側(cè)火焰未滅，由圖4和圖6可以看出，增加滅火裝置的直徑，水霧速度衰減程度較小，彌漫階段的水霧速度較大，而水霧拋灑半徑也略微增加，能夠提高滅火能力。

表3 爆炸水霧滅火結(jié)果

Tab.3 The results for explosive water mist extinguishing fire

3 結(jié)論

基于自行設(shè)計(jì)的爆炸水霧裝置，研究了水霧爆炸拋灑過程的基本參數(shù)，得到以下主要結(jié)論：（1）通過實(shí)驗(yàn)研究與分析，認(rèn)為水霧的爆炸拋灑過程分為噴射、過渡和彌漫3個(gè)階段。（2）在實(shí)驗(yàn)條件下，增大長徑比能提高水霧拋灑初期速度，但不會(huì)影響最終水霧拋灑半徑。水量的增大會(huì)降低水霧拋灑的初速度。（3）在實(shí)驗(yàn)條件下，提高比藥量（2/1）可以延長水霧的作用時(shí)間，使水介質(zhì)霧化破碎更徹底，粒徑更小，提高水霧拋灑的最大初速度，增加有效滅火的范圍，提高滅火效率。

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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，碩士研究生，主要從事爆炸滅火研究。

國家自然科學(xué)基金（11502001, 11872002）, 安徽省新型爆炸材料及應(yīng)用創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室（2016ckjh073）。