基于蒸汽辅助雾化的气动式细水雾发生方法及灭火有效性模拟实验研究

论文摘要

本文设计了一液体注入尺寸可调节的雾化喷嘴,对气动式细水雾的发生方法进行了研究,并对其雾化机理和雾场特性进行了研究,同时对局部保护工况下和全淹没工况下进行了灭火有效性模拟实验研究,最后分析了气动式细水雾与火焰的相互作用,对气体雾化介质和气动式细水雾熄灭油池火过程中的火焰膨胀现象进行了较详细的研究。本文的主要工作包括以下几个方面:(1)基于双流体雾化的理论,设计了一可调节式的Y型喷嘴,并采用蒸汽为雾化介质,产生了雾化效果良好的细水雾。(2)对气动式细水雾的雾化机理进行了研究,分析了雾化过程中液环的形成,以及液环与液膜的相互作用。(3)对气动式细水雾的雾场特性进行了诊断,分析测量了雾场温度分析、雾滴平均粒径、雾滴三维平均速度分布规律、雾化锥角以及雾通量。(4)对局部保护工况下和全淹没工况下的灭火有效性模拟实验进行了研究。(5)对气动式细水雾与火焰的相互作用进行了研究,详细分析了气体雾化介质和气动式细水雾熄灭油池火过程中的火焰膨胀现象。在雾发生方法及雾化机理研究部分。本文的实验中选择惰性的蒸汽作为雾化介质,实现了雾化效果良好的雾场。雾场结构稳定、对称,在0.6Mpa的气源压力和0.5Mpa的水源压力下实现了约10m的喷雾距离。对气液质量流量比GLR值进行了计算,对蒸汽的冷凝量进行了测量。利用高速摄影仪对气动式细水雾的雾化机理进行了研究,分析了液环的形成,以及液膜与液环之间的相互作用,分析了“树根结构”形成的原因。在雾场特性测量部分。首先,由于本文所使用的雾化介质为蒸汽,本文对雾场的温度分布情况进行了测量,测量结果表明,雾场温度随着轴线的延长而呈指数式下降。当轴线距离超过0.4米时,温度降至60℃以下;而当轴线距离超过1.9m时,温度降至30℃以下。其次,基于数字图像二值化的方法,对高速摄影相机所拍摄到的雾场图像进行了粒径的估算。估算结果表明,GLR值高于一定数值时,雾滴平均粒径能达到细水雾的雾滴粒径要求。进一步的分析表明,固定水的质量流率时,GLR值越高,雾滴粒径越小。同时,由于本文采用的只是一种近似的计算方法,实际的平均雾滴粒径值应比计算值更小。第三,利用DPIV的方法对雾场速度场进行了重建,构建了不同GLR值时细水雾雾场的二维速度场。第四,通过图像二值化的方法对雾化锥角进行了测量。第五,构建集水装置,利用“集水法”对不同GLR值的细水雾雾通量进行了测量。测量结果表明,雾场具有良好的对称性。在细水雾灭火有效性进行了模拟实验研究部分。本文设计了局部保护工况和全淹没工况两类灭火模拟实验。计算了酒精、汽油、柴油三种燃料在不同尺寸油盘中燃烧时的火源功率,研究分析了燃料类型,比较分析了燃料类型对实验结果的影响,分析了细水雾熄灭油池火过程的几个典型阶段。分析了两种保护工况条件下气动式细水雾熄灭油池火的主导灭火机理。计算了不同尺寸液滴在不同温度条件下的生存时间。比较分析了GLR值对全淹没实验结果的影响。在火焰膨胀现象研究部分。本文基于前人的研究,得到一个简化的油池火模型,然后结合射流理论的知识,分析了局部保护条件下气动式细水雾中气液两相流与火焰的相互作用,区分了这一作用过程的几个阶段。针对细水雾熄灭油池火过程中火焰膨胀的这一特殊现象,本文进行了深入地分析。为了研究火焰膨胀的机理,本文先以单纯的雾化介质(即蒸汽)为灭火剂进行研究,构建了局部保护条件下的蒸汽灭火实验,然后基于蒸汽与火焰的相互作用过程,指出蒸汽射流对火焰中燃料蒸汽的扩散冲击作用导致了火焰的膨胀,对于这一膨胀现象,本文进行了理论上的分析和估算。为了更好地表征火焰膨胀的尺度,本文定义了三个火焰膨胀的三个特征参数,即火宽度比特征值、体积比特征值和辐射比特征值。利用这三个特征参数从不同的方面表征了火焰膨胀的现象。相应的实验结果表明,三个特征参数能较好地反映火焰膨胀的尺度。然后,本文针对气动式细水雾与火焰的相互作用过程,指出导致火焰膨胀现象主要有两方面的原因。一方面是气液两相射流对火焰的冲击作用,与蒸汽导致火焰膨胀的原因一致;而另一方面,细水雾雾滴可能到达燃料中加热的燃料表面,会影响燃料的蒸发。特别是对于柴油、汽油等不溶于水的燃料,当有水滴加入时,会与燃料形成不互溶的双液系,导致燃料的沸点瞬间降低,而使燃料的温度可能高于沸点而迅速蒸发,促进火焰的膨胀。在细水雾熄灭油池火的过程中,往往存在着上述两个方面的耦合作用。而且上述两方面的作用会随着雾滴大小的不同和雾动量的不同而表现出不同的差异。理论分析和进一步的实验结果表明,这两个方面的耦合作用可以很好地解释细水雾熄灭油池火过程中的火焰膨胀现象。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 表格
• 插图
