磷酸铵盐微粒灭火剂在单室火灾抑制过程中的动力学性能研究

论文摘要

超细微粒灭火剂是一种新型的哈龙替代灭火剂,其ODP和GWP均为零,还具有灭火高效、毒性低、腐蚀性小的特点。可用于便携式、固定式和全淹没式灭火系统,具有广泛的应用前景。本文以超细磷酸铵盐微粒灭火剂为研究对象,研究超细磷酸铵盐微粒灭火剂在单室火灾抑制过程中的动力学性能,以及其与火焰相互作用的规律,为超细微粒灭火剂的进一步应用打下基础。本文首先采用高速行星球磨法对微粒灭火剂原料进行了超细化;采用甲基含氢硅油作为表面改性剂,高速加热混合机为改性设备,对超细化后的灭火剂进行了表面改性;使用激光粒度仪、扫描电子显微镜等对改性后的超细微粒灭火剂的性能进行了表征。结果表明,采用高速球磨法和高速加热混合改性法相结合的工艺制备的超细微粒灭火剂,中位径D50为6.001μm,D90为13.53μm,吸湿率为2.56%,松密度为0.53 g·cm-3。试样颗粒大小分布均匀,没有形成团聚现象,试样的斥水性和流动性较好,试样的各项性能均达到或优于GA578-2005标准中的要求。设计了微粒灭火剂微粒浓度的激光测量方法,并据此搭建了一种激光测定超细微粒灭火剂微粒浓度的仪器装置。利用本系统,采用过滤称重法标定了激光测量的微粒浓度数据,实际测量了不同基料不同粒度的超细微粒灭火剂的消光系数,得到了一定长度光路中微粒灭火剂浓度与激光消光率之间的定量关系。结果表明,基料不同但粒径相近的超细微粒灭火剂其激光吸收系数相差不大,与灭火剂的种类无关。利用改进后的杯式燃烧器和激光测定装置,对本文提出的四种不同类型、不同粒径的超细微粒灭火剂的灭火浓度进行了测定,测定结果与文献报道的数据一致。同时还发现,对于同一类型的超细微粒灭火剂,其平均粒径较小时,灭火浓度值较低,灭火效能高。对B类火而言,基料为磷酸铵盐的超细微粒灭火剂和基料为碳酸氢钠的超细微粒灭火剂,粒度接近时,其灭火效率没有明显差距。在10m3单室模型内设计并搭建了灭火室内微粒浓度动态激光测量装置,对微粒灭火剂在灭火室内喷放时,测量点的微粒灭火剂的浓度变化进行了实时测量,研究微粒灭火剂无火源施放后的动力学性能。研究结果表明,在灭火剂流动时经过的路径上灭火剂微粒的浓度较高,可以达到80～100g·m-3的浓度。浓度分布的另一个特点是由于“壁面效应”,在灭火室的顶面、底面及墙壁处,灭火剂气流流动过程中与壁面相撞后,会形成壁面附近的灭火剂浓度较高的区域。超细微粒灭火剂在灭火室的运动过程是灭火剂微粒的扩散及沉降过程。灭火室顶部只有较细颗粒的扩散运动能到达,因而微粒浓度较低。灭火室中部及底部由于灭火剂的沉降,微粒浓度较高且能维持较长时间。针对超细微粒灭火剂的颗粒特征,利用流体力学软件Fluent软件对微粒灭火剂在灭火室内的流动过程进行了模拟研究。研究结果认为,微粒灭火剂从喷嘴中喷射出来后,向下运动到灭火室的底部,颗粒流在撞击到灭火室的底部后,向灭火室的侧壁运动,随后在灭火室的侧壁向灭火室的顶部运动。这一运动模拟过程与实验测得的灭火剂流动规律相符。但模拟出来的微粒灭火剂的流动时间与实测时间有一定的误差。在灭火剂施放量为1000克和500克的两种实验条件下,使用K型热电偶树分别测量了位于灭火室中央、灭火室角落、角落遮挡火以及顶棚火四处火焰与灭火剂作用过程中的温度变化,探讨了微粒灭火剂在单室火灾模型下的运动特性及与火焰相互作用的规律。发现超细微粒灭火剂具有全淹没灭火的能力,能够扑灭包括灭火室中央、灭火室角落、角落遮挡火和顶棚火在内的四种不同位置的火焰模型。还发现由于微粒灭火剂的流动与扩散,位于微粒灭火剂流动路径上的无遮挡火焰,能够被足够浓度的微粒灭火剂迅速扑灭。而对于遮挡火和顶棚火,微粒灭火剂需要通过扩散与流动,逐渐增加火焰区的微粒浓度,抑制并最终熄灭火焰。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 超细微粒灭火剂的制备技术研究
