基于雾通量分析的细水雾灭火机理模拟实验研究

论文摘要

雾通量是影响细水雾灭火性能的关键参数之一。本文在原有雾通量定义的基础上,将能够直接与燃料和火焰作用的细水雾通量定义为有效雾通量。细水雾灭火过程是一个多种机理同时作用的、非定常、非稳态的过程。为了对细水雾的灭火机理进行定量研究,将火灾中常见的扩散火分成了燃料区、反应区和卷吸区（供氧区）三个部分。将能够在这三个区作用的有效雾通量分为燃料区有效雾通量、反应区有效雾通量和卷吸区有效雾通量,对有效雾通量的分类可以把燃料冷却、氧气冷却、燃料稀释和氧气稀释等作用机理分开,便于更好的对这些灭火机理进行定量分析。粒径小于50μm的细水雾具有类似于气体灭火剂的特性,它们的粒径范围相对稳定,雾通量、动量以及单位体积内的水雾总量等参数很容易得到控制,使用这种细水雾抑制火焰可以将瞬息万变的灭火过程转换为稳态或准稳态过程。因此,本文将这部分细水雾独立出来,定义为超细水雾,而粒径大于50μm的细水雾则定义为常规细水雾。在调研了超细水雾发生方法及机理的基础上,研制了适合于本文实验要求的、可用于灭火的超细水雾发生系统。使用电子天平和激光多普勒测速仪等设备对超细水雾与常规细水雾的特性进行了测量,并将超细水雾与常规细水雾的特性进行了对比分析。超细水雾粒径小、速度低,无法穿透火焰反应面进入反应区,因此,使用低速超细水雾抑制火焰时,细水雾只能在火焰对空气的卷吸作用下到达火焰附近,通过汽化吸热以及稀释氧气的机理实现灭火,这样就排除了其他灭火机理的影响。由于超细水雾到达火焰反应面之前就全部汽化,因此在超细水雾与火焰反应而之间存在一个没有液滴的包络面,将这个包络面的厚度假设为无穷大之后,就可以通过扩散火空气卷吸量的计算方法求出包络面内火焰卷吸的（空气-水蒸气）混合气的体积,由于超细水雾汽化前后的质量并没有变,所以通过混合气的体积可以进一步推算出不同尺寸火焰卷吸超细水雾的量。于是,这些超细水雾从火焰反应区吸收的热就能得到定量,同时超细水雾汽化对氧气的稀释作用也可以定量分析。为了验证卷吸区有效雾通量计算方法的可靠性,建立了杯形燃烧器实验台,通过实验验证了这种理论的准确性。前人进行细水雾灭火有效性实验时使用的通常是常规细水雾,这些雾滴粒径和动量均较大的细水雾在灭火时,雾滴会很快穿过羽流与火焰到达燃料表面,仅有少量细水雾完全汽化,因此前人在冷态情况下测量的雾通量可以近似等于本文中的燃料区有效雾通量,测量时通常使用收集法和积分法,测量值均为一段时间内的平均,测量基于雾通量定常的假设之上。但在灭火过程中,尤其是细水雾施加初期,燃料区有效雾通量却存在不稳定的变化过程。为了对有效雾通量进行实时测量,在试管（烧杯）收集法的基础上进行改进,建立了电子天平实时称重系统和数据采集系统,实验验证了称重法有效雾通量测量的可行性。对比不同高度下测量的有效雾通量与假设雾场雾流密度均匀分布条件下推导的有效雾通量随喷头高度变化的曲线,可以看出本文给出的雾通量计算模型具有较高的精确度。在测量了燃料区有效雾通量的基础上,对影响细水雾灭火性能的各种参数进行了分类,将雾滴粒径、雾滴速度、动量、动能等参数定义为直接参数,而将喷头高度、喷头特性参数、细水雾系统压力、通风条件等参数定义为间接参数,因为间接参数通过影响直接参数来影响细水雾灭火性能。通过常规细水雾扑灭正庚烷与柴油火的实验,在直接参数的因子分析基础上研究了直接参数与灭火性能的相关性。结果表明,在本文研究的这些直接参数中,雾场最前端细水雾速度与稳定喷射时细水雾的平均速度是两个决定细水雾是否能够迅速将火焰抑制,并最终扑灭火焰的参数。这个结果表明在设计常规细水雾灭火系统的时候,应该优先保证细水雾具有足够的速度。为了定量研究反应区有效雾通量对燃烧的影响,独立分析反应区细水雾冷却火焰、稀释燃料的灭火机理,建立了另一种杯形燃烧器实验台,在燃烧器的气体燃料通道中加入了雾通量可控的超细水雾发生系统,超细水雾跟随燃料运动到燃烧器的出口,作用于燃烧反应。实验测量了冷态条件下的有效雾通量之后,通过热态实验研究不同有效通量的超细水雾对火焰燃烧的影响,定量分析了反应区有效雾通量的灭火机理,得到了反应区有效雾通量灭火的临界值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章. 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 前人工作
• 1.3 研究目标与内容
• 1.4 论文章节安排
• 1.5 本章小结
• 第2章. 细水雾与超细水雾
• 2.1 引言
• 2.2 常规细水雾与超细水雾定义
• 2.3 常规细水雾与超细水雾产生机理分析
• 2.4 常规细水雾与超细水雾的雾发生装置研究
• 2.5 常规细水雾与超细水雾特性测量与对比
• 2.6 本章小结
• 第3章. 有效雾通量、分类及其测量
• 3.1 引言
• 3.2 雾通量与有效雾通量的定义
• 3.3 有效雾通量的分类
• 3.4 有效雾通量的测量方法研究
• 3.4.1 燃料区有效雾通量称重法测量
• 3.4.2 卷吸区有效雾通量测量
• 3.4.3 反应区有效雾通量测量
• 3.5 本章小结
• 第4章. 基于雾通量分析的卷吸区细水雾灭火机理研究
• 4.1 引言与雾卷吸研究回顾
• 4.2 卷吸区细水雾灭火机理的定量分析
• 4.2.1 超细水雾与“气圈”
• 4.2.2 空气卷吸计算方法
• 4.2.3 卷吸区细水雾灭火机理分析
• 4.3 卷吸区细水雾灭火机理的实验验证
• 4.3.1 实验装置、工况设计
• 4.3.2 典型结果与分析
• 4.4 本章小结
• 第5章. 燃料区细水雾灭火关键参数相关性研究
• 5.1 引言
• 5.2 细水雾灭火关键参数及其分类
• 5.3 实验装置与数据采集系统
• 5.4 典型实验结果与讨论
• 5.5 细水雾灭火直接参数的主成分分析与相关性分析
• 5.5.1 细水雾灭火直接参数的主成分分析
• 5.5.2 直接参数与灭火性能的相关分析
• 5.5.3 结论
• 5.6 本章小结
• 第6章. 基于雾通量分析的反应区细水雾灭火机理研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验装置与数据采集系统
• 6.3 相同火焰不同雾通量灭火机理研究
• 6.4 相同雾通量不同尺寸火焰的灭火机理研究
• 6.5 本章小结
• 第7章. 结论与进一步工作的建议
• 7.1 论文结论
• 7.2 论文创新点
• 7.3 不足与进一步工作的展望
• 参考文献
• 附录1 称重程序源代码
• 附录2 Matlab6.5计算火焰高度程序源码
• 致谢
• 发表的论文与取得的研究成果