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 细水雾灭火技术概述
• 1.1.2 细水雾灭火技术研究及发展中的一些问题
• 1.2 研究目标
• 1.3 研究方法
• 1.4 章节安排
• 1.5 本章小结
• 参考文献
• 第二章 细水雾雾化方法及灭火有效性研究综述
• 2.1 细水雾雾化方法简介
• 2.2 液滴破碎与雾化的相关研究
• 2.2.1 雾化的基本过程
• 2.2.2 液滴破碎的机理
• 2.2.3 气流中的液滴破碎
• 2.2.4 液体射流束的破碎
• 2.3 双流体细水雾的相关研究
• 2.3.1 双流体雾化方法的分类
• 2.3.2 双流体雾化的理论研究
• 2.3.3 双流体细水雾灭火技术及应用
• 2.4 细水雾雾场特性相关研究
• 2.4.1 雾滴粒径分布及测量方法研究
• 2.4.2 雾动量及雾场速度测量方法研究
• 2.4.3 雾通量及其测量方法研究
• 2.4.4 雾化锥角及其相关研究
• 2.5 细水雾与火焰的相互作用相关研究
• 2.5.1 细水雾灭火有效性模拟实验
• 2.5.2 细水雾的灭火机理分析
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 第三章 气动式细水雾发生方法及雾化机理研究
• 3.1 引言
• 3.2 双流体雾化喷嘴的结构特性分析
• 3.3 气动式细水雾喷嘴的设计
• 3.4 气动式细水雾发生系统设计及雾化效果
• 3.4.1 水源及气源
• 3.4.2 雾发生系统
• 3.4.3 雾化效果及其实现
• 3.4.4 气动式细水雾灭火技术的应用前景
• 3.5 喷嘴的流量特性
• 3.5.1 气液质量流量比（GLR）计算
• 3.5.3 雾化过程中蒸汽的冷凝
• 3.6 气动式细水雾雾化机理
• 3.6.1 液膜与液环的形成
• 3.6.2 液环与液环的相互作用——“树根结构”的形成
• 3.6.3 雾化气体对雾滴的加速作用
• 3.7 本章小结
• 参考文献
• 第四章 气动式细水雾雾场特性诊断
• 4.1 引言
• 4.2 雾场温度分布测量
• 4.3 雾滴平均粒径的计算
• 4.4 雾场速度分布规律研究
• 4.4.1 DPIV 测量原理
• 4.4.2 雾滴速度场重建的典型示例
• 4.4.3 不同GLR 值的细水雾雾场速度分布
• 4.5 雾化锥角变化规律研究
• 4.6 雾通量及其分布规律研究
• 4.6.1 雾通量分布的对称性测量
• 4.6.2 不同径向方位的雾通量分布
• 4.6.3 不同GLR 值时的雾通量分布
• 4.7 本章小结
• 参考文献
• 第五章 气动式细水雾灭火有效性模拟实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 局部保护条件下灭火实验装置
• 5.3 局部保护条件下气动式细水雾熄灭油池火实验结果分析
• 5.3.1 不同燃料的灭火模拟实验结果
• 5.3.2 气动式细水雾熄灭油池火过程中的几个典型阶段
• 5.3.3 气动式细水雾熄灭油池火的主导机理分析
• 5.4 全淹没工况下灭火实验装置
• 5.5 全淹没条件下气动式细水雾熄灭油池火实验结果分析
• 5.5.1 不同燃料的灭火实验结果分析
• 5.5.2 不同GLR 值的灭火实验结果分析
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第六章 油池火扑救过程中的火焰膨胀现象研究
• 6.1 引言
• 6.2 蒸汽熄灭油池火的过程分析
• 6.2.1 假设
• 6.2.2 火焰中的富燃料蒸气区
• 6.2.3 蒸汽射流与燃料蒸汽的相互作用
• 6.3 蒸汽熄灭油池火过程中的火焰膨胀定量参数
• 6.3.1 火焰膨胀宽度比特征值
• 6.3.2 火焰膨胀体积比特征值φ v
• 6.3.3 火焰膨胀辐射比特征值φ r
• 6.4 蒸汽熄灭油池火过程中的火焰膨胀实验验证
• 6.4.1 实验装置
• Lc 的计算'>6.4.2 富燃料蒸气区高度^Lc 的计算
• 6.4.3 实验结果及其与物理模型的吻合性
• 6.4.4 火焰膨胀特征值测量及计算
• 6.5 气动式细水雾与火焰的相互作用
• 6.5.1 气动式细水雾与蒸汽熄灭油池火过程的异同
• 6.5.2 气动式细水雾熄灭油池火过程的不互溶双液系现象
• 6.6 本章小结
• 参考文献
• 第七章 结论及下一步工作展望
• 7.1 主要工作及结论
• 7.2 主要创新点
• 7.3 本文的不足及下一步工作展望
• 附件A 攻读博士期间完成的学术论文及科研项目
• 一.学术论文
• 二. 科研项目
• 三. 专利
• 致谢