• 1.2.2 超细微粒灭火剂的应用技术研究
• 1.3 本文的研究目标及内容
• 第二章 超细微粒灭火剂的制备与性能表征
• 2.1 引言
• 2.2 超细微粒灭火剂的制备
• 2.2.1 灭火剂的超细化
• 2.2.2 灭火剂的表面处理
• 2.3 超细微粒灭火剂的性能测定
• 2.3.1 粒径及其分布
• 2.3.2 斥水性
• 2.3.3 吸湿率
• 2.3.4 流动性
• 2.3.5 松密度
• 2.3.6 表面润湿性
• 2.3.7 颗粒表面分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 微粒浓度的激光测量方法研究
• 3.1 引言
• 3.2 激光消光法测定微粒浓度原理
• 3.3 实验部分
• 3.3.1 试样与仪器
• 3.3.2 超细微粒灭火剂微粒浓度标定实验
• 3.3.3 超细微粒灭火剂灭火浓度激光测定实验
• 3.4 实验结果与分析
• 3.4.1 超细微粒灭火剂试样1的激光吸收系数K
• 3.4.2 超细微粒灭火剂试样2的激光吸收系数K
• 3.4.3 超细微粒灭火剂试样3的激光吸收系数K
• 3.4.4 超细微粒灭火剂试样4的激光吸收系数K
• 3.4.5 超细微粒灭火剂在杯式燃烧器中的灭火浓度
• 3.5 本章小结
• 第四章 无火源施放后微粒灭火剂的运动特性
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验装置与仪器
• 4.2.2 实验步骤
• 4.3 实验结果与分析
• 4.3.1 实验数据处理
• 4.3.2 施放5秒时微粒浓度变化情况
• 4.3.3 施放30秒时微粒浓度变化情况
• 4.3.4 实验结果分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 微粒灭火剂灭火室内运动特性模拟研究
• 5.1 引言
• 5.1.1 模型理论
• 5.2 气相流场数学模型
• 5.3 气固两相流模型
• 5.3.1 气固两相流模型发展概述
• 5.3.2 气固两相流动分类
• 5.3.3 灭火剂喷射两相流模型的选择
• 5.4 灭火室内灭火剂喷射流动过程数值模拟
• 5.4.1 喷嘴内气固两相流动过程模拟
• 5.4.2 灭火室内灭火剂喷射过程模拟
• 5.4.2.1 几何模型及网格划分
• 5.4.2.2 设置求解器与计算模式
• 5.4.2.3 边界条件与操作条件
• 5.4.2.4 定义计算模型
• 5.4.2.5 结果与分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 磷酸铵盐微粒灭火剂抑制单室火灾实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 单室模型下的火灾燃烧特性研究
• 6.2.1 实验部分
• 6.2.2 实验结果与分析
• 6.3 单室模型下的微粒灭火剂灭火实验研究
• 6.3.1 实验装置与器材
• 6.3.2 实验方法与步骤
• 6.3.3 实验结果与讨论
• 6.3.3.1 施放1000克超细微粒灭火剂与火焰相互作用
• 6.3.3.2 施放500克超细微粒灭火剂与火焰相互作用
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 本文主要工作及结论
• 7.2 本文创新之处
• 7.3 下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间完成的论文